基于强度折减法的某新建隧道下穿客运专线的稳定性分析

田明杰, 陈 行, 周鹏发

(西南交通大学，四川成都 610031)

重庆市轨道交通九号线线路西起沙坪坝区，北至渝北区两路，线路大体呈“先由西向东，再往北的走向”，是轨道交通线网的重要组成部分。线路主要途径沙坪坝区、渝中区、江北区、渝北区。起点位于沙坪坝区高滩岩，向北至沙坪坝，向东经小龙坎、土湾、红岩村至化龙桥片区，然后跨越嘉陵江进入江北区，经蚂蝗梁、观音桥、鲤鱼池、江北城、五里店、头塘、保税港后线路进入渝北区，途径石盘河、上湾路、服装城大道、宝桐路至线路终点回兴。线路起点为CK0+000,终点为CK32+276.269。线路全长约32.276 km，其中地下线30.234 km，高架线2.042 km。共设24座车站，其中地下站22座，高架站2座。全线平均站间距1.34 km。最大站间距2.011 km(青岗坪站～宝圣湖站)，最小站间距0.841 km(李家坪站～蚂蝗梁站)。

1 工程概况

1.1 地质概况

重庆轨道交通九号线一期工程天梨路至沙坪坝站区间(以下简称为天沙区间)位于沙坪坝区沙铁村和红槽房小学附近，周边环境较复杂，下穿建构筑物众多以及成渝客专沙坪坝枢纽站场路堑段。天沙区间根据地质条件和线路埋设深度采用暗挖法施工。隧道主要穿越侏罗系中风化砂岩和中风化砂质泥岩，区间右线起止里程右CK1+750.848～右CK2+735.898，长985.050 m，其中右线已由环线沙坪坝站施工通道利用并代建105.672 m(含二衬)。项目位置如图1所示。

图1 项目位置

1.2 区间隧道与成渝客专相互关系

重庆轨道交通九号线一期工程天梨路～沙坪坝区间位于沙坪坝区，设计起讫里程为CK1+762.897～CK2+768.939，全长1 006.042 m。其中下穿成渝客专路堑段为YCK2+163～YCK2+205段，共约42 m，其平面关系，纵断面关系如图2、图3所示。

图2 平面关系

图3 纵断面关系

要下穿原始丘陵地形，地表以原始地貌为主，局部经开发后形成为城市生产生活区。隧道埋深一般较大，属深埋隧道。下穿关系立面图如图4所示。线路平面平面曲线段半径为500 m。区间线路受控条件主要为区间两端车站即天梨路站和沙坪坝站(基坑已建，为九号线、一号线与环线换乘站)以及九号线与环线空间关系。

图4 下穿情况立面关系

右CK1+180～右CK1+198.324段下穿在建成渝高铁段位于沙坪坝背斜东翼，岩层单斜产出，岩层产状为50～130°∠4～6°，拟修建隧道距地表埋深为20.32 m，成渝客专标高为248.3 m。线路纵断面受到天梨路站和沙坪坝站条件影响，以及沿线周边环境，区间线路最大纵坡为4 ‰，最小纵坡为2 ‰。

2 分析方法原理

强度折减法是通过对围岩的剪切强度代表值进行不断的折减直至围岩达到极限破坏状态为止。下面以服从摩尔—库仑准则的材料为例来阐述强度折减法的基本原理。

令w为强度安全系数，折减后的围岩强度可以表示如下：

根据以上的式子可以得出：

式中：c、c′分别为初始粘聚力和极限粘聚力；φ、φ′分别为初始内摩擦角和极限内摩擦角修正值。

强度折减法的主要优点有:(1)不需要假定破坏面；(2)通过分析可以比较直观地反映围岩的实际破坏面。

3 数值计算

3.1 计算模型

计算采用平面应变计算模型如图5所示。其中计算模型横向取86.98 m(左边界距隧道中线43.49 m、右边界距隧道中线43.49 m)，竖向取隧道下方21.99 m，隧道上方取20.52 m，实际地形建模。从上到下土体依次为人工填土、中风化砂岩、中风化泥岩。采用实体单元，一共建立了1 904个单元来进行数值模拟。模型服从摩尔-库伦屈服准则。应力场按自重应力场考虑。

图5 计算模型

3.2 计算参数

结合地勘资料、《铁路隧道设计规范》和相关文献，进行围岩、初支、二衬等的物理力学参数选取，具体如表1所示。

表1 围岩、铁轨和道床物理力学参数

3.3 列车荷载计算

列车荷载采用ZK荷载，如所示，参考TB 10001-2016《铁路路基设计规范》和TB 10093-2017《铁路桥涵地基和基础设计规范》中列车荷载换算土柱法，路基上荷载包括两部分：

