大跨黃土公路隧道上跨既有客專隧道施工關鍵技術及安全性分析

張 威

（蘭州鐵道設計院有限公司，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

隨著“交通十三五規劃”對“縣縣通高速”政策支持力度的不斷加大以及高速公路網的不斷擴展和完善，由于受到環保、不良地質、工程接駁、線路技術標準等因素的影響，不可避免出現高速公路隧道上跨既有客專隧道的情形［1］。

上跨公路隧道施工卸荷改變了原有地應力場的分布，且隧道斷面越大、地質條件越差、交叉角度越小，下伏隧道受不利影響的問題越突出。同時客專隧道對變形要求嚴格，上跨隧道施工不得影響客專正常運營，這無疑大大增加了上跨隧道施工的難度［2］。本論述從支護措施、施工工法、爆破安全等多方面進行管控，以確保下伏高鐵的安全運營，同時保證上跨隧道自身安全施工［3］。

1 工程概況

擬建西坪高速公路隧道位于甘肅省天水市麥積區社棠鎮西坪村西北側，隧道為左、右行分離式雙洞特長隧道，右線長3 300 m，左線長3 333 m，設計時速80 km/h，等級為雙向四車道。

隧道于DYK159+932.61處上跨寶蘭客專隧道，平面交角約45°，立交處公鐵隧道間垂直凈距約38 m。該范圍公路隧道處于老黃土（Q2eol）中，埋深約121～125 m，圍巖等級為V級。鐵路隧道處于弱風化泥巖圍巖中，埋深約160 m。立交段隧道平面位置關系如圖1所示。

圖1 立交段隧道平面位置關系

2 施工關鍵技術

2.1 強化支護措施

立交段初期支護掛網噴射30 cm厚C25混凝土，鋼筋網為內外雙層φ8鋼筋網，間距20 cm×20 cm，型鋼為I22a工字鋼，縱向間距75 cm/榀，超前支護打設φ60×5 mm注漿導管，導管長3 m，環向間距40 cm，打設角度10°～15°，二次襯砌為鋼筋混凝土，拱墻厚50 cm，仰拱厚70 cm，如圖2所示。

圖2 立交段復合式襯砌斷面圖

2.2 控制施工步序及工法

上跨寶蘭客專西坪隧道段，地層主要為黏質黃土和強風化泥巖，圍巖自穩能力差，抗風化能力弱，為最大限度的控制施工對地層的擾動，減小對既有鐵路的影響，施工采用三臺階分部開挖法，如圖3所示，其主要施工方法及施工順序如下：

開挖導坑上臺階→上臺階拱部初期支護Ⅰ→開挖中臺階→中臺階邊墻初期支護Ⅱ→開挖下臺階→下臺階邊墻初期支護Ⅲ→仰拱二次襯砌Ⅳ→仰拱回填Ⅴ→拱部及邊墻二次襯砌Ⅵ。

2.3 爆破安全控制

2.3.1 爆破振動安全允許標準

《鐵路工程爆破振動安全技術規程TB 10307-2019》［4］對隧道結構爆破振動安全允許值規定見表1所列。

表1 鐵路隧道爆破振動安全允許值

根據相關條文說明，隧道服務年限每增加10年，爆破振動允許值需降低8%，高速鐵路和客運專線隧道對安全、穩定性要求更高，爆破振動允許值應降低10%，同時考慮鐵路隧道施工期可能存在缺陷等問題，為保障高鐵隧道正常安全運營，故將爆破振動速度控制標準進行嚴格控制，規定嚴禁爆破區爆破振動安全速度不超過0.5 cm/s，控制爆破區爆破振動安全速度不超過3 cm/s。

2.3.2 爆破允許范圍界定

依據爆破振動計算公式：

爆破安全距離R＝（K/V）1/a*Q1/3

計算震速V＝K*（Q1/3/R）a

允許藥量Q=（R*V1/a/K）3

高鐵隧道所處泥巖地層按中硬巖考慮，K，a分別取為200，1.65，裝藥量每方土取0.36 kg。由上式計算得到立交中心點兩側嚴禁爆破區（核心影響區）范圍為125 m，控制爆破區（一般影響區）范圍為125～185 m。

圖3 開挖工法及工序

對核心影響區內采用三臺階分步機械施工工藝，嚴禁采用爆破開挖；在一般影響區應控制爆破，采用微爆破與機械開挖相結合，同時爆破時應分部、分臺階進行，不可全斷面爆破，一次爆破循環進尺不宜大于2榀鋼架，避免爆破震動影響既有鐵路的運營安全。

3 上跨隧道施工對下伏高鐵影響性分析

為分析核心影響區公路隧道施工對下伏既有高鐵隧道的影響，本論述結合工程實際建立三維仿真模型進行計算分析。

3.1 計算模型

為保證仿真模型尺寸能滿足計算精度要求，同時減少計算模型單元數量，本次計算對模型尺寸做適當簡化，模型X向取320 m，Y向取為300 m，由于隧道埋深較大，立交段落地表起伏較小，隧道Z向高度按立交中心點實際埋深取至地表，模型Z向總高210 m。對模型周邊作X、Y向約束，底面左Z向約束，地表為自由面，計算模型圍巖采用M-C本構，結構材料采用彈性本構。所建立的三維模型如圖4所示。

圖4 計算模型

3.2 計算參數

結合既有寶蘭客專西坪隧道地質勘察資料、立交段公路隧道鉆孔資料及《鐵路隧道設計規范 TB1003-2016J449-2016》［5］，模型計算參數見表2所列。

表2 計算參數

3.3 計算結果

取各施工階段最不利工況計算結果見表3所列。

表3 鐵路隧道襯砌結構變形

參照《高速鐵路工程測量規范 TB10601-2009》、《鐵路隧道監控量測技術規程 Q/CR 9218-2015》［6］、《城市軌道交通工程監測技術規范 GB50911-2013》［7］、《城市軌道交通結構安全保護技術規范 CJJ202-2013》［8］取最不利值作為變形控制標準見表4所列。

表4 既有線隧道結構控制指標 單位：mm

由表3、表4可知，交叉點附近最大上浮位移發生在拱肩，為1.44 mm，最大水平位移發生在邊墻，為0.28 mm，能滿足規范要求。

取最不利工況下鐵路隧道圍巖節點力，施加在襯砌結構上，按荷載—結構法計算可得結構內力及安全系數，詳見表5所列。

表5 襯砌結構內力及安全系數

參照《鐵路隧道設計規范 TB1003-2016》，立交核心影響區范圍內，鐵路隧道結構安全系數均均大于2.4，能滿足規范要求。

4 結束語

（1）大跨黃土高速公路隧道施工通過選定合理的支護措施，控制施工步序及工法，限定安全爆破振速等措施，對下伏鐵路隧道的影響在安全可控范圍內。

（2）應限制爆破施工作業范圍，核心影響區（立交位置兩側125 m范圍內）嚴禁爆破施工，一般影響區（立交位置兩側125～185 m范圍內）可采用機械開挖與弱爆破相結合的方式施工。

（3）由于下伏鐵路隧道處于泥巖中，應做好排水設施，嚴格控制施工用水、地層滲水及運營階段排水，防止水體深入地層，浸泡泥巖，對下伏鐵路隧道造成影響。