新建公路隧道上穿既有鐵路隧道施工方案比選

(中鐵十八局集團 建筑安裝工程有限公司，天津 300450)

隨著我國經濟的發展和西部大開發戰略實施，基礎設施需要加快建設的步伐，鐵路公路交通網絡需要不斷完善，新建隧道穿越既有隧道的情況日漸增多且穿越情況越來越復雜。國內外許多學者對立體交叉隧道施工的力學行為進行過一些研究，研究的重點主要集中在3個方面：① 隧道開挖圍巖的地層應力和變形問題[1-3]；② 鄰近洞室凈間距的優化[4-6]；③ 新建隧道施工對鄰近既有隧道的影響[7-9]。立體交叉隧道的研究水平不斷提高，研究內容也不斷深入[10]。對于城市地區穿越既有隧道，隧道間凈距較小，穿越情形復雜，新建隧道的施工會對既有隧道產生復雜的動力效應，為了保證既有隧道的安全運營，城區隧道施工往往采取偏保守、安全性較高的方案[11-12]，但對于隧道凈距相對較大的情況，設計和施工方案創新遠遠落后于科研進展，很多研究成果未應用于實際工程。

本文依托新建巴通萬高速羊子嶺隧道上穿既有襄渝鐵路二線隧道工程開展研究。新建隧道左右線間隔約28 m，與既有隧道的凈距約18 m，隧道施工所產生的相互影響將被削弱，若按照既有交叉隧道施工經驗指導該項目，雖安全度較高，但過于保守，造成不必要的施工浪費，且嚴重影響工期。因此，本文通過數值計算以及現場測試，對比分析了不同施工工法對既有隧道的影響，通過分析既有隧道襯砌變形，提出合理設計施工方案，以期對相似工程提供參考。

1 工程概況

羊子嶺隧道位于巴通萬高速路段，左右線分別在ZK231+193.753、K231+171.228處上跨襄渝鐵路二線羊子嶺鐵路隧道，左線全長972 m，上跨鐵路樁號為K441+490；右線長974 m，上跨鐵路樁號為K441+524.74，相對位置見圖1。

圖1 新建隧道與既有隧道相對位置示意(單位：m)Fig.1 Plane and profile position of newly building tunneland built tunnel on Xiangyu second line

新建羊子嶺隧道為雙線雙車道公路隧道，左線埋深約140 m，右線約100 m，全洞身主要穿越巖溶角礫巖，局部為白云質灰巖，膠結極差；洞身裂隙發育-極發育，巖體破碎，呈碎裂結構，局部見溶蝕現象。隧道進口為銀溝河，河谷干涸，河水在河床下部巖溶管道內通過，在路線右側約650 m(675 m高程)附近形成明流，可見隧址區地下水侵蝕基準面基本在670 m高程附近;隧道出口下方為后河，河谷寬緩，河床標高為671 m，雨季水流量大。工程區地下水類型及富水性較復雜，主要為第四系松散堆積層孔隙水和碳酸鹽巖類裂隙溶洞水，因此該區的白云質灰巖為主要的含水層。鉆探結果揭示，場地無統一地下水位，出口鉆孔均為干孔，孔底設計標高為701. 06 m，且鉆探過程中鉆孔全孔漏水。隧道結構跨度約13 m，高度為7.15 m，新建隧道襯砌支護參數:① 初期支護為噴C20噴混凝土(拱墻、仰拱、厚度24 cm)+Φ22藥卷錨桿(長3 m,環×縱間距2.1 m×1.2 m)+Φ8鋼筋網(20 cm×20 cm);② 加強支護使用I18型工字鋼鋼架，間距0.6 m；③ 二次襯砌噴C30鋼筋混凝土(拱墻、仰拱均厚50 cm)。既有隧道襯砌支護參數:① 初期支護為噴C20噴混凝土(環拱)+Φ22藥卷錨桿(長2.5 m,環距1 m，排距1 m)+Φ8鋼筋網(25 cm×25 cm);② 加強支護使用鋼架；③ 二次襯砌噴C25鋼筋混凝土(拱墻、仰拱分別厚30 cm和40 cm)。新建羊子嶺隧道斷面及既有襄渝鐵路二線隧道斷面見圖2。

