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路塹開挖對既有鐵路隧道影響數(shù)值分析

文檔作者：郭永發(fā) 文檔來源：中鐵二院昆明勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2025年03月04日
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郭永發(fā)：路塹開挖對既有鐵路隧道影響數(shù)值分析·117·
路塹開挖對既有鐵路隧道影響數(shù)值分析
郭永發(fā)
(中鐵二院昆明勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，昆明650200)
摘要：隨著城市的擴(kuò)大，市政道路的快速發(fā)展使新建道路越來越多的臨近或穿越既有地下建
(構(gòu))筑物。依托某市政道路與相鄰鐵路隧道工程，采用Midas GTS軟件計(jì)算分析路塹開挖過程中隧
道受力變化及變形情況。研究結(jié)果表明：地層結(jié)構(gòu)法能反映出地層巖性對偏壓隧道內(nèi)力的影響，地層
彈性模量E與隧道外側(cè)拱肩彎矩肘曲線為冪函數(shù)型。路塹邊坡坡腳與隧道中線距離d影響隧道襯砌
內(nèi)力，d—M曲線存在的拐點(diǎn)可供設(shè)計(jì)參考。
關(guān)鍵詞：鐵路隧道；地下建筑物；路塹開挖；影響；風(fēng)險(xiǎn)
中圖分類號：U451 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1003—8825(2013)03—0117—05
0引言
隨著我國市政交通的快速發(fā)展，越來越多的新
建市政道路會臨近或穿越既有鐵路隧道【1]。由于路
塹開挖造成既有隧道結(jié)構(gòu)周圍土體應(yīng)力重分布，對
既有結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生一定的影響。因此，在路塹設(shè)計(jì)方
案中須考慮如何保證施工及運(yùn)營期間既有隧道結(jié)構(gòu)
安全，從而達(dá)到路塹施工與既有鐵路隧道安全運(yùn)營
的目的。
已有的研究，多集中于單一巖性或路塹開挖后
地應(yīng)力變化對隧道的影響分析拉’3 J。當(dāng)路塹與隧道線
路基本平行且隧道沿縱坡處于不同風(fēng)化程度圍巖時(shí)，
同樣的路塹邊坡開挖對隧道影響不同，應(yīng)區(qū)別對待。
本文依托某市政道路和相鄰鐵路隧道工程，采用數(shù)
值分析方法，對路塹開挖過程處于不同圍巖級別中
隧道的影響進(jìn)行分析，并提出了相應(yīng)的設(shè)計(jì)方案，
在保證隧道安全的情況下，盡量減少工程造價(jià)。
1工程概況
該項(xiàng)目地處曲靖盆地邊緣，屬云貴高原剝蝕丘
陵地貌，高程1880—1930 m，相對高差50 in。地形
較平緩，自然坡度5。一150。新建市政道路為經(jīng)九南
路，與之相鄰的既有貴昆線六盤水至沾益段鐵路小
坡隧道進(jìn)、出口端地形平緩，隧道全長865 m，最大
埋深約40 m。
隧道左線線路中線與擬建經(jīng)九南路人行道邊距
離，最小為21．7 m，最大為33．1 m。隧道左線線路
中線距離隧道最寬處4．05 m，故凈距最小為17．6
m，最大為29．0 m。
擬建公路場區(qū)鄰近隧道縱斷面如圖1。
中心里程DK472+797．5
圖1隧道縱斷面
收稿日期：2013-03—25
作者簡介：郭永發(fā)(1979一)，男，河北承德人。工程師，博士，
主要從事地下工程及巖土工程方向研究及設(shè)計(jì)。
E-mail：524965753@qq．coin。
擬建公路場區(qū)上覆第四系全新統(tǒng)人工填筑土
(Q尹)、坡殘積(Q亨+d)粉質(zhì)粘土，第三系上新統(tǒng)
茨營組(N：c)膨脹土、松軟土、粉土、粉砂、中
萬方數(shù)據(jù)
路基工程su蛐EIIgin嘲噸2013年第3期(總第168期)
砂等，下伏泥盆系下統(tǒng)桂家屯組(D。。)泥巖夾砂
巖、灰?guī)r。
小坡隧道圍巖分級為V級，采用V級抗震設(shè)防
復(fù)合式襯砌和V級抗震設(shè)防明洞。從圖1中看出，
隧道主要位于微風(fēng)化層W：、中風(fēng)化層W。和全風(fēng)化
W。泥巖夾砂巖中。不良地質(zhì)為巖溶、順層，特殊巖
土為膨脹土，松軟土。各層圍巖物理力學(xué)性質(zhì)，見
表1。
