公路隧道开挖对既有铁路隧道的影响研究

公路隧道开挖对既有铁路隧道的影响研究
发布时间：2021-05-17T16:12:31.900Z 来源：《科学与技术》2021年4期作者：袁郑棋，林海洋[导读] 以工程实际为例，应用MIDAS-GTS软件进行三维有限元数值模拟
袁郑棋，林海洋
( 温州市交通规划设计研究院，浙江温州 325000 ) 摘要：以工程实际为例，应用MIDAS-GTS软件进行三维有限元数值模拟，分析了新建公路隧道开挖对既有铁路隧道位移、衬砌结构内力的影响，得出新建公路隧道开挖对一定距离范围外既有隧道的影响结论，为类似工程提供借鉴。

关键字：新建隧道；既有隧道；数值模拟；变形、内力
0.引言
随着我国交通事业的高速发展，公路、铁路的建设不断增多，由于地形地质的影响，较好的路线走廊带也越来越少，多条路线共用同一条走廊带的情况不断出现。

在实际工程实施过程中，经常会遇到新建公路隧道临近原有铁路隧道的情况，这些新旧工程之间的距离较小，新公路隧道的修建必定会对既有隧道产生不利影响，所以在新建项目方案设计阶段，就要结合路线方案充分考虑施工期及运营期对既有隧道的影响，确保新建公路隧道和既有隧道的结构安全，因此分析既有铁路隧道在临近新建公路隧道开挖后结构的内力和位移是必要的，本文依托永嘉水门路项目，从静力学角度研究了公路隧道开挖对既有铁路隧道的影响。

1.工程实例
永嘉水门路项目采用一级公路标准，设计速度为80km/h，整体式路基宽24.5m，分离式路基宽12.25m；设分离式小净距隧道1座499m （隧道宽10.25m）。

既有铁路隧道Ⅲ级围岩段隧道采用曲墙加底板的衬砌结构形式，Ⅳ~Ⅴ级围岩采用曲墙带仰拱的衬砌结构形式。

洞口段、浅埋偏压、断层破碎带、岩性接触带、节理密集带等地段进行结构加强。

水门路新建公路隧道右洞与乐清湾铁路新村隧道水平距离最近，最小距离48m。

2.有限元分析
2.1模型建立
新建公路隧道与既有隧道位置关系呈现一定的空间关系，现利用MIDAS-GTS软件建立三维有限元数值模型。

既有铁路隧道外径约为7.76m，考虑到隧道的影响范围一般为3~5倍洞径，在既有铁路隧道中心线左侧取30m，新建公路左线隧道中线右侧取45m，横向共选取160m；纵向从新建公路隧道左线里程ZK0+606到ZK0+651，共45m；下限取既有隧道仰拱以下30m，上限为山体表面。

既有隧道衬砌及其与新建公路隧道衬砌相对位置关系如图1所示。

图1 既有隧道与新建公路隧道关系示意图2.2基本参数的选取综合岩土工程勘察以及相关的规范、设计手册，确定在有限元分析中所采用的物理力学参数如表1所示。

表1 主要物理力学参数
2.3分析边界条件
在新建公路隧道对既有铁路影响的模型中，其施工过程分析边界条件均取为：计算土体的底面约束竖直方向z的自由度，计算土体的侧面约束侧向x、y方向的自由度，地表为自由面。

2.4既有隧道变形及内力限值
目前，关于衬砌变形的控制标准尚未有明确的规定，参考北京、浙江等地轨道交通工程建设监控量测的实践，并结合大量的接近工程经验，在不同重要性等级下，既有线隧道结构控制指标参考值如表2所示。

表2 既有线隧道结构控制指标值
乐清湾铁路支线主要承担乐清湾港区货物运输服务，是乐清湾港区联系并辐射内地的后方通道，也是现有金温铁路的出海通道，一旦发生事故将会造成严重的影响。

考虑到该隧道目前尚未运营通车，在设计中按照重要性等级为Ⅱ级来进行衬砌变形控制。

3.数值计算结果分析
3.1新建公路隧道开挖对既有隧道的变形影响分析
在新建公路隧道施工开挖作用下，岩体及既有隧道衬砌三个方面的变形云图如图2所示。

图中的正位移表示变形方向与坐标轴一致，负位移表示与坐标轴相反。

（a）T1方向（垂直于隧道纵向方向）
（b）T2方向（沿隧道纵向方向）
（c）T3方向（竖直方向）
图2 岩土及既有隧道衬砌变形云图
由图2可以看到，在公路隧道施工开挖过程中，既有隧道的主要产生沿着开挖面方向（T1方向）的水平变形为主，而沿着隧道纵向的变
形（T2方向）以及竖向的变形（T3方向）基本比T1方向小1~2个数量级，基本可以忽略不计。

在右线隧道开挖完成后，既有隧道全断面均产生沿着开挖面方向的变形，但数值较小，仅约0.1mm；双线隧道贯通后，最大变形增加至0.28mm，均远远小于4mm的水平变形控制标准，这说明新建隧道的静力开挖基本不会对既有线路的安全造成影响。

3.2新建公路隧道开挖对既有隧道的内力影响分析
在新建公路隧道开挖作用下，既有隧道衬砌的轴力及弯矩分布如图3-1和图3-2所示。

图3-1 既有隧道衬砌结构轴力分布图 3-2 既有隧道衬砌结构弯矩分布根据《铁路隧道设计规范》（TB10003-2016），当时，混凝土矩形截面中心及偏心受压构件的抗压强度的计算公式为：当时，从抗裂要求出发，混凝土矩形截面偏心受压构件的抗拉强度的计算公式为：
式中，—混凝土极限抗压强度；—混凝土极限抗拉强度；—安全系数；——轴向力（MN）；—截面的宽度（m）；—截面的厚度（m）；—构件的纵向弯曲系数，对于隧道衬砌可取；—轴向力的偏心影响系数，—截面偏心距（m）。

以下选取最不利典型断面，即公路右线隧道出口明暗交界段，与铁路隧道最小距离48m处（以下称断面一），对既有隧道衬砌拱顶、左右拱腰、左右拱脚、左右墙脚以及仰拱处的衬砌结构各特征点处受力，并计算安全系数检算，分别如表3所示。

表3断面二处铁路隧道衬砌结构受力及安全系数检算表
以上检算结果显示，既有隧道最不利典型断面各特征点处的抗压强度和抗压强度安全系数均能满足规范要求，这说明新建公路隧道的施工开挖没有改变既有隧道衬砌结构的承载能力，不会危及既有隧道的结构安全。

4.结论
在公路隧道施工开挖过程中，既有隧道的主要产生沿着开挖面方向（T1方向）的水平变形为主，而沿着隧道纵向的变形（T2方向）以及竖向的变形（T3方向）基本比T1方向小1~2个数量级，基本可以忽略不计。

在新建隧道施工开挖作用下，新建公路隧道暗洞施工使得既有铁路隧道沿着开挖面方向发生很小的水平变形，最大值约为0.28mm，远小于4mm的水平变形控制标准，这说明新建隧道的静力开挖基本不会对既有线路的安全造成影响。

在相距约48m情况下，既有隧道各特征点处的抗压强度和抗压强度安全系数均能满足规范要求，这说明新建公路隧道的开挖没有改变既有隧道衬砌结构的承载能力，不会危及既有隧道的结构安全。

新建公路隧道施工过程中，既有铁路隧道监测的各项指标均与模拟结果相近，均在安全许可范围内，现本项目新建隧道已交工通车。

参考文献
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