新建公路隧道上跨施工對既有鐵路隧道的影響研究

程 剛,張兆杰,羅晉明

(1.四川公路工程咨詢監理有限公司，四川成都 610041；2.四川省公路規劃勘察設計研究院有限公司，四川成都 610041；3.四川省軌道交通投資有限責任公司，四川成都 610213)

隨著我國交通基礎設施的快速發展，新建隧道上跨或下穿既有隧道的近接施工工程大量出現。由于隧道及地下工程近接施工中常常會改變既有結構物的受力狀態，威脅既有結構物安全，其新建隧道施工對既有隧道的影響研究是工程界研究的熱點。國內外關于隧道及地下工程近接施工的研究已經很多，取得了豐富的理論和實踐經驗，包括近接施工力學機理以及對策措施等[1-7]。然而，由于地下工程的特殊性使得沒有任何一種理論和或治理措施能夠適應地質條件的復雜多變。因此，依托具體工程實際，研究新建隧道施工對既有隧道的影響具有重要現實意義。

本文以巴中至萬源高速公路羊子嶺隧道上跨襄渝鐵路二線羊子嶺隧道工程為背景，對新建公路隧道上跨既有鐵路隧道的施工全過程進行了三維彈塑性數值分析，驗證了技術方案合理性，可為類似工程提供借鑒及參考。

1 工程概況

1.1 基本概況

新建巴中至萬源高速公路羊子嶺隧道位于四川省萬源市官渡鎮，設計為上下行分離式雙向四車道，左線長987 m，右線長974 m，設計速度80 km/h。隧道凈寬11.06 m，凈高7.15 m。

既有襄渝鐵路二線羊子嶺隧道長1435 m，設計速度160 km/h。隧道凈寬5.36 m，凈高6.67 m。隧道中部設置1座施工斜井，長度179 m。竣工后，斜井與正洞連接段及斜井洞口采取了M7.5漿砌片石封堵，厚度3 m。隧道于2009年9月建成通車。

受高速公路路線總體走向和地形地貌等條件控制，新建公路隧道與既有鐵路隧道交叉平面見圖1。新建公路隧道與既有鐵路隧道交叉關系見表1。表1中公、鐵路隧道間凈距是指公路隧道開挖輪廓仰拱底至鐵路隧道開挖輪廓拱頂間的距離。

圖1 隧道交叉平面布置

1.2 交叉段地質簡況

隧址區屬溶蝕侵蝕低、中山地貌。穿越地層巖性為三疊系中統雷口坡組鹽溶角礫巖，灰黃色～灰色，色較雜，礦物成分以方解石為主，巖屑、泥質等次之，礫斑鑲嵌狀結構，塊狀構造為主，礫石成分以灰巖、白云質灰巖、泥灰巖為主，膠結物以巖屑、泥質等為主，成分極雜。地下水以第四系松散堆積層孔隙水和碳酸鹽巖類裂隙溶洞水為主。不良地質主要為巖溶，以垂直發育為主，弱～中等發育。綜合評價交叉段公路隧道為Ⅴ級圍巖，鐵路隧道為Ⅳ級圍巖。

表1 新建公路隧道與既有鐵路隧道交叉關系

1.3 交叉段鐵路隧道支護參數

交叉段鐵路隧道采用Ⅳ級復合襯砌。襯砌斷面見圖2。初期支護為系統錨桿采用φ22 mm砂漿錨桿，單根長2.5 m，環縱間距為1 m。噴射混凝土采用C20混凝土，厚度0.1 m，拱墻鋪設φ8 mm鋼筋網，間排距為0.25 m。二次襯砌為全環C25素混凝土，厚0.3 m。

圖2 鐵路隧道Ⅳ級復合襯砌斷面(單位：cm)

1.4 交叉段公路隧道支護方案

根據新建隧道與既有隧道空間關系，綜合考慮地質并類比類似工程經驗，按照新建隧道施工對既有隧道的影響程度分段對新建隧道采取加強措施。新建隧道分段分為交叉段和相鄰段，其中，交叉段采取G5a型襯砌進行支護，交叉相鄰段采取Z5b型襯砌進行支護。加強襯砌支護段落見表2。G5a、Z5b型襯砌支護斷面如圖3、圖4所示。

