山區單線鐵路隧道下穿高速公路隧道影響分區研究

袁　竹， 陳　勇， 王　柱

(中鐵二院工程集團有限責任公司土建二院, 四川 成都　610031 )

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山區單線鐵路隧道下穿高速公路隧道影響分區研究

袁竹， 陳勇， 王柱

(中鐵二院工程集團有限責任公司土建二院, 四川 成都610031 )

摘要：隨著基礎建設的不斷推進，不可避免產生大量立交工程，其中鐵路隧道下穿高速公路隧道工程問題十分突出。以福建省中部某山區鐵路設計為例，對山區鐵路下穿高速公路隧道影響分區進行研究。主要研究內容和結論如下： 1)利用Midas GTS軟件對不同凈距和地質條件下鐵路隧道下穿高速公路隧道施工進行數值試驗，以高速公路隧道的沉降為判斷準則，15 mm為判斷閾值，得到基于幾何近接度和地質情況的影響分區(強、弱、無)。通過影響分區圖，可以將全線下穿高速公路隧道工點對號入座，以采用在相應分區內的經濟合理的施工措施； 2)地層條件不同，其決定強弱影響的凈距分界點也不同，隨地層條件的惡化而逐漸增大，強、弱影響區分界理論最小凈距為0.5D，最大凈距為1.8D；弱、無影響區最小凈距為1.3D，最大凈距為2.8D。

關鍵詞：單線鐵路隧道； 高速公路隧道； 下穿； 數值試驗； 幾何近接度； 地質條件； 影響分區

0引言

隨著國家交通工程建設的不斷推進，不可避免產生大量立交工程，其中鐵路隧道下穿高速公路隧道工程問題十分突出。在福建省中部某山區鐵路的設計中，一共遇到下穿高速公路隧道的工點近15處，凈距為10～100 m。在這些工點的設計中，如何劃分其影響分區，并根據其影響大小給出不同強度的施工措施，從而保證設計的科學合理，意義十分重大。

在目前的研究中，日本對近接施工類問題作了較系統的論述，主要根據既有隧道與新建建筑物的凈距，提出影響分區的概念(見表1)。

表1　影響分區概念

注：D為新建隧道外徑值，即隧道襯砌外輪廓垂直高度，水平寬度中的最大值。

仇文革[1]提出了廣義的地下工程近接施工的分類、分區、分區指標表達式、近接度與對策等級概念以及分區、分度準則，給出了研究和解決近接施工問題的普遍方法；通過深圳地鐵2近距離平行、重疊和交錯隧道的研究，得到基于2隧道凈距的近接施工強影響區統一場。鄭余朝[2]研究了三孔并行盾構隧道下穿鐵路施工的力學行為和對策，得到了基于地表鐵路沉降準則的影響分區。于鶴然等[3]通過數值模擬和回歸分析方法對鐵路雙線立交隧道結構在不同凈距和Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級圍巖的上跨下穿情況進行了分析，對既有鐵路隧道運營不受影響的最小凈距給出了建議值。

之前的研究主要著重對近接工程凈距的研究，對圍巖級別也只是簡單地以Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級分類[4-5]，對巖性的影響并無細致考慮。本文基于福建中部某山區鐵路的設計，通過對隧道下穿高速公路隧道的數值模擬分析，通過幾何近接度(S/D，S為2隧道間凈距，D為新建隧道外徑值)的變化及所處地層的變化(對圍巖級別進行細分[6])得到多種工況下的高速公路隧道沉降值，通過統計力學方法得到基于這2個指標的影響分區，從而指導設計，并對相應影響區給出強度不同的工程措施。

1近接影響判斷閾值及判斷準則

判別準則及其相關閾值是對近接影響度和分區進行劃分的根本，本文的近接影響判別主要根據下穿隧道施工造成既有高速公路隧道的路面沉降為準則。根據相關文獻[7]，按照《公路隧道設計規范》破損階段法進行結構截面檢算。結果表明，當路面沉降超過15 mm時，既有隧道結構安全系數將不滿足規范要求，故既有隧道路面沉降控制指標為15 mm。影響分區閾值標準如表2所示。

表2　影響分區閾值標準

2近接工程概況

鐵路為單線電力牽引客貨共線，旅客列車設計行車速度為160 km/h。隧道建筑限界根據“隧限-2A”繪制。單線鐵路隧道支護參數如表3所示。

表3　單線鐵路隧道支護參數

注： 直徑單位為mm；*表示鋼筋混凝土。

高速公路隧道行車速度為80 km/h，屬于雙向4車道，上下行分修。高速公路隧道支護參數如表4所示。

表4　高速公路隧道支護參數

注： 直徑單位為mm；*表示鋼筋混凝土。

3數值試驗

數值試驗采用巖土通用有限元程序Midas GTS進行。土體本構采用摩爾-庫侖準則，根據彈塑性理論計算，模型上邊界為自由邊界，其余采用法向約束。計算考慮自重條件下的應力場。有限元計算模型見圖1。

(a)

(b)

