安紫高速跨越既有高鐵隧道跨線方案比選

楊　洪

(貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司　貴陽　550081)

安紫高速跨越既有高鐵隧道跨線方案比選

楊洪

(貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司貴陽550081)

摘要擬建安紫高速橫跨既有山嵐橋高鐵隧道，不同的跨線方案對下方既有隧道結構產生不同影響。基于Midas/GTS有限元軟件進行建模計算，分析了4種跨線橋方案運營荷載對高鐵隧道結構的影響。結果表明，運營期荷載作用下對隧道周圍地層應力的影響和隧道應力影響由大到小依次為擴大基礎40 m中跨方案、路基方案、37 m樁基礎40 m單跨方案、37 m樁基礎40 m中跨方案。結合前期施工揭露的地質情況、對隧道的影響、施工方案和工期要求的分析，提出了不同的方案選擇建議。

關鍵詞跨線方案既有高鐵隧道有限元計算

隨著我國交通設施建設規模的不斷擴大，出現了許多橋隧相交的情況。對于新建橋梁跨越既有隧道的情況，橋梁的荷載(包括施工期荷載和運營期荷載等)不同對既有隧道的影響也不同。

Benton等[1]從最小凈距樁和群樁2個方面分別就樁施工和加載對隧道變形的影響進行了分析研究。F. C. Schroeder等[2]針對樁與隧道不同的相對位置關系，研究了群樁的加載階段對隧道變形產生的影響。閆靜雅等[3]采用有限元方法模擬分析了樁基礎荷載對鄰近已有隧道的影響，考慮了鉆孔灌注樁施工過程的影響。練健飛[4]模擬了樁基礎施工過程對隧道的影響。樓曉明等[5]采用群樁基礎共同作用的分析方法，對某高層建筑鉆孔灌注樁基礎跨越地鐵隧道線可能帶來的影響進行了計算分析。路平等[6]研究了立交橋樁基礎施工及運營期對既有隧道的影響，分析了單個承臺樁基礎及考慮多個承臺樁基礎疊加效應對鄰近既有隧道的影響規律。從以上調研可知，在進行跨線橋的設計和施工時，需考慮其對既有隧道的影響。

本文依托擬建高速公路跨越既有高速鐵路隧道工程實例，采用Midas/GTS有限元程序分別分析了不同跨線方案運營期荷載對既有高鐵隧道的影響，并結合工程施工可行性和工期節點的要求，給出不同的推薦方案。

1工程概況

1.1　工程簡介

擬建的貴州省赤水至望謨高速公路安順至紫云段是《貴州省高速公路網規劃》的“五縱”的中段，起于安順市東面的貓貓洞，與已建的普定至安順高速公路安順北環線徑向相接，止于紫云縣城東北的沙子哨，全長55.813 km，采用雙向4車道高速公路山區標準建設。

安紫高速在安順市西秀區七眼橋鎮石龍灣村與滬昆鐵路客運專線貴陽至昆明段山嵐橋隧道交叉，交叉情況見表1，二者相互位置關系、典型斷面見圖1。山嵐橋隧道D2K787+230~D2K787+625段圍巖級別為III級，采用臺階法開挖，設置IIIb型復合襯砌，襯砌拱墻厚40 cm，仰拱厚50 cm，襯砌設計見圖2。

表1　安紫高速與山嵐橋隧道相交情況

圖1　隧道與地表高速公路縱向

圖2　復合式襯砌設計圖(單位：cm)

高速公路路面設計高程與既有隧道拱頂之間最小距離為25.626 m，跨線方案有路堤或跨線橋等，不同方案對既有高鐵隧道的影響不同。根據其他工程實例，提出2種方案，即：路基跨線方案和橋跨線方案，其中橋跨線方案包括擴大基礎跨線橋、樁基礎跨線橋方案，分別是擴大基礎40 m中跨方案、37 m樁基礎40 m中跨方案和37 m樁基礎40 m單跨方案。

