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新建铁路对下部饮水隧道的影响分析

2023-06-29汪琳李永奎徐海涛

四川建筑 2023年2期
关键词:内力新建饮水

汪琳 李永奎 徐海涛

某新建铁路上跨既有饮水隧道,两者最短垂直距离为9.2 m,为评估新建铁路施工阶段与运营阶段对饮水隧道的影响,基于有限元软件建立等比例模型,从应力和位移2方面进行全面评估。数值模拟结果表明:由新建铁路施工与运营,导致饮水隧道的位移增量值不超过1 mm,竖向最大应力增量变化幅度为1.82%,基本可忽略不计。

新建铁路; 饮水隧道; 位移增量; 应力增量; 评估

U452.2+6 A

[定稿日期]2022-05-25

[作者簡介]汪琳(1989—),男,本科,工程师,主要从事铁路路基及基坑支护设计工作;李永奎(1992—),男,硕士,工程师,主要从事铁路和公路路基设计工作。

近年来,随着交通建设的不断深入,从过去对空间简单使用,转变至现在的多层次多方位复杂利用,新建铁路、公路上跨或下穿既有基础设施的概率逐渐增大,因此评估分析新建工程对既有建筑物正常使用的影响,具有较大的工程实践价值。

目前,国内外研究新建工程对既有建筑物的文献较多,研究对象多为新建隧道对既有铁路、既有公路和既有隧道的影响。赵东平等[1] 、袁溢[2]、郑俊杰等[3]、王明年等[4]基于FLAC3D对新建隧道上穿既有隧道的施工方式进行了研究,给出了爆破施工的安全控制范围;王小林等[5]利用MIDAS GTX有限元软件,以隧道半断面深孔注浆半径为控制变量,分析了新建地铁隧道对上部既有铁路路基的沉降变形影响;郭宏博[6]对上下交叉隧道施工进行分析,得出施工引起结构内力变化规律;周斌等[7]利用ANASYS有限元,分析了新建公路隧道施工对既有铁路隧道内力的影响,得出既有隧道结构满足规范要求;Kimura等[8]基于离心机模型试验,研究了伦敦地铁施工导致地表沉降的规律;刘洪洲等[9]利用三维数值模拟,分析了地铁盾构施工对地表沉降的影响。

综上所述,基于有限元软件,分析新建铁路对既有建筑物的影响是常用方式。但目前研究新建铁路对下部既有饮水隧道的影响报道较少。不同工程实例的地质情况、支护措施以及隧道尺寸等都存在差异,针对实际工程有必要进行单独分析。本文以某新建铁路项目为依托,考虑施工阶段和运营阶段对下部饮水隧道内力和变形的影响,研究成果为评估既有设计的合理性提供参考价值。

1 工程概况

受铁路线位的控制,某新建铁路需上跨外径为6.6 m的既有马蹄形饮水隧道,衬砌为0.6 m厚的钢筋混凝土结构,铁路路肩与饮水隧洞顶部之间为微风化岩层,岩体厚度约为19 m。受地形的限制,该区段铁路需开挖既有边坡坡脚以实现收坡处理,经计算最后采用桩板墙支护形式。为了减小铁路施工对饮水隧道产生破坏,拟采用人工水磨钻施工锚固桩,因此在建模中不需考虑机械荷载。

交叉段地层为三叠系上统文宾山组上段(T3wb)泥质砂岩、炭质砂岩夹煤。灰色、灰黑色,泥质结构,薄—中厚层状构造,节理裂隙发育。强风化层W3厚约6~12 m,属Ⅳ级软石;碎块状强风化W3呈碎块状,岩质较软,属Ⅳ级软石;弱风化层W2岩质较软,属Ⅳ级软石。

2 有限元模型

为消除模型边界效应对模拟结果的准确性产生影响,采用郑颖人建议的边界范围:左端边界为1.5H,坡顶至右端边界2.5H,上下边界总高不低于2H。选取模型宽度为77.7 m、长度80.0 m、总高度75.5 m,其中饮水隧道拱底至模型底部的高度为20.0 m。约束情况:前后、左右平面受水平约束,底平面受竖向约束,上平面受施加初始引起的应力边界约束。共划分310 622个单元,计算中,抗滑桩、挡土板和隧道衬砌采用弹性实体单元模拟,地层采用弹塑性实体单元模拟。建模信息如图1所示。

2.1 物理力学指标

根据已有地质勘查报告,并参考《工程地质手册》,给出数值模拟范围内土层和支护结构参数,如表1所示。

2.2 计算过程

整个数值模拟共有3个步骤: ①施加边界约束与初始应力,计算模型的初始应力场;②施工模型范围内抗滑桩和挡土板,开挖桩前岩土体露出设计线,模拟施工开挖对饮水隧道内力和位移的影响。③铁路施工完成后,参考TB 10001-2016《铁路路基设计规范》,添加列车静荷载,模拟铁路运营对引水隧道内力与位移的变化。

3 计算结果分析

评估既有饮水隧道的安全性,关注点在于新建铁路施工和运营阶段,对其内力和位移产生的影响。为便于后续描述,将修建铁路支护和开挖过程简称为开挖阶段,添加列车荷载简称为加载阶段。将初始应力下既有饮水隧道的内力值和位移值,与开挖阶段和加载阶段的模拟结果进行对比分析,可以评估出新建铁路对既有饮水隧道产生的影响。为定量分析模拟结果,选取垂直于饮水隧道并通过抗滑桩中部的平面作为研究分析断面。

