路堑开挖卸荷对既有铁路隧道影响的数值分析-论文.pdf

铁道运营技术第2O卷第4期Vo1．20No．42014年10月RailwayOperationTechnologyOctober2O14路堑开挖卸荷对既有铁路隧道影响的数值分析朱小鹏(1．中铁二十五局集团有限公司第二工程公司，工程师，湖南衡阳421000)摘要：基于数值分析软件平台，采用数值分析方法对高速公路开挖路堑跨越铁路隧道结构安全影响进行了仿真分析，分析了路堑开挖过程中隧道结构围岩形变和应力的变化规律，进而对路堑开挖的施工过程提出合理性的建议。研究结果表明：路堑开挖会导致其下部既有隧道向上回弹，隧道拱顶产生附加拉应力，容易导致隧道灾害及次生灾害的产生。研究结果能为同类工程的顺利施工与安全监控提供有益参考。关键词：路堑开挖；既有铁路隧道；影响；数值分析中图分类号：u458文献标识码：A文章编号：1006—8686(2014)0019—05新建高速公路以路堑形式近距离跨越既有隧道永顺至吉首高速公路为湖南省西北部区域重要时，路堑开挖施工过程中不可避免地将造成下部既省际通道，是湖南省高速公路网规划“七纵九横”中有隧道结构周围岩土体应力重分布⋯，从而引起隧第七纵的重要组成部分。新建永吉高速公路以路道结构产生相应的内力和变形，严重时将会直接导堑形式上跨焦柳铁路罗依溪隧道位于焦柳铁路致结构的损坏，影响隧道正常使用和安全n。因此，k1040+752．36处。只有正确评估新建高速公路施工期间对既有隧道的新建永吉高速与铁路隧道交叉处，其走向基本影响程度，掌握既有隧道应力和位移的变化规律，提和既有焦柳铁路垂直，交叉角为83。，在交叉点前后出合理化的设计及施工建议，才能达到路堑施工卸130m范围内新建高速公路均为挖方地段。因公路荷过程中保障既有铁路隧道安全运营的目的。路堑开挖导致隧道顶覆土减薄对应的铁路里程范围上部开挖卸载对下方既有隧道影响的研究方法为k1040+723～k1040+811，影响范围内原隧道顶主要有：现场实测分析法、经验公式法、力学计覆土厚度为93—119m。高速公路建成后，公铁交叉算法和有限单元法““等。但总体而言，目前国点处铁路隧道顶至公路路面的最小覆土厚度为内对上部开挖卸载对既有隧道结构影响的研究多集55．3m，即公路路堑的最大挖深约52m。该路堑处中于单一工程实例的研究“，因而还处于总结和经罗依溪褶曲带内，路堑边坡岩性主要为硅质岩、硅质验积累阶段。页岩，受构造影响，该段产状杂乱无序，产状175。本文结合新建永吉高速公路采用深挖路堑形式18。，硅质页岩中间夹多层极薄的石煤层，岩质软上跨焦柳铁路罗依溪隧道工程，采用数值分析技术硬不均，岩体完整性及边坡稳定性均较差。研究了山体开挖对隧道主体结构安全性和稳定性影罗依溪隧道建于1975年，隧道长1391m，中心响，进而对深挖路堑的施工过程提出合理性的建里程k1041+256，洞内净宽5．60m，洞高6．37m，拱议。本文研究成果可以为新建高速公路路堑开挖跨圈及边墙为170级砼，洞口顶山坡上设有天沟。公越既有铁路隧道的设计和施工提供借鉴与参考。铁交叉处岩层较破碎，从上到下基本可分为：上不为寒武系的牛蹄坡胶质页岩，由于断层通过，基岩极为1工程概况破碎，几乎是1O～20cm的棱块状出现；下部为灯影硅质层夹少量的白云灰质岩和页岩；受区域断层影基金项目：湖南省交通科技项目(201121，201217)19 路堑开挖卸荷对既有铁路隧道影响的数值分析Ⅱv楼赚uv酶42086420242O864202时隧道横截面也会产生收敛变形；距离公路隧道交化如图6所示。图6中横坐标零点表示公路与隧道叉点处越近，隧道结构变形越明显，严重时可能出现交叉点的位置，距离为正表示处于交叉点Y轴正方隧道衬砌开裂、接缝渗水等安全隐患。向，距离为负表示沿Y轴负方向。图5示意了图2中公路与隧道交叉点处隧道洞周关键点(拱顶、拱底和左拱腰)位移随开挖进度的吕变化情况。吕嘴开挖步图6隧道拱顶位移随开挖进度变化图012345由图6可看出隧道拱顶的位移会随着路堑开挖开挖步卸载而逐渐增大，且距离公路隧道交叉点处越近变(a)拱顶位移随开挖进度图形越明显，距离公路隧道交叉点处越远变形越小。路堑开挖卸载对下部隧道位移的影响范围大约为公路隧道交叉点两侧40～50m。3．2应力分析公路与隧道交叉点处隧道洞周各关键点主应力随开挖进度变化见图7所示(ABAQUS以拉应力为正，压应力为负)。012345开挖步(b)拱底位移随开挖进度图012345开挖步(a)交叉点隧道洞周最大主应力随开挖进度变化图0一O5开挖步一1(c)左拱腰位移随开挖进度图窖-1．5图5公路与隧道交叉点隧道洞周位移随开挖进度变化图一2七嘣一2．5由图5可知：路堑开挖引起的关键点竖向变形—3远大于其他方向的变形；路堑开挖卸载过程中，交叉—350l2345开挖步点处隧道段面各关键点水平方向上产生的位移很(b)交叉点隧遭洞岗最小主应力随开挖进度变化图小，这是因为隧道埋深较大，在卸载过程中没有产生图7交叉点隧道洞周主应力随开挖进度变化图附加的偏压荷载；隧道位移主要集中在竖直方向上，且随着路堑施工开挖的进行，隧道上覆土卸载逐渐由图7可知随着路堑开挖进行，拱顶、拱腰和拱增加，隧道断面整体位移逐渐增大，拱顶最大向上位底的最大主应力均逐渐增大，最小主应力变化不大，移达12mm。