表1各層圍巖物理力學(xué)性質(zhì)
裝撇稱囂鍪，黹搿甕黧
與擬建道路相鄰的小坡隧道埋深淺，隧道大部分
位于土層及泥巖強(qiáng)風(fēng)化帶(W3)中。其中，地表覆蓋
的第三系粘土具弱膨脹性，地質(zhì)條件差。由于<3>層
具有膨脹性，本工程擬采用的永久坡率為1：1．75。根
據(jù)斷面計(jì)算，拱肩至坡面垂直距離均小于18．5 m，
為偏壓隧道。
經(jīng)九南路路塹開挖卸載，使地應(yīng)力重新分布，
隧道附加偏壓產(chǎn)生內(nèi)力，將造成隧道襯砌開裂，影
響既有鐵路隧道結(jié)構(gòu)安全，從而危及鐵路運(yùn)營安全。
為確保路塹開挖后鐵路隧道的安全，同時(shí)為路
塹設(shè)計(jì)提供依據(jù)，既需確定合理的路塹二級邊坡坡
腳與隧道中線的距離d，又需確定隧道外側(cè)拱肩至
地表的垂直距離t。
2路塹開挖對隧道的影響分析
《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》H1規(guī)定，一般情況下，V級
圍巖根據(jù)坡面的坡度，隧道外側(cè)拱肩至地表的垂直
距離t≤27．5 in時(shí)，應(yīng)按偏壓隧道考慮。傾斜地面
的偏壓隧道較相對平緩地面的隧道，受力不均勻。
因此，在偏壓隧道附近施工路塹，將使偏壓隧道襯
砌結(jié)構(gòu)受力更為復(fù)雜。
路塹施工將對既有隧道產(chǎn)生不利影響，為減小
其影響，需對路塹可開挖的范圍進(jìn)行研究。路塹與
隧道位置關(guān)系如圖2，用以分析典型地形及不同巖
性情況下路塹開挖對既有隧道產(chǎn)生的影響。
<5>W，
圖2路塹與隧道位置關(guān)系
2．1數(shù)值模型及計(jì)算參數(shù)
數(shù)值分析中，圍巖采用平面應(yīng)變單元，材料為
摩爾一庫倫彈塑性模型。隧道采用梁單元，彈性模
型，有限元分析參數(shù)如表2，有限元模型如圖3。
表2有限元分析參數(shù)
材料p／：．毛鬻泊竺蚋／麟(。)觥c／黝kPa
圖3 有限元分析模型
模型兩側(cè)，均取隧道水平最大直徑的邊界條件：
模型左右約束水平向，底部約束豎向和水平向。首
先進(jìn)行地應(yīng)力平衡，再進(jìn)行開挖分析對隧道影響。
2．2圍巖性質(zhì)對偏壓隧道內(nèi)力的影響
為了解不同圍巖中偏壓隧道內(nèi)力分布規(guī)律，進(jìn)
行了偏壓隧道內(nèi)力隨圍巖等級變化的分析。不同圍
巖等級以彈性模量E區(qū)分，分析彈性模量變化對襯
砌內(nèi)力的影響。同時(shí)，考慮t值變化對內(nèi)力的影響。
偏壓隧道襯砌內(nèi)力主要為外側(cè)拱肩內(nèi)力變化較大，
為得到圍巖變化對隧道襯砌的影響，進(jìn)行了不同t
值時(shí)，圍巖彈性模量變化對襯砌外側(cè)拱肩彎矩的影
響分析。圖4為t=11 In(對應(yīng)d=15 m)和17 m
(對應(yīng)d=30 m)兩種工況下的E—M曲線。從圖4中
可看出，同一距離d下，E一肘曲線呈冪函數(shù)分布。
當(dāng)t=11 in時(shí)，計(jì)算得到的擬合式為M=
93．677E。n 701，經(jīng)計(jì)算擬合優(yōu)度砰=0．945。當(dāng)t=17 m
時(shí)，計(jì)算得到的擬合式為M=踞．885E’n啪，經(jīng)計(jì)算擬
合優(yōu)度砰=0．9954，擬合程度較好。
萬方數(shù)據(jù)
郭永發(fā)：路塹開挖對既有鐵路隧道影響數(shù)值分析
600
·400
Z
鼉200
0 0．5 1 0 1．5 2．0 2 5
E／CPa
圈4不同d值的E-M曲線關(guān)系(E=0．1GPa)
隨著彈幽旺的減小，M逐漸增大，當(dāng)E<Q5 好地發(fā)揮圍巖的承載作用="1是必要的。在襯砌內(nèi)力
計(jì)算過程中，應(yīng)采用地層結(jié)構(gòu)法和荷載結(jié)構(gòu)法分別
進(jìn)行計(jì)算，從定性和定量兩個(gè)方面確定襯砌受力關(guān)
鍵部位及大小崢J。
2．3計(jì)算結(jié)果分析
先分析路塹邊緣至隧道最近處的距離d對隧道
內(nèi)力影響，計(jì)算典型斷面的d與襯砌彎矩的關(guān)系。
為研究地表為偏壓時(shí)，路塹開挖前隧道內(nèi)力與
路塹開挖后隧道內(nèi)力的不同，采用圖3模型進(jìn)行分
析。開挖前襯砌內(nèi)力云圖見圖5。
_L NIT4

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