＿誓■＿■Ｉ ＿－ 幔删 嘲＿ Ｉ＿ｌ＿ 豳 岫豳 、 豳溺礤 嗣 高速公路隧道上跨铁路隧道三维数值模拟分析 ■于 坚 （福建省交通规划设计院，福州３５００００） 摘要 以福建省内某新建高速公路隧道上跨既有铁路隧道为例，采用有限元软件 ＭＩＤＡＳ／ＧＴＳ对新建公路隧道与既有铁路隧道交叉部位建立三维数值分析模型，考察洞 周竖向变形、洞周围岩拉应力以及洞周塑性主应变随施工进程的变化规律，在此基础上 提出施工建议，所得结论对确定拟建隧道路线可行性方案及其施工方案具有重要的指导 意义。 关键词 交叉隧道数值模拟位移 围岩应力 １ 引言 和ＺＫ５１＋５０１，最小净距约为１０ｍ，交叉角锐角约为４０ｏ。 近年来我省交通建设迅猛发展，高速公路、铁路网 图２给出了公路和铁路隧道开挖断面示意图。 建设日益增加。Ｌ【Ｊ区采用隧道穿越的路线不可避免存在 交叉段落洞身段围岩为微分化二长花岗岩１０—２４４， 相互立体交叉的情况，使得新建隧道近距离上跨或下穿 质地坚硬，岩体较完整，地下水多呈潮湿状出水。按现 既有隧道的现象越来越多，如漳泉铁路瑞峰隧道下穿 行《公路隧道设计规范》（ＪＴＧ Ｄ７０－２００４）围岩划分 ３２４国道公路隧道、泉厦高速公路大坪山隧道下穿福厦 标准，此段围岩级别属ＩＩ级。上覆土层自上而下分别为 高速公路大坪山隧道、龙长高速公路隘岭隧道下穿赣龙 砂土状强风化二长花岗岩１０－２４１、碎块状强风化二长花 铁路隧道等。 岗岩１０－２４２及中分化二长花岗岩１０－２４３。 交叉隧道面临的最主要问题是新建隧道对既有隧道 的影响问题以及自身近距离施工时的相互影响问题。由 于我国有关交叉隧道设计、施工的标准还没确立，且交 叉隧道开挖施工工序较多，围岩应力变化和衬砌荷载转 换十分复杂，增加了隧道施工过程中变形和稳定控制的 难度，该课题的理论研究存在较大难度。因此，如何通 过数值模拟手段来计算、分析及判断交叉范围的互相影 响程度，对确定新建隧道路线可行性方案及相关隧道施 工方案具有重要的指导意义。 本文以省内某新建高速公路隧道上跨既有铁路隧道 为例，采用大型三维有限元软件ＭＩＤＡＳ／ＧＴＳ对交叉段 落开展了数值模拟，以考察分析交叉段落在施工中的相 互影响关系以及对隧道结构安全度等的影响。 ２工程概况 拟建项目是我省海西“三纵八横三环三十三联”高 速公路骨架网中的一部分。高速公路隧道线位确定按路 线总体走向，经多方案优化比选，以进出口线位最优， 工程量较低且尽可能使隧道交叉处分开以减少相互影响 而确定（如图１所示）。新建公路隧道为分离式三车道隧 道。其上跨的铁路隧道正处于施工期，比公路隧道提前 （ａ）新建公路隧道断面 （ｂ）既有铁路隧道断面 贯通。二者交叉段落公路隧道洞轴线桩号为ＹＫ５１＋４３５ 图２隧道开挖断面示意图（单位：ｍｍ１ 福建交通科技２０１ １年第１期圈 ＿皇■Ｊ ＿ｌ ＿刚阻幔ｌ棚 阿 —Ｉ啊＿ ＼ —踊嘲 图７给出了隧道周边围岩竖向位移的最终分布云图， 以主洞拱顶竖向沉降、底部隆起变形为主。在铁路隧道 开挖完毕后，其拱顶最大竖向位移仅为０．３ｍｍ．底部隆 起变形为０．４６ｍｍ；当公路隧道左洞和右洞开挖完毕后， 其拱顶最大竖向位移仅分别为１．５６ｒｏｍａｎ１．９１ｍｍ．底部 隆起变形分别１．５７ｍｍ￣Ｈ１．６５ｒａｍ，满足相关规范的容许 变形要求。 图８给出了隧道周边围岩第三主应力Ｐ３的最终分布 云图。围岩拉应力主要分布在公路隧道底部区域，最大 拉应力约为６００ｋＰａ，小于洞周围岩的抗拉强度值。图９ 给出了交叉段落铁路隧道拱顶围岩第三主应力Ｐ３的变 化趋势。铁路隧道和公路隧道右洞开挖对Ｐ３有较大影 响，局部位置最终出现拉应力（如单元Ｂ和单元ｃ），其 值约为ｌＯＯｋＰａ。 ’ 图９铁路隧道拱顶应力随施工进程变化趋势 ４施工建议 综上所述，公路隧道开挖引起的铁路隧道拱顶变形 量极小，其不利影响主要在于交叉段落处铁路隧道的拱 此外．根据隧道周边围岩塑性主应变最终分布云 图，最大塑性主应变仅为０．００５％。说明交叉段落周边围 岩塑性屈服区可忽略不计，二者之间施工相互影ＮＩＪ＇。 ｒ—］ 顶围岩产生一定的拉应力。 （下转第４８页） 福建交通科技２０１１年第１期 通过分析上述图表我们可以发现： （１）从衬砌结构受力特点方面考虑，有无仰拱时主 要对隧道拱脚处有显著影响。而对拱顶、拱腰和边墙处 影响不大。 （１）有仰拱时隧道衬砌结构所受的轴力比较均匀， 拱脚处有所增加，但是增加幅度不大；无仰拱时隧道的 拱顶、拱腰和边墙处轴力的大小与有仰拱时差别不大。 而拱脚处的轴力较有仰拱时有显著的增加。应力集中现 象明显。 （２）从衬砌位移角度考虑，拱顶的水平位移不受仰 拱的影响，拱腰、边墙和拱脚无仰拱是水平位移明显增 加，而隧道各点的竖直位移无仰拱时都明显大于有仰拱 时。同时无仰拱时底鼓现象明显。 （２）隧道拱顶、拱腰和边墙处衬砌结构所受弯矩基 本不受有无仰拱的影响，而拱脚处弯矩有显著的影响。 无仰拱时拱脚处弯矩明显增加。 （３）有无仰拱时隧道拱顶、拱腰和边墙处安全系数 基本相同，有仰拱时拱脚处安全系数有所减小，但此时 仍满足《公路隧道设计规范》的要求，而无仰拱时拱脚 （３）Ｖ级围岩条件下，无仰拱时隧道的屈服区域、 衬砌结构的受力都明显大于有仰拱的情况，在隧道围岩 条件欠佳的情况下有必要施加临时仰拱，以改善衬砌整 体的受力性能。 参考 献 处的安全系数减小显著，此时已不再满足《公路隧道设 计规范》的要求。 ［１］王明年。翁汉民，李志业．隧道仰拱的力学行为研究［Ｊ］．岩 土工程学报。１９９６，１８（１）：４７－５３． ［２］王明年，关宝树．仰拱时维护虽大整体稳定的力学行为的研究 （４）拱顶的水平位移基本不受有无仰拱的影响，而 拱腰、边墙和拱脚处的水平位移无仰拱时明显大于有仰 拱时。而拱顶、拱腰、边墙和拱脚处的竖直位移无仰拱 时都有明显的增大。 Ｕ】．隧道建设，１９９３（４）：１１—１８． （３］陈贵红．仰拱型式时于隧道结构的影响［Ｊ］．公路。２００４ （１１）：１４５－１４８． ４结论 从以上对有仰拱和无仰拱两种情况的分析中，我们 可以得出以下结论： ［４］关宝树．隧道工程设计要点集［Ｍ］．筘京：人民交通出版社． ２００３． （上接第４２页） （２）围岩拉应力主要分布在公路隧道底部区域．，最大 拉应力约为６００ｋＰａ。小于洞周围岩的抗拉强度值。交叉段 落铁路隧道拱顶围岩局部位置拉应力值约为１００ ｋＰａ。 （３）交叉段落周边围岩塑性屈服区可忽略不计。 （４）施工中建议在铁路隧道完成二衬或在加强铁路 隧道超前支护和初期支护的情况下实施交叉处的公路隧 道施工。同时加强铁路隧道监控量测。 参考文献 对此公路隧道施工设计时，建议合理安排施工顺 序，最好在铁路隧道完成二衬或在加强铁路隧道超前支 护和初期支护的情况下实施交叉处的公路隧道施工。 对于新建公路隧道，只要严格按照设计施工开挖方 法进行施工，施工开挖爆破采用微震控制爆破技术。以 尽量减小爆破震动对铁路隧道的影响，同时加强铁路隧 道监控量测，及时分析隧道周边围岩变形及支护内力等 量测结果，交叉段落施工中，在确保结构安全可靠前提 下，公路、铁路隧道施工能安全顺利通过。 ５结论 ［１］李继君，蒋再吏．大坪隧道与高九路隧道立交段三雏有限元 分析Ｕ］．地下空间与工程学报，２００８，４（５）：８８７—８９１． ［２］中华人民共和固行业标准．公路隧道设计规范（ＪＴＧ Ｄ７０— ２００４）［Ｓ］．人民交通出版社，２００４． ［３］张胜。沈洪波，王飞．近接施工时上下行交叉隧道影响的敷 本文针对新建公路隧道与既有铁路隧道交叉部位建 立了三维数值分析模型，考察洞周竖向变形、洞周围岩 拉应力以及洞周塑性主应变随施工进程的变化规律。得 出以下结论： 值模拟研宛Ｕ］．公路隧道，２００７，（３）：１５—２０． ［４］中华人民共和回行业标准．公路隧道设计细则（ｒｒＧ ＴＤ７０— ２０１０）［Ｓ】．人民交通出版社，２０１０． ［５］关宝树．隧道工程施工要点集［Ｍ］．人民交通出版社，２００３． （１）公路隧道开挖导致其正下方的铁路隧道拱顶的 最大隆起量约为０．９ｍｍ。公路隧道左右洞的拱顶最大位 移分别为１．５６ｍｍ和１．９１ｍｍ，底部隆起变形分别１．５７ ｌ＇ｎｒｎ和１．６５ｒａｍ，满足相关规范的容许变形要求。 福建交通科技２０１１年第１期圈