3.1 位移结果分析

3.1.1 竖向位移

图2是3个阶段下隧道衬砌的竖向位移云图。图2(a)是模拟的初始应力场,通过图2(a)可知,饮水隧道的最大竖向位移出现在拱顶中部区域,值为0.61 mm,竖向位移从拱顶中部区域逐渐向拱底中部区域减小,最小竖向位移值为0.24 mm,初始应力场下隧道整体竖向位移值不大,分析是因为饮水隧道与新建铁路之间存在约19 m厚的微风化泥质砂岩,能够较好地形成应力拱,实现应力重分布。图2(b)是模拟的开挖阶段,通过图2(b)发现,开挖阶段的竖向位移整体有向上隆起的趋势,符合应力释放现象,与两侧拱腰成-45°夹角区域的位移回弹量最大,为1.41×10-3 mm。图2(c)是模拟的加载阶段,添加铁路影响范围内的竖向面荷载67.8 kPa,产生附加位移最大值为0.04 mm,加载阶段的位移变化趋势与原始阶段基本一致。图3是3个阶段下,模型切片范围内整体竖向位移云图,从图3(a)与图3(b)可以看出引水隧道中部沿线范围内出现明显突变,表明出现应力集中现象;从图3(c)可发现,在附加应力作用下,产生的附加竖向位移呈层状分布,并在饮水隧道附近出现小范围位移突变。

3.1.2 水平位移

图4是3个阶段的隧道衬砌水平位移云图,将图2(a)与图4(a)对比分析发现,出现最大位移的区域存在显著差异,水平最大位移出现在与拱腰成-45°夹角的衬砌外侧,水平位移沿饮水隧道中线对称分布,最大水平位移为8.47×10-2 mm。从图4(b)与图(c)发现在开挖阶段与加载阶段,附加最大水平位移出现区域与竖向基本相同,均位于拱顶。

通过图2与图4中3个阶段的横向对比分析,发现开挖阶段与加载阶段对隧道衬砌水平位移和竖向位移的影响均可忽略不计,位移最大变化量小于1 mm。

3.2 内力分析

3.2.1 竖向应力

图5是3个阶段的竖向应力云图。通过图5(a)可发现,最大竖向应力位于两侧拱腰处,最大值是1.10 MPa,应力从拱腰向拱底与拱顶中部区域逐渐减小至18.10 kPa。对图5(b)分析发现,因边坡开挖导致饮水隧道应力出现了小范围的重分布,拱腰最大应力出现小范围增加,而拱顶与拱底中部区域的最小应力减小至18.00 kPa,变化幅度为0.56%;对图5(c)分析发现,在施加附加应力下,竖向应力整体出现增大趋势,与初始应力场相比,拱腰区域最大应力增加到1.12 MPa,变化幅度为1.82%,拱顶与拱底中部区域的最小应力增加到18.11 kPa,变化幅度为0.06%。从应力变化幅度可以看出,铁路施工阶段与加载阶段对饮水涵洞竖向内力的影响不大,不会造成饮水隧道应力增量过大而出现承载力不足的现象。

3.2.2 水平应力

图6是3个阶段的水平应力云图。图6(a)是初始应力下的水平应力场,最大水平应力与竖向最大应力出现区域基本一致,位于两侧拱腰处,最大水平应力为0.22 MPa,水平最大应力值约为竖向压应力最大值的1/5;图6(b)开挖阶段水平应力整体出现减小现象,最大水平应力变化幅度为0.4%。图6(c)为加载阶段,与初始最大应力相比,拱腰中部区域外侧最大水平应力基本不变。表明开挖阶段和加载阶段对隧道衬砌水平应力基本无影响。

4 监测方案

根据数值模拟结果可知,最大水平应力与最大竖向应力均位于隧道两侧拱腰中部区域,因此通过埋入测力计对饮水隧道拱腰中部进行收敛监测;位移变化最大值出现在拱顶中部,通过埋入位移计,对隧道拱顶中部的位移进行监测,以控制分析饮水隧道的沉降变化量。监测点布置如图7所示。

5 结论

(1)位移结果表明,开挖阶段和加载阶段,对既有饮水隧道衬砌位移影响较小,水平位移与竖向位移新增量值均小于1 mm。

(2)应力结果显示,新建铁路在开挖阶段和加载阶段,对既有饮水隧道衬砌竖向应力和水平的影响较小,最大水平应力约是最大竖向应力的1/5。

综上,新建铁路在非爆施工与正常运营阶段,对既有隧道内力和位移影响基本可以忽略不计,不会影响既有饮水隧道的正常使用。评估的准确性还需通过后续观测数据来验证。

参考文献

[1] 赵东平,王明年. 小净距交叉隧道爆破振动响应研究[J]. 岩土工程学报,2007,29(1): 116-119.

[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] 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]. 鐵道工程学报,2006(8):80-84.

[4] 王明年, 潘晓马,张成满,等. 邻近隧道爆破振动响应研究[J]. 岩土力学, 2004,25(3): 412-414.

[5] 王小林,李冀伟,刘砚鹏,等.新建隧道下穿施工对既有铁路的影响研究[J] .路基工程,2012(6):106-109.

[6] 郭宏博.上下交叉隧道近接施工影响分区研究[D].成都:西南交通大学土木工程学院,2008.

[7] 周斌,林承华,龚伦.高速公路隧道施工对既有铁路隧道的影响分析[J].山西建筑,2012,38(28):171-173.

[8] T.Kimura, R.T.Mair. Centrifugal Testing of Model Tunnels in Soft Clay [A].Pros.of 10th Int.Conf.Soil Mechanics & Foundation Engineering Stockholm, Balkema, 1981, 2(1): 183-186.

[9] 刘洪洲,张钧.软土隧道盾构推进中地面沉降影响因素的数值法研究[J].现代隧道技术,2001,38(6):24-28.

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