圖2 隧道橫斷面(單位：cm)Fig.2 Cross-section of tunnel

為減小新建隧道對既有隧道的影響，設計時建議新建隧道采用兩臺階開挖預留核心土法，既有隧道施工斜井用素混凝土封堵，禁止爆破，后續施工過程中施工單位通過設計進行變更，同意采用控制爆破施工，爆破震速需小于2.4 cm/s，施工步距不大于2 m。

根據以往經驗，鐵路運營要求既有襄渝鐵路二線隧道襯砌及軌道變形不得大于4 cm，應力不得超過C30混凝土極限強度。

2 施工工法理論計算比選

2.1 計算模型建立和參數選取

本文采用FLAC3D大型通用有限差分軟件進行計算分析，為了盡可能消除邊界影響，該計算模型取長150 m、寬175 m、高185 m，實體單元采用莫爾-庫侖彈塑性準則來模擬土體，彈性實體單元來模擬隧道二次襯砌和初期支護，整體網格劃分見圖3，相對位置關系見圖4。

根據該工程的地質勘察報告中取值，并參照地勘報告及萬源地區相關工程的地層參數取值，地質土層的主要物理力學參數見表1。鋼筋混凝土本構關系采用整體式的理想彈性模型，有關鋼筋和混凝土物理參數按規范取值，見表2。

2.2 計算工況

為了有效地指導該工程施工，控制開挖時既有隧

圖3 FLAC3D計算模型Fig.3 Computing model by FLAC3D

圖4 交叉隧道透視圖Fig.4 Perspective of cross tunnel

表1 土層計算參數Tab.3 Calculation parameters of soil layer

表2 混凝土和鋼筋計算參數Tab.2 Calculating parameters of concrete and steel bars

道變形，初步擬選兩臺階開挖預留核心土法、兩臺階法和CD法進行分析對比，施工具體方案見圖5～7，施工順序按照圖中標注進行。數值計算中步長均為2 m，初期支護按落后掌子面2 m支護，各臺階步距為8 m，初期支護成環后30 m進行二次襯砌。

圖5 兩臺階開挖預留核心土法Fig.5 Reserved core soil method for two steps excavation

圖6 兩臺階法Fig.6 Two steps method

圖7 CD法Fig.7 CD method

2.3 計算結果分析

新建羊子嶺隧道左右線分別穿過既有鐵路隧道及施工斜井，為了保證既有鐵路隧道的運營安全，新建隧道施工之前將既有鐵路隧道施工斜井進行了混凝土封堵，故后續分析時，僅對既有鐵路隧道正線二次襯砌變形進行分析,主要包括既有鐵路隧道襯砌的左右邊墻、左右拱腰、拱頂等特征部位豎向變形，特征部位分布見圖8。兩臺階開挖預留核心土法施工后襯砌位移變化曲線如圖9所示。

圖8 特征部位示意Fig.8 Diagram of characteristic positions

圖9 特征點豎向變形增量曲線Fig.9 Vertical deformation increment curve ofcharacteristic points on Yangziling tunnel

