隧道下穿铁路桥段围岩稳定性研究

樊清峰

摘 要：随着城市经济地高速发展，城市交通压力日趋严重，一二线城市将地铁建设列为城市重点建设项目。地铁的建设过程中需要下穿既有建筑物，并且地铁会与建筑物产生相互作用，影响着两者的结构稳定性。本文以隧道下穿铁路桥段围岩为例，通过围岩变形进行现场监测，并进行必要的数值模拟。通过分析结果，可知：在挖掘过程中，出现在掌子面附近的断面位移变化较大，竖向位移中最大处在拱顶，水平位移中最大处在拱腰。随着挖掘进行，洞口附近断面趋于稳定，因此初期支护的结构设计必须满足施工的要求。

关键词：城市建设；地铁挖掘；现场监测；数值模拟

0 引言

城市的发展依附发达的交通环境，近年来，越来越多的城市将地铁发展视为城市发展的重点项目。在隧道挖掘过程中，需要下穿既有建筑物。隧道下穿铁路桥时还会与铁路桥存在相互作用，影响相互稳定性。由于铁路桥铁路行车密度大，因此，为确保铁路稳定性，保证行车安全进行，必须严格控制施工过程中发生的沉降量。本文通过对铁路围岩变形进行监测，并进行模型模拟计算分析，对比实测数据和模拟数据可以得到具有指导意义的结论。

1 工程概况

本文研究的隧道所在岗阜状高原地貌地段，隧道深埋8～13m，主要是分支黏土层，围岩具有弱湿陷性。场地上方底层是粘性土，冻胀类别属于弱冻胀-冻胀。在冲洪积底层中主要是地下水，水温13～15℃；空隙中存在的潜伏水是含水层，地下水相比则埋藏较深。

采用浅埋暗挖的方法进行发掘，在发掘期间预留核心土施工。在试验段完成以后再进行下穿铁路桥的工作，对于拱顶的保护，采取的是超前管棚支护的方法。根据现场的检测数据来判断二衬的具体操作时间。

2 隧道施工过程的模拟

采用Drucker-Prager模型作为模拟单元，采用solid45作为围岩的模拟单元，采用shell63作为超前和初期支护的模拟单元。模拟的计算范围：横向宽度35m，深埋10m、隧道地下一倍洞6.4m，地层高度总共23m。地层与地层结构数据见表1。

在发掘过程中，铁路桥和隧道存在相互作用，情况比较复杂，给模拟计算带来不便，先采取一定的简化。将铁路桥简化为是均匀作用在模型的负荷，具体操作是：首先计算实际桥梁的实际重量和负荷，进而将实际负荷等效于均匀负荷，作用在特定的单元上。模型的边界条件：模型左右2个边界和底部分用于限制x方向上的位移和y方向的位移，上下地面没有限制时自由面，前后边界限制z方向的位移。

3 计算结果与分析

分析主要从应力、位移和支护应力3方面进行说明。

3.1 应力分析

上半断面预留土开挖支护后，最大应力出现在拱顶和公交处。最大值达到了0.95Mpa。在核心土及下半面开挖后，在拱底处出现最大应力值，达到3.77Mpa。在隧道超前支护后，拱底出现最大应力值，离掌子面越近应力越大，应力值没有太大变化，应力值3.82Mpa。

3.2 位移分析

隧道开挖初期，在自重力的作用下土层会产生均匀沉降，挖掘中后期，土层应力会重新分布。在上半断面支护后，拱顶的水平位移没有明显变化，在水平方向的最大位移中，拱脚处最大。核心土及下半段支护后，在两侧土的挤压下，最大水平位移在拱腰处，最大位移量6.90mm，由此可见，水平位移的控制点应该在拱腰位置。

3.3 支护应力分析

在隧道的开挖进程中，由于拱底的隆起，初期支护主要受压应力，并且在拱底处出现极值。随着开挖工作地不断进行，洞口附近拱腰处出现极值，极值是16.2Mpa。在掌子面附近，超前支护承受较大的压应力，主要分布在拱顶和拱脚处，极值是34.1Mpa，管棚支护所用钢材弯曲应力125Mpa，剪应力90Mpa，模拟结果满足要求。

4 现场监控测量

主要对隧道拱顶沉降及拱腰水平收敛进行检测，从数据分析可以看出现场监测量的变化，随着时间的推移，变化量趋于稳定，拱顶沉降为9.5mm，水平收敛值为9.8mm，此数值的模拟值是：拱顶沉降8.2mm，水平位移9.27mm，通过对比发现，实测数值均略高于模拟值。分析原因，拱顶高于模拟值的原因可能是数值计算式未考虑移动负荷的作用，而水平收敛值高于数值计算的原因是因为监测总是待开挖后才开始埋没测量，而变形在这之前就已经发生，会造成数值的差异。

5 结论

根据模拟计算和现场监测等数据可以得到一些指导性的结论：

（1）上半断面留核心土开挖支护后，在拱顶和拱脚处出现应力集中现象，开挖核心土及下端面后，拱顶压力没有出现明显变化。

（2）随着掌子面的开挖，洞口附近的断面逐渐趋于稳定，因此，初期支护结构设计要满足负荷要求。

参考文献

[1]汪小敏.软弱围岩隧道施工三维有限元分析[J].地下空间与工程学报，2007，（6）：1114-1118.

[2]魏刚.邻近建筑物的暗挖隧道施工数值模拟[J].岩土力学，2009，30（2）：547-552.

[3]何海建.地铁洞桩法施工队邻近桥桩的影响[D].北京交通大学，2007.

（作者单位：中国铁道建筑总公司）