新建上跨高铁隧道对既有隧道及泄水洞稳定性影响研究

2023-11-17张攀

交通科技与管理 2023年21期

张攀

（中铁十一局集团第五工程有限公司,重庆 400037）

0 引言

高铁建设不可避免地穿越既有隧道和建筑物等，现有新建隧道穿越既有隧道的影响分析方法主要采用有限元模拟分析进行[1-5]。该文以盘兴高铁茶厅右线二号隧道上跨既有茶厅隧道为研究对象，将地质条件调查、既有隧道检测和有限元计算相融合，构建了新建高铁隧道上跨既有隧道影响分析方法，探讨了既有隧道及其泄水洞变形和应力情况，为施工控制提供了客观依据，对于降低隧道施工对周边建筑的影响，保障施工进度和安全具有重要意义。

1 工程概况

盘兴高铁茶厅右线二号隧道全长1 010 m，为单线隧道，隧道最大埋深约40 m。该隧道上跨盘县至富源北区间的茶厅隧道及其泄水洞，结构最小净距11.8 m。既有茶厅隧道为双线隧道，左右线间距为5.0 m，全长1 475 m。该工程隧道围岩分级为Ⅳ和Ⅴ，且未处于断层发育区和岩溶影响区域。

对既有茶厅隧道衬砌进行现场检测，该隧道衬砌及基底厚度、钢筋和钢桁架分布，以及衬砌混凝土强度均满足原设计要求。

2 新建隧道施工对既有隧道的稳定性影响分析

2.1 新建隧道施工方法

新建隧道的施工工序如下：①在上一循环的超前支护下，机械开挖上部并初期支护；②开挖及支护中部左侧；③开挖及支护中部右侧；④开挖及支护下部左侧；⑤开挖及支护下部右侧；⑥开挖及支护底部；⑦灌筑仰拱与边墙基础，铺设透水盲沟，一次性灌筑衬砌。

2.2 有限元模型建立

考虑平面应变假设的二维数值模拟分析的局限性，该文采用三维数值模型进行模拟。综合考虑实际工程的复杂性、周边环境敏感性、计算精度和速度等因素，选择模型XYZ 向尺寸为150 m×120 m×100 m。模型侧面采用滑动支座边界，底面采用固定支座边界，上表面为自由边界。地应力场按自重应力场考虑，建立的有限元几何模型如图1 所示。

图1 数值几何模型示意图

因该处地层主要为弱膨胀岩、泥岩、白云岩，以Ⅴ级围岩区间段居多，故该文采用Ⅴ级单一地层围岩。围岩容重为20 kN/m3，弹性模量为0.9 GPa，泊松比为0.49，内摩擦角为20 °，粘聚力为200 kPa。新建隧道、既有茶厅隧道正洞和既有泄水洞支护结构的混凝土材料容重为25 kN/m3，弹性模量取30 GPa，泊松比为0.2；锚杆和钢材的容重均取78.5 kN/m3，弹性模量取205 GPa，泊松比取0.25。

岩土体的本构模型采用摩尔—库伦弹塑性屈服准则，可模拟初次加载—卸载—再加载之间的刚度差别。采用“激活—钝化”的方式模拟隧道开挖全过程。

2.3 新建隧道对既有茶厅隧道正洞稳定性影响分析

采用FLAC3D 分析既有茶厅隧道正洞的竖向变形、水平变形和应力结果。

图2（a）为新建隧道开挖140 m 时既有茶厅隧道正洞的竖向变形图。竖向变形最大值为2.196 8 mm，位于新建隧道下方处，小于控制标准4.0 mm，结构安全；其次，既有隧道在交叉点前后50 m 的范围受到拟建隧道开挖影响，故施工中应重点关注该区域的衬砌变形。

图2 开挖140 m 时既有茶厅隧道正洞变形图

图2（b）为开挖140 m 时既有茶厅隧道正洞的水平变形图。最大值为0.795 5 mm，发生在拱脚处，小于控制标准4.0 mm，结构安全。

图3所示为新建隧道开挖140 m 时既有茶厅隧道正洞的支护结构应力图。既有茶厅隧道正洞初支的最大主应力值为0.004 MPa，最小主应力值为-14.179 MPa；二衬的最大主应力值为0.685 1 MPa，最小主应力值为-16.419 MPa。初支和二衬的最大主应力小于控制值1.68 MPa，最小主应力大于控制值-18.20 MPa，均满足安全强度。同时，初支最大主应力主要在左右墙脚，最小主应力主要在拱脚和墙脚连接部分和拱底；二衬最大主应力主要在左右墙脚，最小主应力主要在拱脚和墙脚连接部分和拱底。

图3 开挖140 m 既有茶厅隧道正洞应力图

2.4 新建隧道对既有泄水洞稳定性影响分析

采用FLAC3D 分析既有泄水洞的竖向变形、水平变形和应力结果。

图4（a）为新建隧道开挖140 m 时既有泄水洞的竖向变形图。最大变形为2.447 9 mm，位于新建隧道下方处，小于控制标准5.0 mm，结构安全；其次，既有隧道在交叉点前后50 m 的范围受到拟建隧道开挖影响，故施工中应重点关注该区域的变形。图4（b）为新建隧道开挖140 m 时既有泄水洞的水平变形图。最大值为0.833 2 mm，发生在拱脚处，小于控制标准5.0 mm，结构安全。

图4 开挖140 m 时既有茶厅隧道泄水洞变形图

图5为新建隧道开挖140 m 时既有泄水洞的支护结构应力图。既有茶厅隧道泄水洞初支的最大主应力值为1.158 MPa，最小主应力值为-6.473 MPa；二衬的最大主应力值为0.910 MPa，最小主应力值为-10.37 MPa。初支和二衬的最大主应力小于控制值1.54 MPa，最小主应力大于控制值-15.75 MPa，均满足安全强度。同时，初支最大主应力主要在左右墙脚，最小主应力主要在拱腰处；二衬最大主应力主要在左右墙脚，最小主应力也主要在左右墙脚。