拱顶最大主应力达0．94MPa，两侧边墙应力变化不公路与隧道交叉段隧道拱顶位移随开挖进度变大。这是由于隧道上部开挖卸载导致隧道拱顶产生21 路堑开挖卸荷对既有铁路隧道影响的数值分析力形成的。实际工程中附加的张拉应力会导致隧道2)公路路堑开挖卸载导致隧道周围压应力有所围岩细小裂缝发展贯通形成大的渗流路径，在地下减小，局部产生拉应力，最大拉应力出现在既有隧道水有丰富补给的情况下会导致隧道围岩内部裂隙贯拱顶区域。通、开裂等，容易导致隧道灾害及次生灾害的产生。3)隧道衬砌在路堑开挖后轴力和弯矩的分布几1．003乎不变，量值略有增大。4)公路路堑开挖导致隧道附近的孔压和渗流速度会变小，但同时导致隧道附近围岩孔隙比增大，不1．002利于隧道渗流的稳定性，容易导致隧道灾害及次生蕾灾害的产生。1．0Ol参考文献：[1]KontogianniVA，StirosSC．Induceddeformationdur—ingtunnelexcavation：Evidencefromgeodeticmonitoring开挖步【J]．EngineeringGeology，2005．图13交叉点隧道洞周点孔隙比随开挖进度变化图【2JKontogianniVA，TzortzisA，StirosSC．DeformationandfailureoftheTymfristostunnel，Greece【J]．JournalofGeotechnicalEngineering，2004．4施工建议[3]陈郁，张冬梅．基坑开挖对下卧隧道隆起的实测影响分析[J]．地下空间，2004，24(5)：748—751．1)鉴于焦柳铁路为电气化铁路，为确保施工期[4]况龙川，李智敏，殷宗泽．地下工程施工影响地铁隧道的实测间隧道顶部电气化承力索的平顺稳定，新建永吉高分析[J]．清华大学学报：自然科学版，2000，40(S1)：79—82．速公路与铁路交叉段施工过程中建议采用机械挖[5]温锁林．近距离上穿运营地铁隧道的基坑明挖施工控制技掘，严禁采用爆破施工。术[J]．岩土工程学报，2010，32(s2)：451-454．[6]张俊峰，王建华，陈锦剑，等．跨越运营地铁隧道超大基坑2)鉴于此处隧道围岩较破碎，受断层影响地下开挖的土体参数反分析[J]．上海交通大学学报，2012，46水较发育，建议公路路堑开挖至路槽后尽快采用(1)：42—46．52．Cl5砼封闭路堑基坑，严禁长时间裸露路堑基坑。[7]卢梅艳．基坑开挖引起下方运营隧道位移的预测与控制技3)建议施工期间做好排水措施，及时挖沟将路术研究[J]．地下工程与隧道，2012(2)：14—18．堑基坑内的雨水排走，禁止新建公路排水系统进入[8]李志高，刘浩，刘国彬等．基坑开挖引起下卧隧道位移的实测分析[J]．地下空间与工程学报，2005，1(4)：619—623．铁路排水系统。[9]陈郁，李永盛．基坑开挖卸荷引起下卧隧道隆起的计算方4)建议施工中加强对公路和隧道交叉段路堑边法[J]．地下空间与工程学报，2005，1(1)：91—94．坡和既有隧道的监控量测，重点监测路堑边坡坡脚【10]GangZ，WeiSW．Numericalanalysesofinfluenceof位移、隧道拱顶位移及渗水情况，发现问题及时调overlyingpitexcavationonexistingtunnels[J]．Journalof整，以确保工程质量和周边环境安全。CentralSouthUniversityofTechnology，2008．[11]MartaDole~alov6．TunnelcomplexunloadedbyaDeepexcavation[J3．ComputersandGeotechnics，2001．5结论[12]毛朝辉，刘国彬．基坑开挖引起下方隧道变形的数值模拟[J]．地下工程与隧道，2005(4)：24—27．本文针对新建高速公路采用路堑形式跨越既有[13]张玉成，杨光华，姚捷等．基坑开挖卸荷对下方既有地铁铁路隧道交叉部位建立了三维数值分析模型，分析隧道影响的数值仿真分析[J]．岩土工程学报，2010，32隧道围岩变形、隧道围岩应力以及隧道渗流随施工(S1)：109—115．[143吴怀娜，许烨霜，沈水龙等．软土地区基坑降水对下方越江进程的变化规律。得出以下结论：隧道的影响[J]．上海交通大学学报，2012，46(1)：53—57．1)新建高速公路路堑开挖会导致其下方既有铁[15]赵东平，王明年，贾玲利．路堑边坡开挖对邻近既有隧道路隧道结构在路堑开挖的影响范围内整体向上回影响研究[J]．岩土力学，2009，30(5)：1399—1402．弹，距离公路隧道交叉点越近，向上变形越明显，且[163费康，张建伟．ABAQUS在岩土工程中的应用[M]．北京：交叉点处隧道拱顶有较大的竖直向上位移。中国水利水电出版社，2010年．23