新建线路贯穿原既有线隧道安全性分析

新建线路贯穿原既有线隧道安全性分析

章广宇

章广宇(中铁二院西北勘察设计有限责任公司甘肃兰州730000)

摘要：公路、铁路作为我国的主要交通及运输方式，2000年以来发展较为迅速，在发展的同时，对原有的线路产生较大的影响，有的新建线路需要从老旧隧道上部贯穿，有的线路又会从原隧道下方穿过，对原有隧道（七、八十年代修建）会产生较大影响，为了原有隧道的安全运营，本文会以实际例子分析，简述一些以有限元分析方法及有效措施，供大家参考学习。

关键词：有限元隧道安全MIDAS-GTS既有线

1项目概况

1.1工程概况

新建新疆自治区省道S301公路位于新疆维吾尔自治区吐鲁番地区托克逊县及巴音郭楞蒙古自治州和静县境内，项目纵贯天山中部，起点位于托克逊县境内，接既有S301省道，终点在和静县乌拉斯台与G216国道相连。

夏尔沟隧道位于南疆铁路夏格泽-新源区间，起讫里程K154＋480～K156＋926，中心里程K155＋703，隧道全长2446m。隧道依次穿过石炭系花岗岩、二迭系花岗岩、泥盆系花岗岩、花岗片麻岩以及志留系变质岩。隧道出口段围岩等级为Ⅴ级，坚固系数f值介于3～5之间，属志留系强风化绿泥片岩。根据《S301线托克逊至乌拉斯台公路工程》资料，设计新线在公路里程在K136+911.5段以路基形式上跨南疆铁路夏尔沟隧道，交角85°。设计路线右边线距夏尔沟隧道出口洞门15m左右，路线设计在交叉点，道床底部标高高于夏尔沟隧道洞顶4m左右；根据《夏儿沟隧道竣工文件》，该段公路路线跨越隧道区段，属于夏尔沟隧道明洞段，根据《铁路隧道设计规范》第7.4.5条规定，明洞回填土厚度不宜小于1.5m，填土坡度宜为1:1.5～1:5，故该路线设计标高满足设计规范规定。

鉴于路线主要跨越段属于夏尔沟隧道明洞段，故本次计算评估只针对隧道明洞段结构体的破坏性计算。

2项目安全性评估的流程

3隧道有限元简介

有限元法的基本思路和基本原理以结构力学中的位移法为基础，把复杂的结构或连续体看成为有限个单元的组合，各单元彼此在节点处连续而组成整体，把连续体分成有限个单元和节点，称之为离散化，先对单元进行特性分析，然后根据各单元在节点处的平衡协调条件建立方程，综合后作整体分析。本次数值模拟分析是模拟在最不利工况下，隧道结构的受力情况和变形情况。

3.1岩石单元的本构模型（弹塑性模型）

4可行性分析

4.1可行性方案

夏尔沟隧道为单线隧道，隧道净空约7m，基床底至隧道垂直距离约3m，路线右边线至隧道口最小水平距离15m，公路与铁路交角85°由于该隧道埋深非常浅，为了不因上方正交穿过的公路上的行车荷载使隧道结构受力过大而发生破坏，从而影响火车行驶安全，同时考虑施工的方便，采用明挖法在原有衬砌外施加一圈护拱，使上部传下来的荷载全部由护拱承担，来保证隧道结构的安全。

4.2车辆荷载作用

根据《铁路隧道设计规范》（TB10003-2005）的规定：1、当设置立交明洞时应分别不同情况计算列车活载、公路活载和渡槽流水压力；2、当明洞上方与铁路立交、填土厚度小于1m时，应计算列车冲击力，洞顶无填土时，还应计算制动力的影响；3、公路汽车活载应按国家现行《公路桥涵设计通用规范》的规定计算。该线路桥涵设计荷载采用公路—Ⅰ级，所以夏尔沟隧道汽车荷载等级按照公路—Ⅰ级。则车道荷载的均布荷载标准值为qK=10.5kN/m，集中荷载标准值PK=188kN；同时由于隧道的最小埋深大于1m，列车的冲击力要比汽车的大很多，所以不考虑汽车的冲击力和制动力。在考虑车辆集中荷载标准值PK时，需将该值加在对结构最不利的位置上。将PK分别加在距离隧道拱顶水平距离为0m、2m、4m的公路路面上，根据隧道结构的受力确定最不利的位置。

4.3夏尔沟、奎先隧道铁路隧道衬砌结构检测报告

夏尔沟、奎先隧道均是上世纪80年代初期修建，经过三十年的运营，其衬砌结构是否发生改变、衬砌结构是否符合原隧道设计，结果直接影响隧道有限元模型的建立，对有限元后期分析的精度及结果起决定性作用。现对夏尔沟隧道进口100m的地质雷达无损检测。

