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【摘要】文章以向家坝灌区北总干渠工程为依托，采用有限元方法建立3个数值计算模型，分析研究输水涵洞上跨铁路隧道施工对铁路隧道的影响，重点研究输水管水压对铁路隧道衬砌结构内力的影响。研究结果表明：水压作用下，相较于无加固措施，长桩加固能改善衬砌结构轴力的受力条件，短桩加固则对衬砌结构弯矩有较好的改善，综合考虑安全性、适用性，选取短桩加固为最优方案。
【关键词】输水隧洞; 隧道施工; 数值模拟; 上跨; 衬砌内力
【中国分类号】U449.52【文献标志码】A
隧道近接既有建筑物施工时，会对既有建筑物周围的土体产生较大的扰动，破坏土体的稳定性，使既有建筑物产生沉降，当沉降量达到一定值时，是较大的安全隐患，对人民的生命财产安全造成威胁。为使隧道近接施工时对既有建筑物造成的扰动影响尽可能减小，需要采取相应的加固措施。目前国内外学者对近接工程的加固措施已经进行了较多的研究：
张文[1]等对盾构隧道近接既有管线施工进行分析，通过多方案比较，提出在废弃管线内填混凝土，同时在管线外侧加套钢筒，并对管线周围的地层注浆加固的最优方案。邵国霞[2]等基于三角模糊数并结合TOPSIS法构建了一种新的既有高铁近接地基加固方案优选模型。路云[3]等在广州地铁西村站建设的地铁隧道接近桩基施工中提出在既有基础处加设钻孔灌注桩或挖孔桩，使新增桩基与既有桩基共同承载，减小既有桩基沉降的加固方案。翁振华[4]采用双机接力吊装的方法，完成软弱地基条件下盾构拆卸吊装施工，解决了近接深基坑进行盾构吊装的地基加固难题。夏国政[5]等对隧道注浆加固模型进行数值模拟分析，得到了行之有效的注浆范围和注浆参数。邓海峰[6]对隧道近接水库段地表施工进行分析，提出分段渐进帷幕注浆技术，对地表加固取得了明显的效果。高玄涛[7]分析研究地铁深基坑开挖全过程对临近建筑物的影响，重点研究基坑围护结构对基坑自身及邻近建筑物变形的影响，并提出了可行的内支撑方案。
从目前的研究资料来看，新建隧道近接其他建筑物的加固措施的优选方案較多。但专门研究在输水隧洞上跨既有铁路隧道施工时，可以减小输水管水压对下部隧道结构的影响的加固措施的文献很少，因此需要进一步的研究。
1 工程概况
向家坝灌区北总干渠工程与成贵铁路90 °立交，交点位于成贵铁路手爬岩隧道D2K129+500处，即北总干渠工程望江岩隧洞北总干20+182.504。成贵铁路手爬岩隧道轨面至向家坝灌区北总干渠望江岩隧洞底板高差为14.904 m，上覆隧道至下伏隧道拱顶最小距离仅5 m左右（图1）。
2 地质概况
2.1 工程地质
线路在红层中通过，以白垩系（K）、侏罗系（J）砂泥岩为主。白垩系上统高坎坝组（K2gk）、白垩系下统窝头山组（K1w）、侏罗系上统蓬莱镇组（J3p）、侏罗系上统遂宁组（J3s）为含石膏底层。构造以南北向弧形褶皱为主，主要不良地质有：有毒有害气体、顺层、危岩落石、隧道浅埋，局部地段有软土分部。
2.2 水文地质
本标段地表水以河流为主，地下水以第四系松散砂卵砾石层为主，含水量丰富，可溶岩中的岩溶水及砂泥岩中的基岩裂隙水次之，其中岩溶水较为丰富，暗河、岩溶泉十分发育。大部分地表水对混凝土无侵蚀性，部分地段地表水及含煤层、石膏、岩盐及铁矿等地层中的地下水一般具有侵蚀性。对砼具弱～强硫酸型酸性侵蚀及弱～中等溶出性侵蚀，按铁建设[2005]157号《铁路混凝土结构耐久性设计暂行规定》，其侵蚀等级为H2。
3 建立模型及工况
依据地质资料，将地层参数可分为两层，浅表地层及深表地层。支护参数分为初期支护、二次衬砌及工程加固措施。初支采用C20混凝土，二次及工程加固措施采用C40混凝土。选取的地层参数、支护结构及加固设施的工程材料如表1所示。
