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填土對既有淺埋隧道的安全影響及容許填土厚度確定

文檔作者：盧裕杰文檔來源：中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2022年11月19日
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第36卷第9期
2 0 1 4年9月
鐵 道 學(xué) 報(bào)
JOURNAL OF THE CHINA RAILWAY SOCIETY
Vo1．36 No．9
September 2014
文章編號(hào)：1001—8361(2014)09—0079—06
填土對既有淺埋隧道的安全影響及容許填土厚度確定
盧 裕 杰
(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京102600)
摘要：既有淺埋隧道上方填土可能導(dǎo)致其襯砌變形、安全系數(shù)降低，甚至發(fā)生破壞，危及行車安全。以長槍嶺
隧道上方某擬建公園填土工程為例，選取若干典型斷面，對既有淺埋隧道受不同厚度的填土影響進(jìn)行數(shù)值分析，
并確定容許填土厚度。結(jié)果表明：既有隧道上方填土將導(dǎo)致襯砌整體下沉，左右兩側(cè)沉降基本對稱，位移值自上
而下逐漸減?。惶钔梁蟮陌踩禂?shù)降低，但幅度不大，拱腳及仰拱處安全系數(shù)偏小，可能出現(xiàn)開裂；既有隧道拱頂
位移值隨著填土厚度的增加而近似線性增大，為滿足位移控制要求，容許填土厚度應(yīng)為0．3H～0．4H(H 為原覆
土厚度)。根據(jù)若干斷面的分析結(jié)果可得整個(gè)填土區(qū)域的容許填土線，在此范圍內(nèi)進(jìn)行填土施工，并采取相應(yīng)的
工程措施，既有隧道的運(yùn)營安全可得到保證。本分析方法簡單易行，滿足工程精度，可用于指導(dǎo)工程實(shí)踐，對類似
工程有一定的借鑒意義。
關(guān)鍵詞：既有隧道；淺埋隧道；填土；數(shù)值模擬；容許厚度
中圖分類號(hào)：U452．1 2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi：10．3969／j．issn．1。01-8361．2014．09．012
Influence of Filling on Existing Shallow’·buried Tunnel and
Determination of Allowable Filling Thickness
LU Yu—jie
(China Railway Fifth Survey and Design Institute Group Co．，Ltd．，Beijing 102600，China)
Abstract：Soil filling above an existing shallow—buried tunnel probably leads to deformation of tunnel lining and
reduction of the safety factor and even leads to destroying of tunnel lining and detriment to traffic safety．The
filling proj ect of a planned park to be executed above the Changqiangling Tunnel of the Yangpingguan—Ankang
Railway was taken as an example．Selecting some typical sections，the influence of different filling thicknesses
on the existing shallow—buried tunnel was analyzed numerically and the allowable filling thickness was deter—
mined．The research results indicate as follows：Filling above the existing shallow—buried tunne1 causes mono—
lithic lining settlement and basically symmetrical lining settlement on both left and right sides and produces
gradually reduced displacements from vault to invert of the tunnel；the post—filling safety factors of the mono—