由于施工完成后左側隧道交叉處變形較大，故既有鐵路隧道交叉點處的橫斷面在不同隧道施工狀態時的變位情況見圖10,其中Ux和Uy分別為考察點的水平及豎向位移。

圖10 既有隧道橫斷面變形(單位：mm)Fig.10 Cross-sectional deformation of existing tunnel

在整個上浮過程中，上穿隧道施工完成后，左、右邊墻累計上浮量不同，左邊墻較右邊墻上浮大，左拱腰及拱頂最終上浮量相等，右拱腰較左拱腰上浮量稍小，但差別不大。說明由于上下隧道大角度交叉重疊使下部隧道斷面向右發生了較小的偏轉，這使隧道襯砌在橫斷面容易產生拉伸變形，即產生較大的拉應力增量。由圖9可知，既有隧道襯砌最大位移處于拱頂處，且3種施工工法襯砌變形規律基本相同，故僅以既有隧道拱頂位移進行分析，得到了3種施工工法開挖新建隧道時既有隧道拱頂處位移曲線如圖11，12所示。新建羊子嶺隧道施工對既有鐵路隧道襯砌的影響主要來自于新建羊子嶺隧道自身的土體開挖，即上部隧道施工的“卸載”作用，使既有鐵路隧道襯砌表現為上浮。

圖11 不同工法下新建隧道左線穿越既有隧道后既有隧道位移曲線Fig.11 Displacement curves of existing tunnel after the leftline of newly built tunnel crossing existing tunnel underdifferent construction methods

圖12 不同工法下新建隧道右線穿越既有隧道后既有隧道位移曲線Fig.12 Displacement curves of existing tunnel after the rightline of newly built tunnel crossing existing tunnel underdifferent construction methods

由圖11,12可知，當右線隧道施工完成時，既有隧道拱頂最大位移增量為3.3 mm，此沉降說明采用兩臺階開挖預留核心土法施工對既有鐵路隧道影響較小，以設計采用的兩臺階開挖預留核心土法施工導致既有隧道拱頂變形為基準，臺階法施工時既有隧道拱頂襯砌位移為3.4 mm，使既有隧道拱頂襯砌量增加3.0%；CD法施工時既有隧道拱頂襯砌位移為2.5 mm，使既有隧道拱頂襯砌量減小24.2%。

對隧道進行分部開挖，主要是為了抑制隧道開挖后拱部下沉，而學者們對開挖后仰拱卸載的上浮關注相對較少。1993年，仇文革提出穿越軟弱圍巖隧道工程時，設置仰拱能夠有效控制洞室周邊位移[13]。本次研究對新建隧道仰拱變形進行了計算分析，不同施工工法下新建隧道仰拱隨開挖部變形曲線見圖13。

圖13 不同施工工法下新建隧道仰拱隨開步變形曲線Fig.13 Deformation curves of inverted arch along excavationsteps of new tunnels under different construction methods

由圖13可知，采用兩臺階開挖預留核心土法施工，卸載后拱頂上浮45 mm，而臺階法、CD法分別為51 mm和38 mm，臺階法較之增加13.3%，CD法較之減小15.6%。

綜上所述，多步開挖能有效減少拱部及仰拱應力釋放，從而減小隧道周邊位移及仰拱上浮量，但開挖步過多不僅工序轉換復雜，還大量增加施工預算和延長工期。對于該工程，3種施工工法均能夠滿足施工及既有隧道運營安全要求。CD法在控制既有隧道變形上優于兩臺階開挖預留核心土法及兩臺階法，但是施工技術復雜、造價高、施工進度慢；而兩臺階法產生的位移較兩臺階開挖預留核心土法小，且施工速度快、工序簡單、成本較低。綜合考慮施工安全及施工成本，建議采用兩臺階法作為隧道開挖方法。

3 既有隧道襯砌現場測試分析

為了驗證上述分析的正確性，在現場交叉段進行了對比試驗。2017年10月23日至11月30日，施工左線隧道的ZK231+180～ZK231+230段，采用兩臺階開挖預留核心土法，控制爆破開挖；2017年11月1日至12月5日，施工右線隧道的YK231+170～YK231+220段，采用兩臺階法，控制爆破開挖。

由于條件所限，無法對襯砌圍巖壓力、鋼筋應力等進行監測，故僅監測二襯變形(拱頂沉降、軌道變形)以及襯砌表面應力。在既有隧道內與新建隧道左、右線立面相交處設置斷面1(K441+490)、斷面3(K441+524.74)，斷面2(K441+507)位于斷面1、3中間，各斷面均布置2個斷面進行監測，拱頂沉降及軌道變形通過設置監測點利用水準儀進行監測，襯砌表面應變通過在二襯內表面粘貼混凝土應變計利用振弦儀進行監測。由于既有鐵路隧道仍在運營且受空間及經費限制，采用的是人工監測，利用天窗時間及行車間隔每天測試1次。