本项目采用FLAC3D软件进行施工过程的模拟分析，根据上述材料参数表建立模型，输水涵洞上跨铁路隧道模型基本尺寸为60 m×35 m×45 m（方向x、y、z），两隧道净距为5 m，隧道交叉角度为90 °，地层土体采用各向同性模型，屈服破坏遵循摩尔-库仑准则，初期支护采用实体单元模拟，二次衬砌采用Shell单元模拟。整体有限元模型和新建输水隧洞与既有铁路隧道的空间相对位置如图2所示。
4 数值计算结果
4.1 加固措施施工引起下伏隧道衬砌结构的内力
对下伏隧道的衬砌结构的拱顶、拱腰、拱脚处设置监测点，待上覆输水隧洞分部开挖完成后，分别计算三种工况的加固措施所引起的下伏隧道的内力，并选取最不利截面切片，根据对应的数据画弯矩图、轴力图和内力曲线图（图4、图5）。
由以上三种工况下伏隧道衬砌结构的内力图和监测点内力曲线图，可以看出不同加固措施的施作对下伏隧道衬砌结构的内力会造成不同程度的影响。长桩加固工况与无加固措施弯矩轴力分布规律类似，拱顶附近弯矩和轴力极值稍大。短桩加固工况对拱腰以上结构影响较大，会出现正负弯矩交替变化的现象，这是由于短桩施作深度只达到衬砌结构的上拱腰位置，对这部分结构会有较强的约束作用，并使隧道周围的小部分土体受挤压作用而应力重分布，使隧道的衬砌结构弯矩分布情况发生较大的改变。
4.2 水压引起下伏隧道衬砌结构的内力
对上覆隧道进行模拟灌水，水量为满灌，为简化模型运算量，将水压等效为均布荷载施加在上覆隧道的底板上，再次计算下伏隧道的内力，并选取最不利截面切片，根据对应的数据画弯矩图、轴力图、内力曲线图及水压引起的内力变化曲线图（图6～图8）。
在加入水压后，长桩加固工况与无加固措施弯矩轴力分布规律类似，弯矩分布无明显变化，极值略大于无加固措施，但减小了负轴力分布区。短桩加固工况依然对拱腰以上结构影响明显，在短桩底部高度处，正弯矩达到极值6.0 kN·m，之后开始减小，这在一定程度上体现出了圣维南原理，负轴力增加明显。
5 结论
本文采用FLAC3D三维有限元方法分析研究了上跨输水涵洞的水压对铁路隧道衬砌结构的影响，主要结论如下：
（1）加固措施的施作对下伏隧道衬砌结构拱腰以上结构内力会造成影响较大，其中短桩工况下会使弯矩出现正负交替变化。
（2）施加水压后，长桩、短桩加固内力分布规律大体相同，短桩受力条件略好于长桩。
（3）为了降低上覆水压对隧道的影响，建议采用工况III的加固方案。采用工况III的短桩加固方案比工况II的工艺简单，桩底开挖深度小，而取得的效果与工况II较为一致，为推荐方案。
参考文献
[1] 张文， 黄杰， 张君臣， 等. 盾构隧道近接既有管线的加固方案比选[J]. 路基工程， 2020（3）： 179-184.
[2] 邵国霞， 曹政国. 基于三角模糊数-TOPSIS的既有高铁近接地基加固方案优选[J]. 铁道标准设计， 2019， 63（2）： 40-44.
[3] 路云， 胡学林. 地铁车站隧道与既有近接桩基相互影响研究[J]. 工程与建设， 2010， 24（3）： 373-375.
[4] 翁振华. 近接深基坑的软弱地基加固及盾构吊装技术研究[J]. 铁道建筑技术， 2020（7）： 135-138+144.
[5] 夏国政， 高雪艳， 孙明月. 预注浆加固在地铁近接工程中的应用研究[J]. 工程技术研究， 2020， 5（10）： 83-84.
[6] 邓海峰， 康士相. 分段渐进帷幕注浆技术在大瑶山隧道近接水库段地表加固中的应用[J]. 水利科技与经济， 2014， 20（3）： 133-136.
[7] 高玄涛. 临近既有建筑物地铁基坑内支撑方案研究[J]. 现代城市轨道交通， 2019（6）： 74-80.