(1)列车轴重产生的荷载：

Q=250/1.6=156.25 kN/m

(2)由轨道、轨枕、道砟、路基等自重产生的荷载：

P=66.49 kN/m

最终可换算为3.7 m宽的均布荷载，其大小为60.2 kPa。

但考虑到列车的动力系数k=1.4，轴重产生的拟静力荷载为：

Q′=kQ=1.4×156.25=218.75 kN/m

因此最终作用在路基上的荷载为：

Q′+P=218.75+66.49=285.24 kN/m

同样采用换算土柱法，可换算为3.7 m宽，大小77.09 kPa的均布荷载。

列车荷载加载如图6所示。

图6 列车荷载示意

3.4 整体稳定性分析

对于裸洞开挖、分别考虑只挖左线隧道、只挖右线隧道、开挖左右线隧道3种情况、对于初支、二衬也同样考虑只挖左线隧道、只挖右线隧道、开挖左右线隧道3种工况，共计9种工况，以下对左右线同时开挖进行分析。

3.4.1 裸洞开挖

数值模拟求得左右线隧道全断面开挖且无支护条件下，隧道竖向(z方向)位移如图7所示。通过强度折减得到的拱顶地表位移与折减系数的关系曲线图8可知，左右线隧道开挖完后的整体安全系数为1.88，处于安全状态，地表最大沉降、拱顶最大沉降分别为1.76 mm、3.31 mm。

图7 左右线开挖的竖向位移云图

图8 隧道拱顶沉降与折减系数关系曲线

3.4.2 施做初支

数值模拟求得左右线隧道全断面开挖且有初期支护条件下，隧道竖向(z方向)位移如图9所示。通过强度折减得到的拱顶地表位移与折减系数的关系曲线图10可知，有初支的隧道结构开挖完后的整体安全系数为3.14，处于安全状态，地表最大沉降为1.01 mm。

图9 带初支结构的竖向位移云图

图10 隧道拱顶沉降与折减系数关系曲线

3.4.3 开挖左右线并施作初支+二衬

数值模拟求得左右线隧道全断面开挖有二衬的条件下，隧道竖向(z方向)位移如图11所示。通过强度折减得到的拱顶地表位移与折减系数的关系曲线图12可知，有二衬结构的隧道开挖完后的整体安全系数为4.55，处于安全状态，地表最大沉降为0.74 mm，拱顶最大沉降0.28 mm。

图11 带二衬结构的竖向位移云图

图12 隧道拱顶沉降与折减系数关系曲线

通过对9种工况计算进行汇总得到地表沉降、拱顶沉降、安全系数如表2所示。

4 结论

通过数值计算，对计算结果进行汇总，得到以下结论：

(1)裸洞、初支和初支+二衬安全系数均大于1，满足规范要求。

(2)先开挖右线隧道的地表沉降在裸洞、初支、二衬的情况下安全系数均大于先开挖左线隧道，地表最大沉降则相反。故建议先开挖右线隧道，再开挖左线隧道。

表2 地表沉降、拱顶沉降、安全系数汇总表

(3)地表沉降依次是裸洞>初期支护>初支+二衬，同时开挖左右线>仅开挖左线>仅开挖右线，最小地表沉降为0.41 mm(仅开挖右线、初支+二衬)，地表位移均大于沉降控制标准(0 mm)。

(4)在施工期，建议对成渝客专受区间隧道施工影响范围进行实时、自动化监测，以便时刻掌握成渝客专是否受影响及其受影响程度，从而确保成渝客专的运营安全。

[1] 高志刚,冯超.地铁隧道下穿既有铁路施工时的地基加固分析[J].城市轨道交通研究,2015,18(6):105-108+125.

[2] 袁溢.新建铁路隧道下穿既有运营隧道的设计与施工[J].铁道标准设计,2014,58(6):98-101.

[3] 张鹏.地铁隧道下穿高速铁路地表沉降控制标准研究[J].地下空间与工程学报,2014,10(S1):1700-1703.

[4] 娄国充.铁路隧道下穿既有路基沉降规律及控制标准研究[D].北京交通大学,2012.

[5] 朱正国,黄松,朱永全.铁路隧道下穿公路引起的路面沉降规律和控制基准研究[J].岩土力学 ,2012,33(2):558-563+576.

[6] 朱正国,李兵兵,李文江,等.新建铁路隧道下穿既有铁路施工引起的地表沉降控制标准研究[J].中国铁道科学,2011,32(5):78-82.

[7] 雷位冰.温福铁路琯头岭隧道下穿公路隧道施工技术[J].地下空间与工程学报,2007(4):758-764.

[8] 吕培林,周顺华.软土地区盾构隧道下穿铁路干线引起的线路沉降规律分析[J].中国铁道科学,2007(2):12-16.

[9] 郑俊杰,包德勇,龚彦峰,等.铁路隧道下穿既有高速公路隧道施工控制技术研究[J].铁道工程学报,2006(8):80-84.