3.1計算參數

根據巖土勘察報告，不同圍巖級別，不同巖性的地層力學參數如表5所示。建筑材料力學參數如表6所示。

3.2分析假定

1)鐵路隧道和高速公路隧道處于同一套地層。

2)交叉角度僅對縱向影響范圍有關系，鐵路隧道與高速公路隧道的水平交角均按40°考慮。

3)為簡化計算，不考慮埋深的影響，高速公路隧道埋深均按40 m考慮；同時通過對本線近接工點的統計，以占比最多的工點凈距2D、序號G5地層參數為基準工況。

3.3計算工況

見表7。

3.4根據計算結果確定相關系數

根據3.3節計算得到的結果，由于只有沉降值受控制，故只對沉降的影響進行研究。根據近接影響判別準則的基本表達式Cij=Kijα0ijα1ijα2ijα3ijα4ijα5ij[1]，可以對各項系數進行確定；其中i表示第i種近接類型(上跨、下穿、平行等)，j表示第j種判別準則，Cij為第i種近接類型關于第j個判別準則的值。因為本文研究的對象明確，近接類型為下穿，采用既有高速公路隧道路面沉降為判別準則，故基本表達式可以簡化為C=Kα0α1α2α3α4α5。

表5　巖土力學參數表

表6　建筑材料參數表

表7　計算工況設置

1)K為綜合影響系數。實質為基準情況時的判別準則值，根據確定的基準(見以下各項)，即為G=7,S/D=1時的高低偏差矢度值，為13 mm,有K=13。

2)α0為幾何近接度影響的修正系數。以地層序號G=5為基準，根據既有高速公路隧道路面沉降與幾何近接度S/D的統計關系，可以得到如圖2所示的回歸公式。

既有高速公路隧道路面沉降與S/D統計關系為

U=103e-0.96(S/D)。

(1)

U與基準工況既有高速公路隧道路面沉降(13mm)的比值，即為影響修正系數，可得到影響修正系數

α0=7.92e-0.96(S/D)。

(2)

其中基準工況下，S/D=2時，應有α0=1，由此，式(2)可調整為

α0=7.92e-0.96(S/D)-0.16。

(3)

圖2　高速公路隧道沉降值與S/D的統計關系

Fig. 2RelationshipbetweensettlementofexpresswaytunnelandS/D

3)α1為位置關系(角度)影響的修正系數。以水平交角均按40°考慮為基準，可取α1=1。

4)α2為施工方法影響的修正系數。若以本文研究的以上下臺階法為基準，則有α2=1。

5)α3為地質條件影響的系數。以S/D=2為基準，根據既有高速公路隧道路面沉降與G的統計關系，可以得到如圖3所示的回歸公式。

圖3高速公路隧道路面沉降值與G(地層序號)的統計關系

Fig. 3RelationshipbetweensettlementofexpresswaytunnelandG(serialnumberofgeologicalcondition)

根據圖3的回歸公式，可得到

U=0.059G2+2.202G+1.428。

(4)

U與基準工況既有高速公路隧道路面沉降(13mm)的比值，即為影響修正系數，由此可得到影響修正系數

a3=0.005G2+0.169G+0.11。

(5)

其中當G=5,應有a3=1，由此，式(5)可調整為

a3=0.005G2+0.169G+0.03。

(6)

從而導出了a3與G的統計關系。

6)a4為既有結構物劣化程度影響的修正系數。本文研究考慮既有高速公路隧道均為正常使用，正常保養和巡檢的結構，以此為基準，則有a4=1。

7)a5為對策措施影響的修正系數。以常規施工措施為基準，則有a5=1。

當其余各項影響系數都為基準情況時，將上述幾個影響修正系數的統計公式和綜合系數代入近接影響判別準則表達式，即可得到關于幾何近接度和地質條件的最大沉降值

U=Ka0a3。

(7)

U=(103e-0.96(S/D)-2.08)(0.005G2+0.169G+0.03)。

(8)

3.5影響分區的確定

根據表2近接施工閾值標準，可得到關于幾何近接度和埋深比的分區界線。

分區則為關于幾何近接度S/D和地質情況G的幾個點集：

{(S/D,G)|Kα0α3≥15}強影響區；

{(S/D,G)|5≤Kα0α3<15}弱影響區；

{(S/D,G)|Kα0α3<5}無影響區。

分區界線： U=Cijk(Cijk=5,15)。

(9)

分別將式(8)代入式(9)，即有：

(-0.96)。

(10)

于是可以得到沉降值為5mm和15mm時的關于S/D和G的2個控制方程，分別以S/D為橫坐標，G為縱坐標作圖，則可得到分別對應弱、無影響分區和強、弱影響分區界限的2條曲線。基于S/D和G(地層序號)的影響分區見圖4。

根據圖4可得到相應近接工點所處的影響分區。地層條件的不同，其決定強弱影響的凈距分界點也不同，隨地層條件的惡化而逐漸增大。理論上，強、弱影響區分界最小凈距為0.5D，最大凈距為1.8D；弱、無影響區最小凈距為1.3D，最大凈距為2.8D。基于S/D和G的影響區分界見表8。