[8] 寇晓强， 杨京方， 叶国良， 等. 盾构近距离穿越群桩旋喷加固效果分析[J]. 铁道工程学报， 2011， 28（11）： 98-103.
【关键词】输水隧洞; 隧道施工; 数值模拟; 上跨; 衬砌内力
【中国分类号】U449.52【文献标志码】A
隧道近接既有建筑物施工时，会对既有建筑物周围的土体产生较大的扰动，破坏土体的稳定性，使既有建筑物产生沉降，当沉降量达到一定值时，是较大的安全隐患，对人民的生命财产安全造成威胁。为使隧道近接施工时对既有建筑物造成的扰动影响尽可能减小，需要采取相应的加固措施。目前国内外学者对近接工程的加固措施已经进行了较多的研究：
张文[1]等对盾构隧道近接既有管线施工进行分析，通过多方案比较，提出在废弃管线内填混凝土，同时在管线外侧加套钢筒，并对管线周围的地层注浆加固的最优方案。邵国霞[2]等基于三角模糊数并结合TOPSIS法构建了一种新的既有高铁近接地基加固方案优选模型。路云[3]等在广州地铁西村站建设的地铁隧道接近桩基施工中提出在既有基础处加设钻孔灌注桩或挖孔桩，使新增桩基与既有桩基共同承载，减小既有桩基沉降的加固方案。翁振华[4]采用双机接力吊装的方法，完成软弱地基条件下盾构拆卸吊装施工，解决了近接深基坑进行盾构吊装的地基加固难题。夏国政[5]等对隧道注浆加固模型进行数值模拟分析，得到了行之有效的注浆范围和注浆参数。邓海峰[6]对隧道近接水库段地表施工进行分析，提出分段渐进帷幕注浆技术，对地表加固取得了明显的效果。高玄涛[7]分析研究地铁深基坑开挖全过程对临近建筑物的影响，重点研究基坑围护结构对基坑自身及邻近建筑物变形的影响，并提出了可行的内支撑方案。
从目前的研究资料来看，新建隧道近接其他建筑物的加固措施的优选方案較多。但专门研究在输水隧洞上跨既有铁路隧道施工时，可以减小输水管水压对下部隧道结构的影响的加固措施的文献很少，因此需要进一步的研究。
1 工程概况
向家坝灌区北总干渠工程与成贵铁路90 °立交，交点位于成贵铁路手爬岩隧道D2K129+500处，即北总干渠工程望江岩隧洞北总干20+182.504。成贵铁路手爬岩隧道轨面至向家坝灌区北总干渠望江岩隧洞底板高差为14.904 m，上覆隧道至下伏隧道拱顶最小距离仅5 m左右（图1）。
2 地质概况
2.1 工程地质
线路在红层中通过，以白垩系（K）、侏罗系（J）砂泥岩为主。白垩系上统高坎坝组（K2gk）、白垩系下统窝头山组（K1w）、侏罗系上统蓬莱镇组（J3p）、侏罗系上统遂宁组（J3s）为含石膏底层。构造以南北向弧形褶皱为主，主要不良地质有：有毒有害气体、顺层、危岩落石、隧道浅埋，局部地段有软土分部。
2.2 水文地质
本标段地表水以河流为主，地下水以第四系松散砂卵砾石层为主，含水量丰富，可溶岩中的岩溶水及砂泥岩中的基岩裂隙水次之，其中岩溶水较为丰富，暗河、岩溶泉十分发育。大部分地表水对混凝土无侵蚀性，部分地段地表水及含煤层、石膏、岩盐及铁矿等地层中的地下水一般具有侵蚀性。对砼具弱～强硫酸型酸性侵蚀及弱～中等溶出性侵蚀，按铁建设[2005]157号《铁路混凝土结构耐久性设计暂行规定》，其侵蚀等级为H2。
3 建立模型及工况
依据地质资料，将地层参数可分为两层，浅表地层及深表地层。支护参数分为初期支护、二次衬砌及工程加固措施。初支采用C20混凝土，二次及工程加固措施采用C40混凝土。选取的地层参数、支护结构及加固设施的工程材料如表1所示。