表2 公路隧道交疊段加強支護措施

G5a型襯砌初期支護采用噴射C20混凝土厚度0.26 m，20號工字鋼鋼架間距0.6 m，系統錨桿采用3 m長φ22 mm藥卷錨桿，環向、縱向間距為1.2 m，梅花形布置，預留變形量12 cm，拱墻及仰拱二次襯砌采用C30鋼筋混凝土，厚度0.6 m。

圖3 公路隧道G5a型襯砌(單位：cm)

Z5b型襯砌初期支護采用噴射C20混凝土厚度0.24 m，18號工字鋼鋼架間距0.6 m，系統錨桿采用3 m長φ22 mm藥卷錨桿，環向、縱向間距為1.2 m，梅花形布置，預留變形量12 cm，拱墻及仰拱二次襯砌采用C30鋼筋混凝土，厚度0.5 m。

圖4 公路隧道Z5b型襯砌(單位：cm)

1.5 交叉段鐵路隧道斜井處理方案

羊子嶺鐵路隧道斜井功能僅為輔助施工，且在鐵路隧道竣工后在斜井與正洞連接段及斜井洞口采用3 m厚M7.5漿砌片石封堵。因此，鐵路隧道斜井與公路隧道交叉段及兩側約5 m范圍內采用C15混凝土回填。并且要求斜井回填應在公路隧道交疊段施工前完成。

2 有限元模型及參數

由于羊子嶺鐵路隧道斜井在交叉段施工前已要求采取C15混凝土回填處理，本次計算不考慮其對新建隧道的影響。

2.1 計算模型

新建公路隧道橫斷面內水平向右為X軸(橫向)正向，豎直向上為Y軸(豎向)正向，開挖方向為Z軸(縱向)負向。有限元模型計算范圍在公路隧道縱向(Z向)和鐵路隧道縱向分別取400 m，Y向向下取至鐵路隧道拱底以下45 m，向上取至地表。有限元模型的邊界除頂部為自由邊界外，其他側面與底面均為法向約束邊界。初始應力場按自重應力場考慮。圍巖和支護結構物理力學參數見表3，計算模型如圖5所示。圍巖按均質彈塑性材料考慮，采用德魯克-普拉格(D-P)[8]屈服準則進行分析，支護結構按彈性材料考慮。采用殼單元模擬初期支護，采用實體單元模擬圍巖。

表3 圍巖及支護結構物理力學參數

(a)隧道初期支護網格

(b)整體網格圖5 有限元模型及網格劃分

2.2 施工工序的模擬

既有鐵路隧道和新建公路隧道開挖方案均采取臺階法。施工過程通過如下施工步模擬：①形成自重應力場→②鐵路隧道上臺階開挖→③鐵路隧道上臺階初期支護→④鐵路隧道下臺階開挖→⑤鐵路隧道下臺階初期支護→⑥鐵路隧道二次襯砌→⑦公路隧道右洞上臺階開挖→⑧公路隧道右洞上臺階初期支護→⑨公路隧道右洞下臺階開挖→⑩公路隧道右洞下臺階初期支護→公路隧道左洞上臺階開挖→公路隧道左洞上臺階初期支護→公路隧道左洞下臺階開挖→公路隧道左洞下臺階初期支護→公路隧道二次襯砌。

在進行隧道施工開挖過程模擬計算時，采用ANSYS軟件的生死單元功能模擬隧道的開挖、初期支護和二次襯砌的施工，采用荷載釋放系數模擬洞周初始應力在空間和時間上的作用效應。荷載釋放系數按照JTG/T D70-2010《公路隧道設計細則》中表9.2.5選取，巖體開挖完成應力釋放40 %，其后兩步驟各釋放30 %。

3 數值模擬結果及分析

3.1 圍巖位移

公路隧道施工引起的圍巖豎直位移分布如圖6所示。

圖6 圍巖豎直位移分布(單位：m)

新建公路隧道施工引起的豎直位移對既有鐵路隧道的影響主要表現在兩個方面：一方面可能造成鐵路兩股鋼軌的相對高差超限；另一方面可能造成沿鐵路線路方向的豎向平順性超限。新建公路隧道上跨既有鐵路隧道施工時，軌道的前后高低不平順是控制既有鐵路安全運營的主要因素。(鐵運〔2006〕146號)《鐵路線路維修規則》對線路軌道靜態幾何尺寸容許偏差管理值的規定為：160 km/h≥vmax>120 km/h時，正線作業驗收時線路軌道高低靜態幾何尺寸容許偏差管理值為4 mm。

