铁路隧道上下交叉跨越施工技术的有限元数值模拟分析

摘要：在当今的铁路隧道工程中，上下交叉跨越施工是常见的一种施工现象，其涉及的施工技术也是隧道工程领域研究的热点、重点和难点。文章以工程实例为分析对象，采用有限元数值计算的方法，基于有限元软件MIDAS-GTS，对上下交叉跨越施工技术推进方案的可行性进行分析，并对该施工技术的缺陷予以总结。

关键词：铁路隧道；交叉跨越；MIDAS-GTS；有限元数值计算

中图分类号：U451 文献标识码：A文章编号：1009-2374（2011）36-0104-02

针对铁路隧道上下交叉跨越施工技术可行性的研究，本文以丹大铁路草莓沟2号隧道下穿沈丹客运专线锦江山隧道工程为例，主要对上方隧道较下方隧道先行方案进行数值模拟分析，通过分析计算结果对该方案的可行性和风险进行阐述。

一、交叉跨越施工技术方案概况

（一）隧道概况

锦江山隧道穿越辽东低山区，全长4605m，为单洞双线隧道，隧道最大埋深128m，洞身最小埋深18m。工程地质特征为：混合岩，弱风化，岩体较破碎，呈碎石状结构；围岩分级为Ⅲ级。设计采用Ⅲ型复合式衬砌，台阶法施工。

草莓沟2号隧道全长4262m；为单洞双线隧道，隧道洞身最大埋深125m，最小埋深21m。工程地质特征为：混合岩，弱风化，节理发育，岩体呈块状，围岩分级为Ⅱ级。设计采用Ⅲ级钢筋混凝土衬砌，台阶法施工。

锦江山隧道上跨草莓沟2号隧道处影响段长80m，与草莓沟2隧道结构间净覆土约16.5m。轨面高差26.97m，平面交角约81°。

（二）交叉跨越施工方案

1．锦江山隧道交叉段方案。

（1）加强初期支护，全环架立格栅钢架，加大预留变形量，支护参数见下表：

（2）交叉影响段为防止结构变形，引起衬砌开裂，所以此段落先不施做二次衬砌，待草莓沟2号隧道施工通过后，再施工二衬。

2．草莓沟2号隧道交叉段方案。加强初期支护，全环架立格栅钢架，间距1.5m，拱部采用双层超前小导管注浆预加固，小导管参数：直径φ50，壁厚4mm，L-3.5m，1.5m/环，三台阶临时仰拱法施工，衬砌支护参数见下表：

表 2草莓沟2号隧道衬砌支护参数表

二、技术方案数值模拟分析

（一）模型及计算结果分析

1．结构计算模型

约束条件：顶面为自由面，其它各面约束法向方向位移。

2．施工过程分析步骤及结果。

第1步：初始地应力平衡阶段土体位移及应力

云图。

（二）计算结果及建议

1．受有限元软件MIDAS-GTS三维建模局限，围岩模型无法考虑岩石裂隙、破碎、风化等因素影响，计算结果为理想围岩状态下的参考数值。

2．初始应力平衡阶段，岩土体最大位移为0.79mm，地面位移约为0.21mm，误差满足工程分析要求。

3．草莓沟2号隧道开挖至锦江山隧道正下方时，既有锦江山隧道结构的最大位移量为3.69mm；此时既有锦江山隧道衬砌结构的最大主应力达到1.54MPa。草莓沟2号隧道开挖完毕，既有锦江山隧道结构的最大位移量为3.41mm；此时既有锦江山隧道衬砌结构的最大主应力达到1.55MPa。

由以上分析可见，草莓沟2号隧道开挖对沈丹客专锦江山隧道的位移及应力影响均在可控范围内。

（三）施工风险控制措施

1．锦江山隧道施工下穿段时，应严格控制光面爆破参数，尽量减小对围岩的扰动，控制围岩变形。

2．草莓沟2号隧道施工下穿段时，严格控制开挖进尺，并且必须加强对锦江山隧道的沉降变形监测，严格控制其变形。同时洞内加强监测，确保安全。

3．草莓沟2号隧道施工下穿段时，必须采用控制爆破，爆破对锦江山隧道结构的最大振动速度不大于10cm/s，严禁放大炮，以减小对锦江山隧道的影响。

三、结论

综上分析，基于沈丹客运专线锦江山隧道上跨丹大铁路草莓沟2号隧道交叉跨越施工技术方案的数值模拟分析证实：先行施工方案可行，但是该方案在工程措施及费用方面投入较大，并且很大程度上增加了三座隧道的施工风险。

（责任编辑：赵秀娟）

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