成渝客運(yùn)專線新中梁山隧道上跨既有線處理方案

肖凱剛

(武漢鐵四院工程咨詢有限公司，武漢 430063)

1 隧道概況

新建新中梁山隧道為成渝客運(yùn)專線引入重慶樞紐控制性重點(diǎn)工程，隧道除成渝客運(yùn)專線重慶西聯(lián)絡(luò)線、重慶北聯(lián)絡(luò)線影響段采用大跨襯砌外，其余段落為單線雙洞R=470 cm圓形襯砌，線間距19.5～65.5 m，隧道左線全長(zhǎng)4 124 m，右線全長(zhǎng)4 119 m。

既有襄渝線中梁山隧道位于襄渝線西段西永至四所之間，是橫貫中梁山脈的越嶺隧道，為襄渝線終點(diǎn)引入重慶樞紐的重點(diǎn)工程。既有中梁山隧道限界采用“隧限-2甲”，根據(jù)2011年9月隧道凈空測(cè)量，隧道凈寬大于4.95 m，局部地段二襯侵限，拱頂距軌面高度6.66 m。

新中梁山左線隧道于D3K291+100～+140處上跨既有襄渝鐵路中梁山隧道，兩線相交角度約34°，軌面相差12.95 m;新中梁山右線隧道于YDK291+200～+240處上跨既有襄渝鐵路隧道，兩線相交角度約34°，軌面相差14.06 m。新中梁山隧道在交叉跨越段線間距為61.3～63.8 m。成渝客運(yùn)專線新中梁山隧道上跨既有襄渝線中梁山隧道位置關(guān)系［1］詳見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 交叉跨越段隧道平面示意

2 隧道地質(zhì)概況

新中梁山左線隧道與襄渝線立交段隧道主要穿越三疊系下統(tǒng)嘉陵江組二段，地層巖性為白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r夾石膏，巖溶角礫巖，地下水發(fā)育。新中梁山右線隧道與襄渝線立交段隧道主要穿越三疊系下統(tǒng)嘉陵江組一段，地層巖性為灰?guī)r夾白云質(zhì)灰?guī)r，巖溶弱發(fā)育。圍巖級(jí)別劃分見(jiàn)表 1［2］。

圖2 交叉跨越段隧道剖面示意(單位:cm)

表1 交叉段圍巖級(jí)別劃分

3 既有線隧道結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀

既有中梁山隧道采用先拱后墻法施工，拱部采用C15混凝土，邊墻采用M10漿砌片石，道床為整體式混凝土道床。

2011年9月對(duì)襄渝線中梁山隧道K821+490～+727段進(jìn)行病害調(diào)查和二次襯砌的物探檢測(cè)。隧道內(nèi)有滲漏水現(xiàn)象，拱頂局部出現(xiàn)裂縫，隧道二次襯砌與圍巖之間出現(xiàn)大量空洞，空洞范圍在35～60 cm。

4 新中梁山隧道交叉段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(圖3)

新中梁山隧道采用圓形隧道斷面，拱墻初期支護(hù)參數(shù)為:C25網(wǎng)噴混凝土，厚27 cm;I20b型鋼鋼架0.6 m/榀;拱部設(shè)置φ22 mm組合中空錨桿，邊墻為φ22 mm砂漿錨桿，間距1.2 m×1 m(環(huán)向×縱向);預(yù)留變形量15～20 cm。二次襯砌采用45 cm厚C35鋼筋混凝土。

圖3 新中梁山隧道襯砌斷面(單位:cm)

5 交叉段處理方案

5.1 既有中梁山隧道加固方案(圖4)

為保證既有線運(yùn)營(yíng)安全和新中梁山隧道施工及后期運(yùn)營(yíng)安全，利用既有線“天窗”時(shí)間，對(duì)既有襄渝線中梁山隧道K821+530～+580段、K821+643～+693段進(jìn)行臨時(shí)加固，加固方案［3］如下。

(1)隧道加固前，拆除隧道內(nèi)電力、通信信號(hào)電纜槽，對(duì)電力、通信信號(hào)電纜進(jìn)行改移保護(hù)。

(2)根據(jù)物探測(cè)繪成果，對(duì)既有隧道二襯與圍巖空隙采取低壓注漿。

(3)為防止新建隧道施工造成既有隧道拱頂?shù)魤K等不安全因素，既有隧道拱頂預(yù)鋪設(shè)3 mm厚鋼板，二襯采用I20b鋼架進(jìn)行臨時(shí)加固，鋼架間距0.4 m/榀，鋼架縱向采用φ25 mm鋼筋縱向連接，鋼筋環(huán)向間距0.6 m。既有隧道侵限段落，鋼架嵌入二次襯砌一定深度，并設(shè)鋼筋網(wǎng)與錨桿，補(bǔ)噴混凝土至二襯內(nèi)輪廓面。

(4)為保證鋼架與二次襯砌共同受力，鋼架應(yīng)與二襯緊貼密實(shí)。鋼架施作后，采用低壓注射水泥漿回填鋼架背后與二襯空隙。

(5)隧道加固完成后，應(yīng)對(duì)隧道凈空進(jìn)行測(cè)量并上報(bào)鐵路運(yùn)輸部門，以便確定列車超限等級(jí)和限速范圍等，并做好備案。