lithic lining are decreased but by a not—large magnitude，however，the safety factors of the abutment and vauet
become SO lOW as to cause cracks possibly to occur：the displacement at the vault increases almost linearly with
increasing of the filling thickness，SO the allowable filling thickness should be sets as 0．3H ～ 0．4H (H represen—
ting the covering depth of the existing tunne1)to control displacements；by analyzing a number of sections，the
curve of allowable filling is obtained for the fill zone，then filling within the range of this curve and adoption of
corresponding engineering measures can insure the operation safety of the existing tunne1．The proposed meth—
od is simple，easy to execute and accurate in meeting engineering requirements，SO it can be used to guide engi—
neering practice and provide reference to similar engineering proj ects．
Key words：existing tunnel；shallow—buried tunnel；filling soil；numerical simulation；allowable thickness
收稿日期：2013—09—12：修回日期：2013—10—22
作者簡介：盧裕杰(1985一)，男，廣東化州人，工程師，碩士。
E-mail：yjlu．thu@gmail．eonl
隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展，土地資源愈加珍稀，原
本屬于保護(hù)區(qū)域的鐵路隧道上方也逐漸開發(fā)，從而出
現(xiàn)填挖土等對既有隧道加卸載的力學(xué)行為。作為近接
80 鐵 道 學(xué) 報(bào) 第36卷
施工的一種類型，隧道上方填土將使作用在襯砌上的
垂直荷載增加[i-2]。對于淺埋隧道，由于上部荷載不
能被有效分散，填土更容易導(dǎo)致襯砌變形，內(nèi)力增加，
安全系數(shù)變小，甚至造成襯砌破壞，危及行車安全。
隨著相關(guān)工程的日益增多，填土對包括隧道在內(nèi)
的地下構(gòu)筑物的影響已引起了人們的關(guān)注。在大面積
堆載作用下，金宗川等口 通過現(xiàn)場試驗(yàn)對軟土地基的
變形特性進(jìn)行了分析；吳健等l4 基于荷載傳遞一雜交
有限元聯(lián)合法研究了某水泥廠地下構(gòu)筑物的受力和變
形性狀；蔡忠祥等¨5 基于Winkler地基模型，討論了
管線的變形和內(nèi)力。在隧道方面，吳慶[6 采用室內(nèi)模
型試驗(yàn)和數(shù)值分析方法，對不同埋深的盾構(gòu)隧道在地
面堆載作用下的變形規(guī)律進(jìn)行詳細(xì)的研究，張宇旭等
]采用數(shù)值分析與解析計(jì)算相結(jié)合的方法分析了假山
施工與隧道施工的施工順序以及施工時(shí)間間隔對盾構(gòu)
隧道沉降的影響。
鐵路隧道一旦發(fā)生破壞，將造成嚴(yán)重的后果，其上
方的填土施工應(yīng)經(jīng)過深入的研究和論證。本文以陽安
鐵路長槍嶺隧道上方某擬建公園填土工程為例，對既
有隧道受不同厚度的填土影響進(jìn)行分析，并在滿足襯
砌變形和內(nèi)力要求的基礎(chǔ)上，得到容許填土厚度，以確
保既有隧道的運(yùn)營安全。
1 工程概況
既有陽安鐵路長槍嶺隧道進(jìn)出口運(yùn)營里程為
K350+909．5～K352-I-739，全長1 829．5 m，為單線
電氣化隧道。洞內(nèi)采用次重型軌道，碎石道床，鋪設(shè)鋼
筋混凝土軌枕。行車速度120 km／h。
某擬建公園位于長槍嶺隧道之上，用地規(guī)劃區(qū)呈
帶狀分布，原地面東部為“凹”型地勢，西側(cè)高，最低點(diǎn)
位于用地東北側(cè)，最高點(diǎn)位于用地西南部，地貌單元整
體屬漢江左岸三級階地。
該公園填土工程位于長槍嶺隧道淺埋段K352+
