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・隧道/地下工程・新建铁路隧道上跨既有铁路隧道安全评估丁祥(中铁第五勘察设计院集团有限公司北京102600)摘要结合内蒙古准格尔旗境内唐家会煤矿铁路专用线以隧道型式上跨呼准二线东孔兑隧道的工程实例,采用经验法和有限元数值模拟法,分析了新建隧道在施工和运营期间对既有隧道结构的安全性的影响。结果表明:新建隧道对既有隧道影响在安全范围之内,既有铁路隧道衬砌结构能满足安全需要,可为类似工程的修建提供了可靠的参考依据。关键词既有铁路隧道上跨影响分析有限元法安全评估中图分类号U458文献标识码A———文章编号10094539(2016)01004106SafetyAssessmentofNewly-builtRailwayTunnelOverpassingtheExistingRailwayTunnelDingXiang(ChinaRailwayFifthSurveyandDesignInstituteGroupCo.Ltd.,Beijing102600,China)AbstractCombinedwiththeengineeringexampleofTangjiahuiMineRailwaySpecialLineintheformoftunneloverpass・ingDongkongduiTunnelofHohhot-JungarSecond・lineinJungarBannerofInnerMongolia,thispaperanalyzestheinflu。enceofthenewly-builttunnelwhichisunderconstructionandoperationonthesafetyoftheexistingtunnelstructuresbyU-singempiricalmethodandfiniteelementmethod.Theresultsshowthattheeffectofthenewly-builttunnelontheexistingtunnelisinasaferange,whichcallmeetthesafetyrequirementfortheliningstructureoftheexistingrailwaytunnelandprovideareliablereferencefortheconstructionofsimilarprojects.Keywordstheexistingrailwaytunnel;overpass;influenceanalysis;finiteelementmethod;safetyassessment1引言随着国民经济持续发展,国家对基础设施建设力度日渐加强,交通及水利工程得到空前发展,使得新建隧道靠近既有建筑物、小净距平行隧道、上下交叉隧道等形式的地下近接工程越来越多¨j。新建铁路隧道近距离上跨既有铁路隧道时,新建隧道施工过程会引起邻近围岩或土体的应力重分布,进而引起地层变形,对既有隧道结构的产生附加内—收稿日期:201511一15基金项目:中铁第五勘察设计院集团有限公司科技研发项目(Y2012019)力,当既有隧道结构变形超过设计承受极限时,就会造成既有隧道结构破坏,危及行车安全口・。因而,在施工和运营期间,正确评估新建隧道对既有隧道的安全性影响,掌握既有隧道的变形规律和受力特点,针对性提出合理化的设计及施工建议,才能保证既有线的安全运营。本文通过对唐家会煤矿铁路专用线通亥沟隧道上跨呼准二线东孔兑隧道的分析:确定铁路隧道受上跨隧道近接施工影响的范围;施工和运营期间隧道结构安全系数及位移、轨道的差异沉降等;对受影响范围内新建隧道的开挖施工、衬砌结构及监控量测等提出针对性要求,保证工程合理安全实施。铁道建箍技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2016fD7J4l万方数据・隧道/地下工程・2工程概况拟建唐家会煤矿铁路专用线位于内蒙古自治区鄂尔多斯市准格尔旗境内,其中通亥沟隧道上跨’”呼准二线东孔兑隧道,交角8204719,净距约26.65“”m,竖向位置关系见图1。采用隧限-2A。交叉处隧道地层为上部黄土,下伏基岩为白垩系下统砾岩夹泥岩、泥岩。图1交叉处竖向位置关系示意(单位:m】“”既有隧道采用隧限_2A,有砟轨道结构。交Ⅳ叉段采用级围岩衬砌(拱部钢架),二衬模筑C30拱墙30em,仰拱40em。