公路边坡开挖对既有铁路隧道的影响分析

林海洋 袁郑棋

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，分析了新建公路边坡开挖对既有铁路隧道位移、衬砌结构内力的影响，得出路基边坡开挖对一定距离范围外既有隧道的影响结论，为类似工程提供参考。

关键词：边坡开挖;既有隧道;数值模拟;变形;内力

0 引言

随着我国交通事业的不断发展，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边坡开挖后结构的内力和位移是必要的，本文依托温州水门路项目，从静力学角度研究了公路边坡开挖对既有铁路隧道的影响。

1 工程实例

温州水门路项目采用《公路工程技术标准》中四车道一级公路标准，设计速度为80 km/h，路基标准横断面宽度24.5 m，分离式路基单幅宽度12.25 m。

既有乐清湾铁路新村隧道采用曲墙复合式衬砌，Ⅱ级围岩及Ⅲ级围岩一般段隧道采用曲墙加底板的衬砌结构形式，Ⅲ级围岩地下水发育段采用曲墙带仰拱的衬砌结构形式，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。

新建水门路右线路堑边坡与新村隧道水平距离最近，相距48 m。

2 有限元分析

2.1 模型建立

新建公路边坡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7.76 m，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30 m，新建公路中线右侧取35 m，横向共选取120 m;纵向从新建公路右线里程YK0+650到YK0+710，共60 m;下限取既有隧道仰拱以下30 m，上限为山体表面。既有隧道衬砌及其与新建公路边坡相对位置关系如图1所示。

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1-1所示。

2.3 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1-2所示。

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 新建公路边坡开挖对既有隧道的变形影响分析

在新建公路边坡开挖作用下，岩体及既有隧道衬砌三个方面的变形云图如图2-1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。

由图2-1可以看到，在公路边坡开挖施工过程中，既有隧道的主要产生沿着开挖面方向（T1方向）的水平变形以及竖向的变形（T3方向）为主，而沿着隧道纵向的变形基本比上述两方向小1～2个数量级，基本可以忽略不计。

在边坡开挖作用下，既有铁路隧道全断面均产生沿着开挖面方向的变形，迎开挖面一侧变形比背开挖侧大，最大值约为2.3 mm，不超过4 mm的水平变形控制标准。

由于边坡坡脚高程低于既有隧道底约8 m，因此边坡的开挖也导致了既有隧道发生了一定程度的沉降。不过由于距离较远，约48 m，既有隧道基本位于沉降槽外，最大沉降值约为0.36 mm，远低于10 mm的沉降控制标准。

3.2 新建公路边坡开挖对既有隧道的内力影响分析

在新建公路边坡开挖作用下，既有隧道衬砌的轴力及弯矩分布如图2-2和图2-3所示。

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）。

以下选取两个典型断面（公路右线YK0+686，以下称断面一以及YK0+696断面，以下称断面二），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2-1和表2-2所示。

以上检算结果显示，既有隧道两个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，这说明新建公路边坡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。

4 结论

在公路边坡开挖施工过程中，既有隧道的主要产生沿着开挖面方向（T1方向）的水平变形以及竖向的变形（T3方向）为主，而沿着隧道纵向的变形基本比上述两方向小1～2个数量级，基本可以忽略不计。

在边坡开挖作用下，既有铁路隧道全断面均产生沿着开挖面方向的变形，迎开挖面一侧变形比背开挖侧大，在相距约48 m情况下，既有隧道变形最大值约为2.3 mm，不超过4 mm的水平变形控制标准。

开挖边皮高程低于既有隧道高程时，边坡的开挖也导致了既有隧道发生了一定程度的沉降。在高差约8 m、水平距离48 m情况下，既有隧道基本位于沉降槽外，最大沉降值约为0.36 mm，远低于10 mm的沉降控制标准。

在相距约48 m情况下，既有隧道各特征點处的抗压强度和抗压强度安全系数均能满足规范要求，这说明新建公路边坡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。

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