39O～K352+590上方，隧道原埋深約14～26 m。該
段隧道襯砌按專隧-0001施作，采用140號(hào)混凝土模
筑而成，其橫斷面輪廓見圖1。
根據(jù)地質(zhì)勘探成果，該段原地層主要由第四系上
更新統(tǒng)沖洪積(Q。al+p1)粉質(zhì)黏土及沖積(Q。 )卵石構(gòu)
成，其地質(zhì)剖面見圖2。粉質(zhì)黏土呈褐黃色一褐紅色，
含少量鈣質(zhì)結(jié)核及碎石類土，土質(zhì)不均，無濕陷性，具
膨脹性，處于堅(jiān)硬一可塑狀態(tài)，以硬塑狀態(tài)為主。卵石
主要由變質(zhì)巖碎塊組成，亞圓形圓形，一般粒徑20
～ 60 mm，最大粒徑為200 mm，混合約35 的黏性
土，充填約15％的砂類土，處于中密一很密狀態(tài)，以密
實(shí)狀態(tài)為主。
＼
擘 葷
70f 線 線 I70
內(nèi)軌頂面／
157 l 183 183 ，157
681
圖1 長槍嶺隧道橫斷面圖(單位：era)
圖2 填土段地質(zhì)剖面圖
2 填土對既有隧道的影響分析
2．1 計(jì)算模型與力學(xué)參數(shù)
為分析填土對既有淺埋隧道的影響，根據(jù)現(xiàn)場地
形，選取4個(gè)典型斷面，即陽安鐵路K352+415、K352
+470、K352+525及K352+575斷面，見圖2。利用
巖石隧道結(jié)構(gòu)專用有限元分析軟件Geotechnical&amp;amp;
Tunnel Analysis System(GTS)進(jìn)行二維數(shù)值模擬。
由于填土區(qū)域沿長槍嶺隧道方向長200 m，采用二維
分析可以最大限度地簡化數(shù)值模型和計(jì)算量，有利于
工程推廣，且通過合理的工程措施，如分段填土等，可
最大限度地減小由于二維簡化所導(dǎo)致的誤差，滿足工
程要求。
為滿足邊界效應(yīng)要求，并充分考慮填土對既有隧
道的影響范圍，各二維模型的計(jì)算區(qū)域均自隧道外輪
廓往左右兩側(cè)各取50 m，隧道底面以下取30 m。
在數(shù)值模型中，巖體及隧道網(wǎng)格采用4節(jié)點(diǎn)的四
邊形單元，隧道襯砌采用2節(jié)點(diǎn)的梁單元。網(wǎng)格在長
槍嶺隧道周圍分布較密，往外則逐漸加大。以K352+
575斷面為例，其數(shù)值模型見圖3。
圍巖材料采用Drucker—Prager屈服準(zhǔn)則，該準(zhǔn)則
能夠較好地描述其破壞行為，在巖土工程領(lǐng)域得到了
廣泛的應(yīng)用[8-9]；對混凝土襯砌采用線彈性本構(gòu)模型。
根據(jù)地勘結(jié)果，圍巖及混凝土的力學(xué)參數(shù)見表1。
豇 ●●● ●●●●土
一 _【∞ ．

鐵 道 學(xué) 報(bào) 第36卷
表3 不同填土厚度時(shí)K352+575斷面特征點(diǎn)位移mm
2．3 內(nèi)力分析
填土6 m 時(shí)，K352+575斷面的彎矩及軸力分布
見圖5。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，彎矩主要分布在墻角和仰拱
處，最大值為625 kN ·m，比填土前增加147 kN ·1TI，
約31 ；軸力最大值出現(xiàn)在墻角處，為1 986 kN，增加
了492 kN，約33％ 。
(a)彎矩圖(單位：kN·m) (b)軸力圖(單位：kN)
圖5 填土厚度為6 m時(shí)K352+575斷面的彎矩圖和軸力圖
目前，鐵路隧道多采取容許應(yīng)力法設(shè)計(jì)，以安全系
數(shù)作為截面強(qiáng)度檢算的主要依據(jù) ¨]?？箟簭?qiáng)度控制
時(shí)，混凝土強(qiáng)度安全系數(shù)取2．4，抗拉強(qiáng)度控制時(shí)取
3．6。填土厚度為6 m時(shí)K352+575斷面各特征點(diǎn)安
全系數(shù)計(jì)算見表4。
表4 填土厚度為6 m時(shí)K352+575斷面隧道特征點(diǎn)安全系數(shù)
從表4可以看出，各特征點(diǎn)的安全系數(shù)在填土后
均有所降低。其中，拱頂、左右拱腳為抗壓強(qiáng)度控制，
安全系數(shù)較大，且填土前后均能滿足要求；左右墻角、
仰拱為抗拉強(qiáng)度控制，安全系數(shù)在填土前后均不能滿
足要求，可能出現(xiàn)開裂。長槍嶺隧道于1972年投入運(yùn)
營，建設(shè)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)相對較低，且經(jīng)過多年的運(yùn)營未出現(xiàn)問
題，因此，雖然其安全系數(shù)偏低，但降低幅度不大，在填
土施工過程中需要加強(qiáng)監(jiān)測，以確保運(yùn)營安全。
3 容許填土厚度的確定