3控制技术指标3.1铁路轨道控制标准根据呼准二线的设计标准,线路轨道以不超过120km/h正线标准掌握,采用经常保养管理值作为既有铁路轨道控制标准:轨距一4一+7mm,水平、高低及轨向(直线)均6mm【31等。3.2隧道衬砌结构受力控制标准根据《铁路隧道设计规范》(TB—100032005)中11.1.1条的规定,隧道衬砌按破损阶段验算构件截面强度,受压控制时的安全系数为2.4,受拉控制时的安全系数为3.6【4j。3.3爆破控制标准根据《爆破安全规程》(GB—67222011)规定,地下浅孔爆破时交通隧道爆破振动安全允许振速—为1520em/s。关宝树编著的《隧道工程施工要点集》中爆破振动速度的容许值可根据既有衬砌的”劣化等级来定1。42铁道建笳技术考虑到隧道交叉段现状及处于运营中的隧道拱部锚固有电气化设施,并结合本工程的现场地质条件,交叉段爆破振动安全允许振速为4em/s。3.4控制标准的分级控制既有线轨道变形控制指标主要包括线路的沉降与隆起、差异沉降等。在考虑典型施工工序的基础上,为进一步保障施工安全,需对控制指标进行分级控制。根据既往工程经验:一般情况下预警值为控制值的70%,报警值为控制值的80%。4经验法对既有隧道影响分析4.1近接施工的影响范围的划分新建隧道在既有隧道上方交叉时,既有隧道会向上拉伸变形。在非常接近时,会损伤既有隧道的拱作用,而使既有隧道的衬砌荷载增大。此外,也可能受到新建隧道内活荷载的影响。在隧道交叉∞情况时,近接度的划分见图2J。无影响范围图2近接度的划分(隧道交叉)4.2经验法对既有隧道安全分析结果(1)隧道受影响段落分析根据隧道交叉近接度可知新建隧道DK07+568.3一DK07+598.3段30m(见图3)位于注意范围内。唐图3新建隧道影响段落RAt州AYcoNsTRUcTloNTEcHNoLoGY2016(01l万方数据・隧道/地下工程・交叉地段为V级围岩,据《隧规》中规定两相邻—单线隧道的最小净距应大于35B(B为隧道开挖断面宽度),如图4所示,可得出既有隧道DyKl07+75.8一DyKl07+131.8段56nl位于3B一5B问,需要注意。周专爿U馨肆≮懋熬£湾’’’’’\......::蠢赫滋隧道洞身]’\..函娶之老22墨占尘5(-m凸图4既有隧道受影响段落(2)爆破影响范围分析根据《铁路隧道监控量测技术规程》,由公式可得出控制爆破的最大容许装药量Qo7|。Ⅳ“Q=(尺(鼍))3=(26.65×’(轰)V19)3=20kg根据预警值V=2.8cm/s(控制值的70%)及最大容许装药量,可得出需控制爆破的安全距离为45.8m,即距离交叉点水平距离约为40m。如图5所示,新建隧道DK07+543.3一DK07+623.3段区间施工时,需对既有铁路隧道进行爆破振动监测。唐家会<j1雩:.斟=2藕疆回副要li旦凸西b采粤亥沟隧道洞身f甚峥∞Nr弋一既有东孔兑隧道,{J用莫尔一库伦弹塑性屈服准则,实体单元模拟,初“”支和二衬采用壳单元模拟,锚杆采用嵌入式桁架单元模拟¨J,隧道超前支护简化为加固圈,计算时提高加固圈参数方法模拟。左右两侧各取35in,模型横向70m;纵向从新建隧道里程DK07+448到DK07+518,共70m;由于下穿处新建隧道上方覆土约50m,属于深埋隧道,为简化模型,模型上限取新建隧道里洞顶上30m进行计算,能满足塌落拱深度要求,下限取既有隧道下方25m。模型底部固定约束,两侧施加竖直滑动约束,表面取为自由边界旧J,模型见图6。图6三维数值模型5.2计算物理力学参数根据所提供的资料以及相应技术规范,确定在有限元分析中所采用的物理力学参数(见表1)。表1主要物理力学参数地层弹性模容重/黏聚力/内摩擦角/本构岩性量/MPa泊松比(kN・Ill一3)kPa(。)模型黏质5O.35191420M.C黄土砾岩夹50O.42202035M.C泥岩泥岩1000.38202045—MC衬砌310000.223弹性锚杆295000.223弹性唐家会5・3计算荷载及施工步骤线路所计算荷载主要考虑地层的自重应力和混凝土[今衬砌的重力。万方数据・隧道/地下工程・在新建隧道的作用下,既有隧道衬砌竖向变形云图如图7所示。图7既有隧道衬砌竖向变形云图(单位:m)分析可知,上部隧道的开挖使得底板以下部分的岩体发生了较为轻微的上抬现象。随着远离新建隧道的底板,上抬的位移量逐渐减小,到既有隧道处,上抬量已经较小,拱顶最大上抬位移值约为1.86mm,仰拱最大上抬位移值降为1.39mm。“”既有隧道纵向变形呈现倒U型,最大上抬位移发生在新建隧道与既有隧道相交断面处,往两侧则逐渐减小,端部有轻微的沉降值,沉降值与上抬值的最大差值约为2.85mm。