1.2　工程地質條件

隧址覆蓋土層為第四系全新統坡洪積層(Q4dl+pl)、坡殘積層(Q4dl+el)，隧道下伏基巖為三疊系下統谷腳組白云巖(T1g1)。紅黏土(Q4dl+pl)呈硬塑狀，厚2～8 m，分布于本段溝槽中，具有弱~中等膨脹性。紅黏土(Q4dl+el)呈硬塑～堅硬狀，厚0～3 m，分布于丘緩坡，具有弱~中等膨脹性。白云巖(T1g1)厚層狀構造，隱晶結構，節理裂隙較發育，充填方解石脈，巖溶較發育。工程范圍內地下水甚微。

2數值模擬

為了得到不同跨線方案運營荷載對既有隧道的影響，采用Midas/GTS有限元程序構建二維數值模型對其進行計算分析，模型見圖3。模型中，圍巖和基礎均采用2D平面應變單元模擬，由于既有隧道襯砌為整體結構，可以采用梁單元模擬隧道初期支護和二次襯砌。考慮橋梁跨度和邊界對計算結果的影響，計算模型長取190 m，高鐵隧道左側距模型邊界取77.7 m，右側取97.7 m，底部取45 m，左側、右側和底部邊界條件為固定邊界。計算參數見表2。

通過調整樁基礎位置和上部網格的尺寸，并賦予不同的計算參數，即可對不同的跨線方案進行模擬。

a)路基方案b)擴大基礎40mc)37 m樁基礎40 md)37 m樁基礎40 m

中跨方案中跨方案單跨方案

圖3　Midas/GTS軟件計算模型圖

3模擬結果分析

圖4為4種方案運營荷載作用下的豎直方向的應力分布。

a)路基方案b)擴大基礎40 mc)37 m樁基礎40 md)37 m樁基礎40 m

中跨方案中跨方案單跨方案

圖4不同方案豎直方向的應力

由計算結果可知，各跨線方案對隧道周圍應力的影響由大到小依次為擴大基礎40 m中跨方案、路基方案、37m樁基礎40 m單跨方案、37 m樁基礎40 m中跨方案。

表3為運營階段荷載作用下既有隧道結構內力的計算結果，表中軸力以壓為負，彎矩以外側受拉為負。由表3可見，不同跨線方案在運營期荷載作用下，對襯砌結構內力影響由大到小依次為擴大基礎40 m中跨方案、路基方案、37 m樁基礎40 m單跨方案、37 m樁基礎40 m中跨方案，與隧道周圍應力變化計算結果一致。另外，通過計算，不同跨線方案作用下襯砌安全系數均大于3.6，滿足規范要求。

表3　不同方案計算結果對比

4施工方案可行性分析

由以上計算分析可知，運營期荷載作用不是選取何種方案的決定性因素，因此，將分析工期成本對方案選擇的影響。

對于樁基礎跨線橋方案，樁基成孔施工方法，對旋挖鉆成孔、水磨鉆成孔2種方案進行分析。

(1) 旋挖鉆成孔。該段地層為中風化白云巖，石質堅硬，巖層完整，實地驗證，使用旋挖鉆機鉆不動該種巖石。

(2) 水磨鉆成孔。采用水磨鉆法開挖成孔，方法簡單，進度很慢。以37 m樁基為例，按每天0.5 m進尺考慮，每一根樁基礎挖樁時間需要至少74 d；受場地狹窄影響，分2次循環，一次開挖4根樁基礎，開挖時間需要148 d，全部樁基礎完成需要150 d，可能不滿足對工期時間節點的要求。