襄渝二線羊子嶺隧道已于2009年9月建成通車，可視為其周邊圍巖位移已經穩定。由圖6可知，施工過程中公路隧道最大沉降為4.62 mm，出現在左洞拱頂處；最大仰拱底反彈為6.56 mm，出現在左洞仰拱底處。施工過程中鐵路隧道最大豎直位移為1.60 mm，方向為豎直向上，出現在交疊段拱頂處；鐵路隧道仰拱底豎直位移為0.89 mm，方向為豎直向上。

施工過程中公路隧道和鐵路隧道周邊圍巖位移相對均較小，且鐵路隧道拱底豎直位移滿足鐵路線路軌道靜態幾何尺寸容許偏差。可知新建公路隧道采取的處理措施可以較好地控制新建公路隧道的位移及對既有鐵路隧道的影響。

3.2 圍巖應力

公路隧道施工完成后圍巖主應力分布如圖7和圖8所示。

由圖7可知，施工過程中圍巖最大第一主應力為-0.17 MPa，出現于公路隧道右洞仰拱底處，可知圍巖中未出現拉應力。

由圖8可知，施工過程中圍巖最大壓應力為2.8 MPa，出現在鐵路隧道拱腰處。最大壓應力遠小于中風化巖溶角礫巖單軸飽和抗壓強度14.9 MPa。可知施工過程中隧道周邊圍巖是穩定的。

圖7 圍巖第一主應力分布(單位：Pa)

圖8 圍巖第三主應力分布(單位：Pa)

3.3 圍巖塑性區

公路隧道施工完成后圍巖塑性區分布如圖9所示。

圖9 圍巖塑性區分布

由圖9可知，施工過程中圍巖僅拱腰處局部出現塑性區，可知施工過程中隧道周邊圍巖是穩定的。

3.4 鐵路隧道支護襯砌應力

鐵路隧道初期支護內力分布如圖10和圖11所示。鐵路隧道二次襯砌內力分布如圖12和圖13所示。

圖10 初期支護軸力分布(單位：N)

圖11 初期支護彎矩分布圖(單位：N·m)

根據圖10和圖11內力結果可驗算鐵路隧道初期支護安全度，初期支護安全系數最小值為3.19，可知鐵路隧道初期支護是安全的。

圖12 二次襯砌軸力分布圖(單位：N)

圖13 二次襯砌彎矩分布(單位：N·m)

根據圖12和圖13內力結果驗算鐵路隧道二次襯砌安全度，二次襯砌安全系數最小值為9.82，可知鐵路隧道二次襯砌是安全的。

4 施工驗證

目前，羊子嶺公路隧道施工已完工。新建公路隧道上跨既有鐵路隧道施工期間，公路隧道及既有鐵路隧道未出現塌方、支護變形開裂等安全問題，既有鐵路隧道正常運營。實踐證明，新建公路隧道上跨既有鐵路隧道方案是合理的。

5 結論

結合巴中至萬源高速公路羊子嶺隧道上跨襄渝鐵路二線羊子嶺隧道的地形地質條件，對新建公路隧道上跨既有鐵路隧道施工過程進行了三維彈塑性數值模擬，探討了施工過程中圍巖位移場、應力場及鐵路隧道支護襯砌內力的分布規律。研究表明：

(1)受新建公路隧道施工影響，鐵路隧道最大豎直位移為1.6 mm，方向為豎直向上，出現在交疊段拱頂處；鐵路隧道仰拱底豎直位移為0.89 mm，方向為豎直向上。鐵路隧道仰拱底豎直位移滿足鐵路線路軌道靜態幾何尺寸容許偏差。

(2)施工過程中鐵路隧道未出現拉應力，僅拱腰處局部出現塑性區，且最大壓應力遠小于中風化巖溶角礫巖單軸飽和抗壓強度，可知施工過程中隧道周邊圍巖是穩定的。

(3)鐵路隧道支護 襯砌安全度計算表明，初期支護安全系數最小值為3.19，二次襯砌安全系數最小值為9.82，可知施工過程中鐵路隧道是安全的。