4.3.1隧道检测方法及检测原理

采用电磁波反射法进行检测，仪器设备采用地质雷达，检测时仪器设备处于正常工作状态。

4.3.2夏尔沟检测结论

夏尔沟隧道进口：经实际检测，衬砌结构均达到设计厚度60cm，，无反射异常图像但衬砌内部疑似存在不密实、脱空现象，整体结构良好，与原设计相符。

4.4夏尔沟隧道数值模拟

数值模拟分析采用岩体力学模型，分析采用平面有限元方法，模型采用地层—结构模型。根据一般力学原理，分析范围的选取以边界效应对隧道的影响可以忽略为前提，因此，所建立隧道模型水平方向边界长均为50m，垂直方向边界长28m，从隧道拱顶到地表取埋深夏尔沟隧道为2m。模型左右为水平约束，上部为自由面施加约束，下部为垂直约束。计算中，用平面单元模拟围岩和衬砌结构。

用MIDAS-GTS软件建立二维隧道模型，考虑自重地应力作用。模型中对软岩材料采用摩尔库伦材料模型，即弹塑性材料模型，其围岩参数：弹性模量E=1GPa，密度ρ=20kN/m3，泊松比μ=0.37，内摩擦角ψ=23°，计算摩擦角ψc=42°，粘聚力C=0.2mPa。而对钢筋混凝土结构采用弹性材料模型，其具体参数：衬砌参数：密度ρ=25KN/m3、泊松比μ=0.2、弹性模量E=26GPa。

1、确定最不利荷载位置

在该隧道模型下，加集中荷载分别在距离隧道拱顶水平距离为0m、2m、4m的公路路面上，在不考虑施作套拱的情况下，分析衬砌各部位受力，如图4.3.1所示。通过表可以得知，在距离拱顶水平距离为4m的路面处为集中荷载最不利位置。

由以上云图可知，在隧道上覆土层重力作用下，拱顶竖直方向位移为4mm，水平最大位移为9mm，位移比较小可以忽略位移对结构破坏的影响。混凝土衬砌拱顶应力为-0.058MPa，边墙最大应力为-0.089MPa，均未超过C15混凝土抗压强度设计值7.2MPa。由此可见，隧道结构是安全的。

2、施加荷载（未施加护拱时支护受力状况）

在这里可以将公路下面的隧道看作是公路工程中的上承式拱桥结构，那么在考虑公路上的汽车荷载的时候，车道荷载的均布荷载标准值为qK=10.5KN/m，集中荷载标准值PK=188KN。可以在计算模型的范围内施加10.5KN/m的均布荷载，在距离拱顶水平距离为4m的路面处为加集中荷载PK=188KN。

由以上云图可知，施加荷载后对隧道衬砌未进行加固处理，拱脚混凝土应力值为-5.35Mpa，边墙混凝土应力为-5.1Mpa左右。对于运行多年的隧道，按照破坏阶段法和容许应力法进行验算时，该值已接近C15混凝土抗压强度设计值7.2MPa。再由位移云图可知隧道出现严重变形，结构受到破坏。由以上综合判断，认为隧道由于变形严重影响行车安全。

4、施加荷载（施加护拱后支护受力状况）

由以上云图可知，施加护拱后拱部和边墙部位均不产生Y方向位移。衬砌结构在拱腰受压，其值为-0.56Mpa，左右边墙墙脚最大应力为-0.67Mpa。而护拱结构在边墙中部的最小主应力值为-3.78MPa，满足设计要求。

由以上分析可见，采用护拱结构时，上部的荷载大部分由护拱结构承担，能达到预期的结果，说明采用护拱的方案能够保证衬砌结构不受破坏，从而保证行车安全，是合理可行的。

7.综述

夏尔沟隧道由于埋深非常浅，直接修建公路是不可行的。为了不因上方正交穿过的公路上的行车荷载使隧道结构受力过大而发生破坏，从而影响火车行驶安全，同时考虑施工的方便，采用明挖法在原有衬砌外施加一圈护拱，使上部传下来的荷载全部由护拱承担，来保证隧道结构的安全。具体的护拱结构参数以及施工方法需要做更进一步的研究和具体设计。

以上结论只是在理论与数值分析的基础上得到的，没有考虑施工过程中的其它影响，在施工工程中需加强对两个隧道的监控量测。同时注意设置公路在隧道洞口侧的安全防护，以防在施工过程中产生落石等现象给火车安全运行造成威胁。