桥梁施工对既有铁路隧道的影响分析
2020-06-01董云生
董云生
(中铁第五勘察设计院集团有限公司 北京市 102600)
为了维护铁路运营安全,涉铁工程多采用桥梁方案而非路基方案上跨铁路隧道。以广州从化至黄埔高速公路上跨广州枢纽东北货车外绕线大梅山隧道为依托,运用有限元分析软件MIDASGTSNX对桥梁上跨大梅山隧道段落进行数值模拟分析,对隧道收敛变形及其二次衬砌安全性进行预测。
1 工程概况
大梅山隧道采用单洞双线形式,进口位于广州市白云区太和镇境内,出口位于萝岗区境内,线路近东西走向约(82°~97°)。隧道进口里程DIIK33+404,隧道出口里程DIIK37+653.79,隧道全长4249.79m,隧道最大埋深约87m。隧道穿越地层主要为强~弱风化花岗岩等,隧址区为广花复式向斜的右翼,处于恩平-新丰断裂带和高要-惠来断裂带之间,未与断裂构造相交。
广州从化至黄埔高速公路与广州枢纽东北货车外绕线交叉于 DIIK34+617.8,轨顶标高为81.193m,地面标高为106.408m,桥梁上部采用25m+40m+3×25m装配式预应力混凝土简支小箱梁、简支T梁,桥墩桩基距离隧道边缘净距最小为12.2m,左右幅1号、2号桥墩桩底标高均低于隧道仰拱标高。大梅山隧道与桥梁位置关系,见图1、图2。
大梅山隧道在交叉节点附近段落采用Ⅴb型衬砌,Φ42超前小导管注浆加固地层,三台阶临时仰拱法施工,埋深约17m,地层分布自上而下为砂质粘性土、全风化花岗岩、强风化花岗岩。隧道洞身位于强风化花岗岩中。
2 有限元数值模拟
2.1 计算假定
从理论上讲,模型几何范围应该取到应力增量或者位移增量可忽略不计的位置;从经验上来讲,一般可取3~5倍研究区域尺寸[1]。为保证计算结果的准确,同时兼顾计算效率,模型尺寸采用200m×150m×120m(X方向×Y方向×Z方向),其中X、Y、Z方向分别指隧道横断面方向、纵断面方向以及重力方向。有限元模型中,承台和地层采用混合网格生成器优先生成六面体单元,不满足的情况下使用四面体和五面体单元过渡;基桩采用一维梁单元模拟,基桩内力通过梁单元与地层实体单元的共享节点传递到地层中;隧道二次衬砌采用二维板单元模拟。
根据《公路工程技术标准》(JTG B01-2014),高速公路车道荷载为公路—Ⅰ级,荷载标准值为q=10.5 kN/m。在建模中,将桥梁上部结构及承台上回填覆土转化为作用在承台顶面上的垂直均布压力,经计算左右侧承台顶面上作用荷载分别为230kPa、200kPa。
有限元模型中共有98433个单元,55546个节点,171435个自由度。其中隧道二次衬砌有1558个单元,1599个节点。网格在隧道周围分布较密,往外则逐渐变疏。整体有限元模型,见图3,大梅山隧道与桥梁基桩关系,见图4。
2.2 计算参数及边界条件
由于桩基础穿过的全风化花岗岩地层很薄,模型中仅考虑砂质粘性土和强风化花岗岩地层。土体考虑弹塑性,采用莫尔-库伦本构模型;桥梁桩基础及隧道二次衬砌采用弹性本构模型。数值模型各材料物理力学参数,见表1。
表1 各材料物理力学参数
有限元模型上部施加法向荷载边界,模型各侧面及底部施加法向位移约束边界[2]。模拟施工步骤:形成自重地应力场→隧道开挖释放一定荷载→施作二次衬砌释放剩余荷载→桥梁桩基础施工→施加桥梁荷载。其中,通过钝化地层实体单元、二衬板单元,以实现对隧道开挖的模拟;通过激活基桩梁单元和改变承台实体单元的属性,以实现对桥梁桩基础施工的模拟[3-4]。
2.3 数值模拟计算结果
2.3.1 位移分析
桥梁上部结构荷载作用在承台上,通过桩基础传递到地层中,进而间接地对大梅山隧道结构影响。隧道靠近桩基础的段落势必受到的影响更为显著。桩基础及隧道衬砌竖向位移,见图5、图6。
由图5可知:在桥梁上部结构荷载作用下,桩基础及大梅山隧道衬砌均发生了竖向位移,且桩基础的竖向位移大于隧道衬砌的竖向位移。左侧桩基础
的竖向位移大于右侧桩基础的竖向位移,这是因为左侧承台上方回填土较厚,换算的荷载较大,导致左侧承台施加的荷载大于右侧承台上施加的荷载。
由图6可知:桥梁施工及其上部结构荷载,确实对大梅山隧道产生了一定程度的影响;靠近桩基础的隧道段落的衬砌产生的竖向位移最大,随着距离的增大,大梅山隧道受到的影响越来越小。大梅山隧道衬砌最大竖向位移约1.1mm,小于既有线隧道结构控制指标5mm[5]。
2.3.2 应力分析
在桥梁施工及其上部结构荷载作用下,近桩基础段落隧道围岩势必发生应力重分布。在评估隧道安全性时,有必要对其围岩应力情况进行分析。桩基础附近地层岩体小主应力和大主应力,分别见图7、图8。
由图7、图8可知:地层的应力分布以自重应力为主;在隧道拱顶以及仰拱部位有轻微的应力集中显现,但主要出现在仰拱部位。仰拱应力集中处,最大主应力约为73.407kPa,最小主应力约为-195.020kPa。
2.3.3 衬砌安全系数检算
为了进一步明确在桥梁施工及其上部结构荷载作用下,大梅山隧道的衬砌结构是否满足安全性要求,需要对其衬砌进行校核。大梅山隧道衬砌内力结果(轴力、弯矩),见图9、图10。
选取最不利衬砌断面进行受力安全性检算,取隧道衬砌的拱顶、左右边墙、左右墙脚以及仰拱这些特征点处轴力与弯矩值,依据《铁路隧道设计规范》(TB 10003-2016)计算安全系数,检算结果如表2所示。这里选取左右侧特征点,是因为大梅山隧道左右侧桩基础的上部荷载是非对称的,导致隧道受到的作用也是非对称的。
由图9、图10及表2的截面强度检算结果显示,隧道衬砌结构各处的破坏类型均为偏心受压破坏,且衬砌截面强度抗压满足规范安全系数2.0的要求。
3 结论
(1)大梅山隧道衬砌结构在桥梁施工及其上部结构荷载作用下发生了竖向位移,竖向位移最大值约1.1mm,小于规范要求的控制标准值5mm。
表2 既有隧道衬砌安全系数检算表
(2)桥梁施工未对大梅山隧道在桩基础附近的围岩应力情况产生明显影响。
(3)提取最不利断面的内力结果,对既有隧道衬砌截面强度进行检算,结果表明隧道衬砌强度安全系数满足规范要求。