圖4 既有中梁山隧道襯砌加固設(shè)計(jì)(單位:cm)

5.2 新中梁山隧道交叉段施工設(shè)計(jì)

既有隧道臨時(shí)加固完成后，開(kāi)挖新中梁山隧道左右線交叉影響段。新中梁山隧道左線D3K291+100～+140、右線YDK291+200～+240段采用機(jī)械開(kāi)挖施工，減少對(duì)既有隧道擾動(dòng)。為保證交叉段巖層厚度，新中梁山隧道開(kāi)挖軌面以上部分，軌面以下部分開(kāi)挖、初期支護(hù)及隧道二次襯砌待既有襄渝中梁山隧道二次襯砌置換后施作。

6 既有中梁山隧道加固計(jì)算

6.1 結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

本次計(jì)算采用 MIDAS GTS ver2.5.0 Trial［4］軟件建立地層-結(jié)構(gòu)模型，巖層采用摩爾-庫(kù)倫屈服準(zhǔn)則，考慮新中梁山隧道臺(tái)階法開(kāi)挖步驟影響，新中梁山隧道左右線線間距60 m，相互影響可以忽略，本次計(jì)算模擬左線新建隧道與既有隧道交叉影響。地層-結(jié)構(gòu)模型如圖5所示。

圖5 地層-結(jié)構(gòu)模型

計(jì)算中圍巖壓力為釋放荷載，新建隧道初期支護(hù)和既有隧道二次襯砌設(shè)置不同的釋放荷載分擔(dān)比。荷載為圍巖釋放壓力、地層自重及施工荷載。圍巖采用實(shí)體單元，初支與二襯采用板單元，錨桿采用植入式桁架單元，該模型共7 844個(gè)節(jié)點(diǎn)，21 654個(gè)單元。根據(jù)既有中梁山隧道現(xiàn)狀，本次計(jì)算未考慮既有隧道初期支護(hù)作用。網(wǎng)格劃分詳見(jiàn)圖6。

圖6 中梁山隧道交叉段網(wǎng)格劃分

新建隧道初期支護(hù)與既有隧道二襯加固的I20b鋼架采用剛度等效法予以考慮，其計(jì)算方法為:E=E0+Sg·Eg/S［5］c，式中，E為為折算后混凝土彈性模量;E0為原混凝土彈性模量;Sg為鋼拱架截面積;Eg為鋼材彈性模量;Sc為混凝土截面積。

6.2 施工過(guò)程

仿真分析中，對(duì)隧道開(kāi)挖及初期支護(hù)和二次襯砌的施工，通過(guò)MIDAS GTS的單元激活和鈍化功能實(shí)現(xiàn)。既有中梁山隧道開(kāi)挖成洞，施作二襯，然后施作鋼架加固，荷載釋放過(guò)程參照《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》［6］地層-結(jié)構(gòu)法的相關(guān)規(guī)定，巖體開(kāi)挖完成應(yīng)力釋放40%，其后兩步驟各釋放30%。

新中梁山隧道左線施工，按臺(tái)階法施工，計(jì)算開(kāi)挖進(jìn)尺5 m，每開(kāi)挖一步，進(jìn)行上一步的初期支護(hù)，初期支護(hù)考慮噴射混凝土軟硬化。巖體開(kāi)挖應(yīng)力釋放40%，其后初期支護(hù)軟化與硬化階段各承擔(dān)30%釋放荷載。

6.3 計(jì)算結(jié)果

計(jì)算過(guò)程中分別得到了新建隧道開(kāi)挖過(guò)程中既有中梁山隧道各處的豎向位移，既有隧道二襯的應(yīng)力和內(nèi)力，并根據(jù)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)算安全度。

6.3.1 既有隧道的位移變化(圖7)

圖7 既有隧道位移變化

根據(jù)開(kāi)挖過(guò)程模擬，既有中梁山隧道交叉處豎向位移隨著上跨隧道的開(kāi)挖減荷，豎向位移(DZ)由負(fù)值逐漸變?yōu)檎担C明隧道開(kāi)挖減荷后，交叉處既有隧道發(fā)生上浮［7］。隨著上跨隧道掌子面遠(yuǎn)離交叉段，既有襯砌變形趨于穩(wěn)定，交叉部位結(jié)構(gòu)局部發(fā)生變形回彈。

6.3.2 既有隧道二襯的應(yīng)力變化

圖8～圖11中P1為板單元第一主應(yīng)力，P2為板單元第二主應(yīng)力，“-top”為初期支護(hù)外緣，“-bot”為初期支護(hù)內(nèi)緣。

圖8 新中梁山隧道未開(kāi)挖前與開(kāi)挖后既有中梁山隧道二襯應(yīng)力P1-top(單位:kPa)

圖9 新中梁山隧道未開(kāi)挖前與開(kāi)挖后既有中梁山隧道二襯應(yīng)力P2-top(單位:kPa)