本项目采用FLAC3D软件进行施工过程的模拟分析，根据上述材料参数表建立模型，输水涵洞上跨铁路隧道模型基本尺寸为60 m×35 m×45 m（方向x、y、z），两隧道净距为5 m，隧道交叉角度为90 °，地层土体采用各向同性模型，屈服破坏遵循摩尔-库仑准则，初期支护采用实体单元模拟，二次衬砌采用Shell单元模拟。整体有限元模型和新建输水隧洞与既有铁路隧道的空间相对位置如图2所示。
4 数值计算结果
4.1 加固措施施工引起下伏隧道衬砌结构的内力
对下伏隧道的衬砌结构的拱顶、拱腰、拱脚处设置监测点，待上覆输水隧洞分部开挖完成后，分别计算三种工况的加固措施所引起的下伏隧道的内力，并选取最不利截面切片，根据对应的数据画弯矩图、轴力图和内力曲线图（图4、图5）。
由以上三种工况下伏隧道衬砌结构的内力图和监测点内力曲线图，可以看出不同加固措施的施作对下伏隧道衬砌结构的内力会造成不同程度的影响。长桩加固工况与无加固措施弯矩轴力分布规律类似，拱顶附近弯矩和轴力极值稍大。短桩加固工况对拱腰以上结构影响较大，会出现正负弯矩交替变化的现象，这是由于短桩施作深度只达到衬砌结构的上拱腰位置，对这部分结构会有较强的约束作用，并使隧道周围的小部分土体受挤压作用而应力重分布，使隧道的衬砌结构弯矩分布情况发生较大的改变。
4.2 水压引起下伏隧道衬砌结构的内力
对上覆隧道进行模拟灌水，水量为满灌，为简化模型运算量，将水压等效为均布荷载施加在上覆隧道的底板上，再次计算下伏隧道的内力，并选取最不利截面切片，根据对应的数据画弯矩图、轴力图、内力曲线图及水压引起的内力变化曲线图（图6～图8）。
在加入水压后，长桩加固工况与无加固措施弯矩轴力分布规律类似，弯矩分布无明显变化，极值略大于无加固措施，但减小了负轴力分布区。短桩加固工况依然对拱腰以上结构影响明显，在短桩底部高度处，正弯矩达到极值6.0 kN·m，之后开始减小，这在一定程度上体现出了圣维南原理，负轴力增加明显。
5 结论
本文采用FLAC3D三维有限元方法分析研究了上跨输水涵洞的水压对铁路隧道衬砌结构的影响，主要结论如下：
（1）加固措施的施作对下伏隧道衬砌结构拱腰以上结构内力会造成影响较大，其中短桩工况下会使弯矩出现正负交替变化。
（2）施加水压后，长桩、短桩加固内力分布规律大体相同，短桩受力条件略好于长桩。
（3）为了降低上覆水压对隧道的影响，建议采用工况III的加固方案。采用工况III的短桩加固方案比工况II的工艺简单，桩底开挖深度小，而取得的效果与工况II较为一致，为推荐方案。
参考文献
[1] 张文， 黄杰， 张君臣， 等. 盾构隧道近接既有管线的加固方案比选[J]. 路基工程， 2020（3）： 179-184.
[2] 邵国霞， 曹政国. 基于三角模糊数-TOPSIS的既有高铁近接地基加固方案优选[J]. 铁道标准设计， 2019， 63（2）： 40-44.
[3] 路云， 胡学林. 地铁车站隧道与既有近接桩基相互影响研究[J]. 工程与建设， 2010， 24（3）： 373-375.
[4] 翁振华. 近接深基坑的软弱地基加固及盾构吊装技术研究[J]. 铁道建筑技术， 2020（7）： 135-138+144.
[5] 夏国政， 高雪艳， 孙明月. 预注浆加固在地铁近接工程中的应用研究[J]. 工程技术研究， 2020， 5（10）： 83-84.
[6] 邓海峰， 康士相. 分段渐进帷幕注浆技术在大瑶山隧道近接水库段地表加固中的应用[J]. 水利科技与经济， 2014， 20（3）： 133-136.
[7] 高玄涛. 临近既有建筑物地铁基坑内支撑方案研究[J]. 现代城市轨道交通， 2019（6）： 74-80.
[8] 寇晓强， 杨京方， 叶国良， 等. 盾构近距离穿越群桩旋喷加固效果分析[J]. 铁道工程学报， 2011， 28（11）： 98-103.