圖4　基于S/D和G(地層序號)的影響分區圖

圍巖級別強影響區分界弱影響區分界Ⅱ0.5D1.3DⅢ0.7D～1.2D1.7D～2.1DⅣ1.4D～1.6D2.3D～2.5DⅤ1.6D～1.8D2.6D～2.7D

4各影響區施工對策

為了減小鐵路隧道施工對高速公路隧道路面沉降的影響，由于高速公路隧道使用年限不長，均為正常使用，正常保養和巡檢的結構，所以主要著眼于對新建鐵路隧道采取對策，并對中間地層進行加固。通過對同類工程歸納總結[8-11]，各影響區內擬采用措施如下。

4.1強影響區措施

1)臺階法(臨時仰拱)施工，采用雙層φ108管棚超前支護，外插φ42小導管超前支護并超前周邊注漿，開挖后徑向注漿(洞周3～5 m)。

2)管棚環向設置范圍為拱墻180°，為增加管棚的剛度和強度，均加設鋼筋籠。

3)初期支護采用全環I20b型鋼鋼架0.6 m/榀。

4)采用非爆開挖。

4.2弱影響區措施

1)臺階法(臨時橫撐)施工，采用單層φ108管棚，環向間距0.4 m，外插φ42小導管超前支護，開挖后局部徑向注漿(洞周3～5 m)。

2)管棚環向設置范圍為拱墻180°。

3)采用控爆開挖，爆破震動速度不大于10 cm/s。

4.3無影響區

為保證施工及高速公路隧道運營的安全，根據相關研究成果，當S/D<5時，在下穿施工期間，需對既有隧道的爆破震動速度進行控制，爆破震動速度不大于10 cm/s，同時根據實際監測數據，調整施工的措施。

5結論與建議

1)利用Midas GTS軟件對不同幾何近接度和地質條件下鐵路隧道下穿高速公路隧道施工進行數值模擬，以高速公路隧道的路面沉降為判斷準則，15 mm為判斷閾值，得到基于幾何近接度和地質情況的強、弱、無影響分區。地層條件的不同，其決定強弱影響的凈距分界點也不同，隨地層條件的惡化而逐漸增大。理論上，強、弱影響區分界最小凈距為0.5D，最大凈距為1.8D；弱、無影響區最小凈距為1.3D，最大凈距為 2.8D。

2)由于圍巖分級的復雜性，本文對圍巖等級的細分以及參數的選取都存在一定的片面性，分析所采用的假定跟實際工點有一定出入，研究成果尚缺乏實際監測數據的支撐。

3)之前近接工程的分區研究主要著重對幾何近接度的研究，對圍巖級別也只是簡單地以Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級分類，對巖性的影響并無細致考慮。本文采用數值試驗方法，通過隧道幾何近接度的變化、所處地層的變化(對圍巖級別進行細分)得到多種工況下的高速公路隧道路面沉降值，通過統計方法得到基于這2個指標的影響分區。

4)通過影響分區圖，可以將全線下穿高速公路隧道工點對號入座，以采用在相應分區內的經濟合理的施工措施，也可供巖性相似的同類工程參考。

5)由于巖土工程數值分析的局限性，不可預見因素較多，進一步的研究應收集不同幾何近接度和地質條件下近接工點的實際監測數據驗證基于數值試驗影響分區的合理性。

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Study on Influence Zoning of Single-track Railway Tunnel Under-passing Expressway Tunnel at Mountainous Areas

YUAN Zhu, CHEN Yong， WANG Zhu

(ChinaRailwayEryuanEngineeringGroupCo.,Ltd.,Chengdu610031,Sichuan,China)

Abstract:With the development of infrastructure, large amounts of interchange projects appear inevitably. The railway tunnel under-passing expressway tunnel is prominent. Taking the design of a railway in mountain area of central Fujian province as an example, the influence zoning of single-track railway tunnel under-passing expressway tunnel is studied. The study contents and conclusions are as follows: 1) The numerical experiment of railway tunnel under-passing expressway tunnel is carried out by means of Midas GTS under different clear distances and geological conditions. The influenced zones,i.e. strongly influenced zone, weakly influenced zone and non-influenced zone,are abtained based on geometric adjacent degree and geological conditions and by using the settlement of expressway tunnel of 15 mm as a reference. The economical and rational construction countermeasure for every working point can be chose according to the influence zoning diagram. 2) The clear distance increases gradually with the deterioration of ground conditions. The demarcation point of strongly influenced zone and that of weakly influenced zone are 0.5D-1.8D theoretically; and the separating point of weakly influenced zone and that of non-influenced zone are 1.3D-2.8D theoretically.

Keywords:single-track railway tunnel; expressway tunnel; under passing; numerical experiment; geometric adjacent degree; geological conditions; influence zoning

中圖分類號：U 45

文獻標志碼：A

文章編號：1672-741X(2016)02-0164-06

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2016.02.007

作者簡介：第一 袁竹(1985—)，男，四川樂山人，2010年畢業于西南交通大學，地下工程與隧道工程專業，碩士，工程師，現主要從事地下工程與隧道工程設計工作。E-mail: yuanzhu 204@foxmail.com。

收稿日期：2015-11-03; 修回日期: 2015-12-10