以上2種施工方法的分析，雖然水鉆法施工對客專隧道基本沒影響，但工期長，存在超出原定時間節點的風險。

挖方段施工過程揭示的圍巖及地質情況與設計資料相符。所開挖的挖方路塹段未發現溶洞和風化槽等現象，開挖巖石為中風化石灰巖，石質堅硬，巖體完整，節理、裂隙不發育，路塹高邊坡、山嵐坡隧道的穩定有地質保證。石方爆破控制、高邊坡預裂爆破效果好，對鐵路山嵐坡隧道的影響也小，山嵐橋隧道最大振速穩定，小于10 cm/s，滿足要求；拱頂下沉、洞周收斂等數據顯示隧道結構穩定，無明顯變化。

從理論結構受力分析、爆破開挖的地質情況看，跨線橋結構類型安全系數高、存在可優化、分析的空間。從保證聯調聯試時間、將對隧道的影響降到最低的角度看，不干擾、少干擾、干擾時間短是對隧道的最大保護，是對高鐵安全的最大保障，因此，應該綜合選擇一種干擾少、安全系數高的上跨結構類型。

綜合以上，安紫高速在保證將對滬昆客專的影響降低到最小的基礎上，應綜合對比考慮以下建議。

(1) 采用路基方案，優點是對隧道干擾少、地質安全有保障，未降低安全系數，且可以保證工期節點。

(2) 采用擴大基礎跨線橋方案，優點是對隧道干擾影響較少，未降低安全系數，也可以保證工期節點。

(3) 采用37 m樁基礎40 m中跨跨線橋方案，需延長項目工期。

5結語

本文采用Midas/GTS有限元程序對安紫高速與山嵐橋隧道交叉段不同跨線橋方案進行計算分析，結果表明，運營期荷載作用下對隧道周圍應力和隧道應力的影響，由大到小依次為擴大基礎40 m中跨方案、路基方案、37 m樁基礎40 m單跨方案、37 m樁基礎40 m中跨方案。結合前期施工揭露的地質情況、對隧道的影響、施工方案和工期要求的分析，提出了不同的方案選擇建議。

參考文獻

[1]BENTON L J, PHILLIPS A. Behaviour of two tunnels beneath a building on piled foundations[C].Proceedings of the International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering (Vol 2). Florence,1991:665-668.

[2]SCHROEDER F C, POTTS D M, ADDENBROOKE T I. The influence of pile group loading on existing tunnels[J]. Géotechnique,2004,54(6):351-362.

[3]閆靜雅,張子新,黃宏偉,等.樁基礎荷載對鄰近已有隧道影響的有限元分析[J].巖土力學,2008,29(9):2508-2514.

[4]練健飛.某地鐵上蓋建筑樁基礎對地鐵隧道影響分析[J].科技創新導報,2008(21):102-102.

[5]樓曉明,金志靖.鉆孔灌注樁基礎對緊鄰地鐵隧道產生豎向附加應力和變形的計算分析[J].巖土力學,1996,17(3):48-53.

[6]路平,鄭剛.立交橋樁基礎施工及運營期對既有隧道影響的研究[J].巖土工程學報,2013,35(S2):923-927.

Comparisons of Line-cross Schemes of Anshun-Ziyun

Highway Project Cross Existing High-speed Railway Tunnel

YangHong

(Guizhou Communications Planning Survey and Design Institute, Guiyang 550001, China)

Abstract：The An-Zi highway project crosses existing Shanlanqiao high-speed railway tunnel and line-cross schemes may have different effects on existing tunnel underneath. Operation period load effects of two flyover schemes and a subgrade scheme on the tunnel are analyzed based on Midas/GTS finite element software. The result shows that decreasing order of effects on ground stress and tunnel structure stress is flyover scheme with spread foundation, subgrade scheme, flyover scheme with 37 m-depth pile and 40m span, and flyover scheme with 37 m-depth pile and 40 m-midspan. According to uncovered geological conditions and the analysis of effect on tunnel, construction program and period costs, proposals of schemes selection are gained.

Key words:line-cross schemes; existing high-speed railway tunnel; finite element calculation

收稿日期：2015-09-12

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.06.015