既有隧道两根钢轨的竖向差异沉降最大值约为o.05mm。(2)应力分析新建隧道开挖后,隧道相交断面(即Y=35m断面)的最大和最小主应力云图分别如图8、9所示。心_艇丽-藏+3.327撼1le+003453892卜十=一洲图9隧道开挖后最小主应力云图(单位:kN/m2)分析可知,既有隧道周边出现一定程度的应力集中现象,但集中现象不明显。新建隧道开挖后,既有隧道洞周应力增加约30kPa,幅度较小。…(3)二衬结构安全系数检算J新建隧道开挖后,取最不利位置,即既有隧道与新建隧道交叉处,既有隧道衬砌结构各特征点处受力及安全系数如表2所示。表2施工后交叉处衬砌结构受力左侧右侧左侧右侧左侧右侧位置拱顶仰拱拱腰拱腰拱脚拱脚墙脚墙脚弯矩/16.556.295.169.756.836.586.027.95(kN・nn轴力/151.2893.06110.5635.8l44.06123.0210.79245.88kN安全24.9694.2486.9218.3936.8676.1847.7740.66系数破坏抗拉抗压抗压抗拉抗拉抗压抗压抗压类型结果显示交叉处的既有结构衬砌截面强度安全系数均满足要求,基本未改变既有结构的承载能力。5.4.2新建隧道运营对既有隧道影响(1)位移分析图8隧道开挖后最大主应力根据相关资料,新建通亥沟隧道运营后的车云1t1(单位:kN/m2)动力荷载取为92kPa,施加于新建隧道底板处,为铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2016《01)O0000O00OO000OO0O000OOOOO00000O000eeeeeeeeeeCeeeeee●O852999●●02334554556772738383838347272●7{0099887724433252963963O745O7●48O2;iO2457万方数据・隧道/地下工程・均布荷载。分析可知,在运营荷载作用下,既有隧“”道附加变形呈现U型,出现轻微的沉降,最大值为0.97mm,发生在新建隧道与既有隧道相交断面处。计算结果还显示,两根钢轨的竖向位移变形量基本一致,差异最大值约为0.02mm,处于合理的范围内,不会对既有隧道的正常安全运营产生影响。(2)二衬结构安全系数检算新建隧道运营中,取最不利断面。结果显示交叉处的既有结构衬砌截面强度安全系数均满足要求。5.4.3爆破分析(1)爆破分析有限元模型采用三维有限元模型,在爆破荷载的作用下进行瞬态动力分析,以确定新建隧道爆破作用对既有隧道的影响。一综舍_+Max:390%+OOOat0.040+Max:-3.075e+00(at0.020根据国内大量的实践经验,本模型将爆破荷载简化为P具有线性上升段和下降段的三角波形荷载如图10所示,假定作用在隧道开挖边界面上¨2|。P一爆破荷载的应力峰值,采用如下经验公式求解:t1t2图10数值计算爆破荷载波形…P:罂兰+墨业+型一0.8034一一ZZ2。Z3‘’式中,z为比例距离,Z=等;尺为爆心至荷载作用Q了面的距离(rn);Q为炸药量(kg),齐发爆破时取总装药量,分段起爆时取最大段装药量,取20kg。(2)爆破计算结果分析根据爆破时程分析结果,隧道衬砌交叉处各特征部位的质点振速时程曲线如图11。1・2434】I:…一综合~——ooo。。躲+o二__州智爱嚣000。z。,。lp?………ax砒:-毛篙+000—2.4868I+_……+Unit:kN,cm一,794气I…’O砸1000.20800.4060O.6040O.80201.0000时间,Sb.拱脚质点蠹2.99剐48『¨7.‰-蒜。喜篇1.07嚣30驴I?j『『『I__?一1。1一一—黜::耻二二二w蔫ooo黜。。特一・M蒜鼢蜷-1,08,川■≮”亳5m47。e删一。㈣一1…≤waj亳篙枷。’鼍2.25锰16赫0.2。08j00j.40760—…Ⅷ0.6041-1.00:0。嘶。呲㈨二i碱一一j确赢0.80.4060.60400.802000058i0o.4060‘S020jli0000嘁一斛cm。25锰甜oolo‘一2:5㈣1o.604j71时间/3C.墙脚质点图11各部分仰拱质点振速时程曲线分析可知,垂直振速峰值位于拱顶区域,由拱顶往下逐渐衰减,且均未超过4cm/s的容许值。最大3.91cm/s;按照既有隧道纵向振速达到容许值的70%为标准,可以得到既有隧道受影响的段落范时间/sd.仰拱质.占围为DK07+555一DK07+610,共约55m。