對某一斷面，根據(jù)位移容許值確定容許填土厚度，
并評判在此填土厚度下安全系數(shù)能否滿足要求。取若
干典型斷面進(jìn)行同樣的分析，便可得到填土區(qū)域的容
許填土曲線。K352+415、K352+470、K352+525及
K352+575等4個(gè)典型斷面在不同填土厚度時(shí)的拱頂
位移計(jì)算結(jié)果見表5。
表5 不同填土厚度時(shí)各斷面拱頂計(jì)算位移值mm
根據(jù)表5，繪制填土區(qū)域拱頂位移與填土厚度的
關(guān)系曲線，見圖6?？梢钥闯觯S著填土厚度的增加，
拱頂位移值也增加，基本上呈現(xiàn)線性關(guān)系。根據(jù)最大
位移不超過5 mm 的控制標(biāo)準(zhǔn)，可得到各典型斷面的
容許填土厚度，見表6。
12
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鑒
瞽4
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3 5
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填土厚度，m
圖6 不同填土厚度的拱頂位移值
表6 各斷面的容許填土厚度
第9期 盧裕杰：填土對既有淺埋隧道的安全影響及容許填土厚度確定 83
經(jīng)驗(yàn)證，在表6的容許填土厚度時(shí)，各斷面拱頂、
左右拱腳填土后的安全系數(shù)均能滿足不小于2．4的要
求；左右墻角、仰拱雖然填土前后均不能滿足要求，但
填土后安全系數(shù)的降低幅度均比較小。
綜上可得填土區(qū)域的容許填土厚度線，見圖7。
各斷面容許填土厚度均在0．3H～0．4H 之間。
4 工程措施
鐵路里程，m
圖7 容許填土線
結(jié)合有限元分析的假設(shè)條件、計(jì)算結(jié)果及相關(guān)工
程經(jīng)驗(yàn)，為保證既有隧道的安全，本工程實(shí)際填土厚度
嚴(yán)格控制在容許填土線內(nèi)，且輔以適當(dāng)?shù)墓こ檀胧?
(1)在施工組織中采用分段分層填挖土的形式，
避免大面積一次填土過厚而對鐵路隧道產(chǎn)生過大影
響；
(2)填土施工以小型機(jī)具為主，不采用大型重型
施工機(jī)具；
(3)完善和加強(qiáng)隧道上方公園的綜合排水設(shè)計(jì)，
防止施工過程及建成后在既有隧道上方出現(xiàn)地表積水
和地表水下滲，對既有鐵路造成危害；
(4)鑒于監(jiān)控量測在近接施工中的重要性E12-13]，
在填土施工過程中，對長槍嶺隧道K352+390～K352
+590段進(jìn)行隧道內(nèi)凈空位移、拱圈沉降監(jiān)測及襯砌
開裂監(jiān)測。通過與安全控制基準(zhǔn)進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)超限
情況及時(shí)預(yù)警。
按容許填土厚度施工后，各斷面拱頂、左右拱腳、
左右墻角和仰拱的位移測量值均在容許值以內(nèi)，且與
計(jì)算值差異不大，見表7。說明了本分析方法的適用
性，能夠滿足工程精度。
表7 各斷面實(shí)測位移值 mm
工程措施能對回填土的厚度產(chǎn)生有利影響，但不
能從有限元分析中直接體現(xiàn)出來。從工程角度看，可
以作為一種安全儲(chǔ)備，其效果可以通過現(xiàn)場的監(jiān)控量
測成果來反映。
5 結(jié)論
(1)上部填土將導(dǎo)致既有隧道襯砌整體下沉，最
大值發(fā)生在拱頂，往下則逐漸減小；左右兩側(cè)位移基本
對稱，差異沉降小。隨著填土厚度的增加，位移值相應(yīng)
增加，表現(xiàn)出線性關(guān)系。
(2)填土后，既有隧道各特征點(diǎn)的安全系數(shù)均有
所降低，但降低幅度不大。墻角、仰拱處為抗拉強(qiáng)度控
制，且填土前后安全系數(shù)均偏低，可能會(huì)出現(xiàn)開裂。
(3)當(dāng)填土厚度不超過0．3H～0．4H 時(shí)，除墻
角、仰拱安全系數(shù)偏小外，既有隧道的位移及內(nèi)力均滿
足控制要求。在此范圍內(nèi)進(jìn)行填土施工，配合相應(yīng)的
工程措施，既有隧道的運(yùn)營安全能得到保證。
(4)在填土區(qū)域內(nèi)依據(jù)地形選擇典型斷面進(jìn)行
二維分析，據(jù)此得到容許填土曲線。雖然本分析得到
的影響規(guī)律僅對類似的工程具有借鑒意義，但本方法
具有普遍性，可最大限度地降低模型的復(fù)雜度，減少計(jì)
算量，適應(yīng)性強(qiáng)，易于工程推廣。經(jīng)驗(yàn)證，本方法能夠
滿足工程精度，有可能得到進(jìn)一步的應(yīng)用。
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