斷面布置見圖1，位移量測點及襯砌表面應力監測點見圖14。

圖14 襯砌表面應力監測點Fig.14 Lining surface stress monitoring points

3.1 拱頂、軌道變形分析

既有隧道拱頂、軌道變形的施工監測結果如圖15所示。由圖15可知：左線施工時(兩臺階開挖預留核心土法)，既有隧道斷面1拱頂累計位移達到最大值2.1～2.2 mm且趨于穩定，軌道累計位移為0.3 mm且趨于穩定；斷面2拱頂產生0.5 mm位移、軌道產生0.05 mm位移；斷面3拱頂產生0.1 mm位移、軌道產生位移為0。

圖15 斷面拱頂及軌道累計位移Fig.15 Cumulative displacement of vault and track

右線施工時(兩臺階法)，既有隧道斷面3拱頂累計位移2.7 mm，軌道累計位移為0.4 mm，使斷面2拱頂累計位移增加到1 mm、軌道累計位移增加到0.1 mm。如圖15(a)所示，右線開始施工時，左線尚未施工結束，拱頂及軌道變形繼續成正比增加，未發生突變，因而右線施工對斷面1影響較小。

綜上所述，不同工法下左右線隧道的施工對既有隧道二次襯砌變形幾乎不產生影響，左右線施工無相互影響。

3.2 襯砌表面應力分析

既有隧道襯砌表面應力施工監測結果如圖16所示。由圖16可知：斷面1在左拱腰處產生最大拉應力約為0.1 MPa，在拱頂處產生最大壓應力為0.02 MPa；而斷面3在左右拱腰處產生最大拉應力約為0.6 MPa，在拱頂處產生最大壓應力0.4 MPa。

圖16 斷面特征點應力Fig.16 Stress of characteristic points at different sections

由數值計算(見圖10)及現場監測(見圖15)結果可知，隧道整體呈上浮狀態。襯砌拱頂受圍巖擠壓，使臨空面側受壓；襯砌邊墻受圍巖不均勻上浮，產生拉伸作用，產生拉應力。故隧道除拱頂承受壓應力外，左右邊墻及腰拱皆承受拉應力。因隧道襯砌主要材料為素混凝土，受拉易開裂。實際監測結果顯示，在混凝土受拉區即左右邊墻及腰拱表面未發現新增裂縫，即左右線施工工法均能滿足襯砌受力要求。

4 結 論

本文依托新建公路羊子嶺隧道上穿既有襄渝二線鐵路隧道工程，通過理論分析和現場試驗，對既有隧道襯砌安全性進行分析，得到如下結論。

(1) 通過對兩臺階開挖預留核心土法、兩臺階法、CD法理論計算并對比可知，多步開挖能有效減少拱部及仰拱應力釋放，從而減小隧道周邊位移及仰拱上浮量，但開挖步過多不僅工序轉換復雜，還大量增加了施工預算和延長工期。

(2) 3種施工工法均能夠滿足施工及既有隧道運營安全要求。CD法在控制既有隧道變形上優于兩臺階開挖預留核心土法和兩臺階法，但是施工技術復雜、造價高、施工進度慢。而兩臺階法產生位移較兩臺階開挖預留核心土法增加較小，且施工速度快、工序簡單、成本較低。綜合考慮施工安全及施工成本，建議采用兩臺階法作為隧道開挖方法。

(3) 通過現場測試結果可知：當采用臺階法施工時，既有隧道位移及應力增量相較于采用兩臺階開挖預留核心土法變化不大，均能保證既有鐵路隧道正常安全運營。

(4) 對于地質條件相對較好及隧道凈距較大的工程施工，可以考慮不采取輔助措施施工，以減少施工成本及縮短工期。