(3)既有隧道应力分析根据爆破时程分析结果,在爆破冲击荷载作用下,既有隧道的峰值拉应力虽然超过峰值压应力,但铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2016(Ol1668O8吣%%∞%973O33,-lO,,0、赢瞧|;埔愕质一_呈陋奶蒜船礤万方数据・隧道/地下工程・拉伸应力未超过混凝土的抗拉强度R,=2.2MPa,因此既有隧道不会产生拉伸破坏,其横向和轴向不会产生拉伸裂纹。6结论及建议6.1结论根据工程经验分析,并结合数值模拟计算结果分析,得出以下结论:(1)新建通亥沟隧道上跨施工不会造成既有隧道的衬砌发生超过要求的变形,既有铁路隧道衬砌结构能满足安全需要。(2)在爆破冲击荷载作用下,在交叉处施工时对既有隧道的影响最大,爆破对既有隧道的影响主要集中于拱顶部位,最大振速为3.91em/s,满足要求。(3)新建通亥沟隧道上跨呼准二线东孔兑隧道设计方案是合理可行的。6.2建议(1)新建通亥沟隧道纵断面可进一步优化,使隧道洞身位于老黄土地层中,有利于采用非爆破开挖,减小对既有隧道的衬砌的扰动。(2)新建通亥沟隧道DK07+543.3~DK07+623.3交叉段80m衬砌应进行加强,宜采用非爆破开挖减小施工对既有隧道影响。(3)在上跨施工过程中对既有隧道DyKl07+75.8一DyKl07+131.8段56m加强监控量测,及时利用监控量测结果指导设计和施工。参考文献[1]仇文革.地下工程近接施工力学原理与对策研究[D].—成都:西南变通大学,2003:12.[2]于清浩.新建隧道施工对既有隧道的影响分析[J].铁—道建筑技术,2011(10):4448.[3]中华人民共和国铁道部.铁运[2006]146号文铁路线路修理规则[s].北京:中国铁道出版社,2010:91.[4]中华人民共和国铁道部.TB—100032005铁路隧道设计规范[S].3版.北京:中国铁道出版社,2005:68.[5]中华人民共和国铁道部.铁运[2010]38号文铁路桥隧建筑物修理规则[S].北京:中国铁道出版社,—2010:152155.[6]关宝树.隧道工程施工要点集[M].北京:人民交通出—版社,2003:320329.[7]中国铁路总公司铁.Q/CR—92182015铁路隧道监控量—测技术规程[s].北京:中国铁道出版社,2015:2021.[8]谢勇涛,于清浩,丁祥.新建隧道施工对既有隧道的影响—分析及处理措施[J].铁道标准设计,2011(5):8790.[9]于清浩.黄金隧道塌方冒顶结构计算及特殊设计[J].—铁道建筑技术,2012(S2):122125.[10]刘洋,丁祥.既有铁路隧道受公路桥梁近接施工影响—分析[J].中国科技信息,2014(13):7578.[11]李璐.路基开挖及运营阶段对下部既有隧道的影响分—析[J].铁道建筑技术,2012(S2):134136.[12]丁祥.高速公路上跨既有铁路隧道爆破施工振动影响—分析[J].铁道建筑技术,2012(S2):148151.(上接第24页)[3]中交第一航务工程勘察设计院有限公司.yrs—1441—2010港口工程荷载规范[S].北京:人民交通出版—社,2010:2634.[4]中交第一航务工程勘察设计院有限公司.JTS—1452—2013海港水文规范[s].北京:人民交通出版社,—2013:5053.[5]吴凯军,蔡田.装配式钢吊箱在高桩承台施工中的应—用[J].城市道桥与防洪,2013(7):195199.[6]王雪元,任冰.装配式混凝土底板钢吊箱围堰在跨海大桥水上承台施工中的应用[J].北方交通.2013(6):—7982.铁道建筑技术————————————■———--+一一卜一卜一卜--卜一-卜--卜一+_--+一一・卜一・_卜-一一-卜一-卜-・卜・[7]郭瑞,林吉明.厦漳跨海大桥北汉南引桥单壁钢吊箱设计与施工[J].世界桥梁,2013,41(5):10一13.[8]苗博宇.恶劣海况下大型钢吊箱围堰施工关键技术—[J].铁道建筑技术,2014(6):1821.[9]郑瑞杰,彭鹏,郭劲.整体装配式围堰在外海深水环境—中的应用[J].施工技术,2013(21):7377.[10]董启军.深水双壁钢吊箱围堰设计与施工[J].铁道建—筑技术,201l(3):8285.[11]余本俊,刘防震,张宗辉.苏通大桥辅桥辅墩吊箱设计—与施工[J].铁道建筑技术,2005(s1):2831.[12]罗晓军.钢吊箱围堰在桥梁深水基础施工中的应用—[J].科技资讯,2013(8):6768.RAII.¨饵YCONS丁尺UC丁f0~丁J虽^H 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