根據(jù)上述應(yīng)力圖示，總結(jié)出如下應(yīng)力對(duì)比表格(表2)。

圖10 新中梁山隧道未開(kāi)挖前與開(kāi)挖后既有中梁山隧道二襯應(yīng)力P1-bot(單位:kPa)

圖11 新中梁山隧道未開(kāi)挖前既有中梁山隧道二襯應(yīng)力P2-bot(單位:kPa)

表2 既有隧道應(yīng)力變化 MPa

由表2看出，新建成渝客運(yùn)專線中梁山隧道開(kāi)挖過(guò)程，既有中梁山隧道初期支護(hù)最小主應(yīng)力減少0.05 MPa，最大主應(yīng)力增加0.02 MPa，影響相對(duì)較小。新中梁山隧道完成后既有隧道初期支護(hù)應(yīng)力最小值為-0.16 MPa(受壓)，最大值為-0.55 MPa(受壓)，均滿足規(guī)范［8］要求。

6.3.3 既有中梁山隧道加固鋼架內(nèi)力分析

根據(jù)有限元模擬的施工開(kāi)挖階段應(yīng)力分析，既有隧道二襯加固方案滿足規(guī)范要求。現(xiàn)選取交叉處典型斷面進(jìn)行既有隧道鋼架強(qiáng)度驗(yàn)算，典型斷面鋼架內(nèi)力結(jié)果如圖12、圖13所示。

圖12 既有中梁山隧道典型斷面鋼架軸力(單位:kN)

根據(jù)鋼架內(nèi)力計(jì)算結(jié)果進(jìn)行強(qiáng)度檢算，結(jié)果如表3所示。

圖13 既有中梁山隧道典型斷面鋼架彎矩(單位:kN·m)

表3 既有隧道鋼架強(qiáng)度檢算

鋼架強(qiáng)度檢算表明，新中梁山隧道開(kāi)挖完成后，既有隧道鋼架強(qiáng)度滿足規(guī)范［9］要求。

7 交叉跨越段總結(jié)

通過(guò)有限元分析模擬新中梁山隧道開(kāi)挖過(guò)程對(duì)既有中梁山隧道二襯結(jié)構(gòu)力學(xué)性能影響和既有隧道的典型斷面結(jié)構(gòu)力學(xué)分析，既有隧道混凝土應(yīng)力與鋼架強(qiáng)度滿足規(guī)范要求，既有隧道加固方案是可行的。

既有隧道加固方案中鋼架的穩(wěn)定性問(wèn)題較為復(fù)雜，本次沒(méi)有深入研究。對(duì)于拱形鋼結(jié)構(gòu)的縱向穩(wěn)定性受到縱向聯(lián)系鋼筋、鎖腳錨桿、鋼架楔塊等［10］因素的影響未能有效解決。新中梁山左線隧道已安全通過(guò)交叉跨越段，新中梁山右線隧道正在施工，證明既有隧道臨時(shí)加固方案可行。可以確保既有線運(yùn)營(yíng)安全及新線隧道施工安全。

目前我國(guó)交通工程建設(shè)處于飛速發(fā)展時(shí)期，城市交通樞紐地下空間資源日趨緊張，工程結(jié)構(gòu)立體交叉頻繁，對(duì)工程相互安全評(píng)價(jià)。通過(guò)成渝客運(yùn)專線新中梁山隧道與既有襄渝線中梁山隧道交叉跨越段方案設(shè)計(jì)，為地下工程交叉隧道設(shè)計(jì)與施工積累了一定的經(jīng)驗(yàn)。

［1］中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司.D3K292+358新中梁山左右線隧上跨既有襄渝線中梁山隧道臨時(shí)加固施工圖［R］.成都:中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，2011.

［2］中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司.成渝客運(yùn)專線新中梁山左右線隧道上跨中梁山隧道既有隧道加固計(jì)算書(shū)［R］.成都:中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，2011.

［3］鐵道部第二勘測(cè)設(shè)計(jì)院.鐵路工程設(shè)計(jì)技術(shù)手冊(cè)隧道［M］.北京:中國(guó)鐵道出版社，1995:533-537.

［4］北京邁達(dá)斯技術(shù)有限公司.MIDAS/GTS TRIAL(ver.2.5.0)［Z］.北京:北京邁達(dá)斯技術(shù)有限公司，2010.

［5］吳波，劉維寧，高波，索曉明，史玉新.地鐵分岔隧道施工性態(tài)的三維數(shù)值模擬與分析［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004，23(18):3084.

［6］中華人民共和國(guó)交通部.JTG D70—2004 公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:人民交通出版社，2004:185.

［7］關(guān)寶樹(shù).地下工程［M］.北京:高等教育出版社，2007:244-245.

［8］中華人民共和國(guó)鐵道部.TB10003—2005 鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2005.

［9］中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)計(jì)劃出版社，2007.

［10］武漢鐵四院工程咨詢有限公司.《新中梁山左右線上的上跨中梁山隧道既有隧道加固計(jì)算書(shū)》審核意見(jiàn)及結(jié)構(gòu)復(fù)核計(jì)算［R］.武漢:武漢鐵四院工程咨詢有限公司，2011.