淺埋平行隧道下穿鐵路施工工序及方案研究

張永貴

（重慶市城市建設(shè)發(fā)展有限公司，重慶 400010）

關(guān)鍵字：淺埋；平行隧道；有限元數(shù)值模型；淺埋暗挖；施工時(shí)序；施工方案

0 引言

城市立體交通網(wǎng)絡(luò)發(fā)展日新月異， 市政道路與鐵路在城市交通發(fā)展中相互促進(jìn)，同時(shí)又相互制約，城市市政道路采用隧道形式下穿既有鐵路是解決兩者平交道口問題行之有效的方法之一[1]。 考慮到城市市政道路路網(wǎng)的總體布局，下穿鐵路段的隧道多為淺埋平行暗挖隧道，隧道施工不可避免地會引起地表沉降，從而對既有鐵路造成不利影響。因此，分析施工過程中平行隧道自身安全，探尋地表沉降規(guī)律，研究有效的施工時(shí)序及方案[2-3]是保證隧道施工及既有鐵路正常運(yùn)營的必要手段。 以重慶市白市驛隧道項(xiàng)目為研究對象，采用有限元軟件MIDAS GTS，建立三孔平行隧道[4]下穿既有鐵路數(shù)值模型，通過調(diào)整施工時(shí)序及方案，綜合對比施工影響后得到合理的施工時(shí)序及方案，以期為類似工程提供參考。

1 工程概況

重慶市白市驛隧道項(xiàng)目是四橫線分流道穿越中梁山的重要控制性工程，起于快速路一縱線獅子口立交，往東穿越中梁山，止于內(nèi)環(huán)華巖立交，全長10.4km，為主城區(qū)中部重要的東西向快速通道。其作用和位置對重慶四橫線分流道乃至整個(gè)中部區(qū)域快速路網(wǎng)系統(tǒng)均起著舉足輕重的作用。

白市驛1 號隧道在道路設(shè)計(jì)里程ZK2+634.03～ZK2+792.19（YK2+624.82～YK2+815.00） 段下穿既有鐵路興絡(luò)線白市驛站北端咽喉區(qū)，隧道埋深約為12m，根據(jù)相關(guān)規(guī)范，主線隧道為淺埋隧道（圖1、圖2）。

圖1 白市驛1 號隧道與白市驛站北端咽喉區(qū)平面關(guān)系圖

圖2 白市驛1 號隧道與白市驛站北端咽喉區(qū)斷面圖

隧道主線及輔道B 線采用獨(dú)立單洞形式下穿鐵路道岔區(qū)域，隧道埋深約為13m，根據(jù)相關(guān)規(guī)范，主線隧道為淺埋隧道。

白市驛隧道左線與右線間最小凈距約為7m， 白市驛隧道右線與輔道B 線隧道間最小凈距約為12m。

由于隧道主線與輔道均為淺埋暗挖隧道[5-6]，且距離較近，為了探求隧道施工時(shí)序及施工方案下洞周圍巖變形及地表沉降規(guī)律，并提出合理的施工時(shí)序及施工方案， 故建立有限元數(shù)值模型進(jìn)行計(jì)算。

2 模型建立及計(jì)算

2.1 計(jì)算模型

采用有限元軟件MIDAS GTS，根據(jù)實(shí)際情況，對隧道開挖進(jìn)行施工過程模擬，基于圣維南理論，建立有限元模型，尺寸為129m×45m，計(jì)算模型如圖3 所示。

圖3 有限元模型

2.2 計(jì)算參數(shù)取值

根據(jù)地勘報(bào)告，并結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，計(jì)算參數(shù)選取如表1 所示。

表1 計(jì)算參數(shù)

2.3 巖土本構(gòu)關(guān)系及邊界條件

本次有限元計(jì)算中巖體力學(xué)模型采用理想彈塑性本構(gòu)關(guān)系，服從Mohr-Coulomb 屈服準(zhǔn)則。

計(jì)算過程中對模型底面進(jìn)行y 向位移約束， 側(cè)面對x 向約束位移，地面為自由面，施工過程中的開挖和結(jié)構(gòu)施工以單元的鈍化和激活來實(shí)現(xiàn)。

2.4 工況擬定

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，主線隧道施工主要考慮CD 法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，輔線隧道主要采用臺階法進(jìn)行開挖， 結(jié)合隧道施工工序與施工方案擬定六種計(jì)算工況，詳見表2。

2.5 計(jì)算結(jié)果分析

通過計(jì)算可得到隧道施工過程地表沉降及隧道變形結(jié)果， 位移云圖如圖4 所示。

通過對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行整理，可分別繪制出各工況中洞周位移與施工步序曲線關(guān)系圖（圖5）、地表沉降與開挖步序曲線關(guān)系圖（圖6）。

表2 計(jì)算工況擬定

圖4 隧道圍巖豎向位移云圖（mm）

圖5 洞周位移與開挖步序曲線關(guān)系圖

圖6 地表沉降與開挖步序曲線關(guān)系圖

由圖5、圖6 可知，隨著隧道開挖的進(jìn)行，隧道拱頂沉降與地表沉降均呈明顯增大趨勢， 各工況中拱頂沉降變化趨勢基本一致。

拱頂沉降主要受本洞室開挖控制。 根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，本洞室開挖引起的拱頂沉降約占拱頂總沉降的82%～88%， 這表明后行洞開挖會在一定程度上引起先行洞拱頂沉降， 施工后行洞時(shí)，應(yīng)保證同一斷面上的先行洞已完成襯砌結(jié)構(gòu)施作，從而降低后行洞施工對先行洞的影響。

各工況中隧道拱底最終隆起量差別較小，表明隧道拱底最終隆起量不受施工時(shí)序和施工方案影響，但施工過程中，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工對隧道拱底隆起的控制效果較CD 法顯著。

地表總沉降主要受主線隧道開挖控制，地表沉降值分兩階段增長，分別對應(yīng)主線左右洞的施工，輔線隧道開挖引起的地表沉降對地表總沉降貢獻(xiàn)較小，這是由于輔線隧道跨度較小，其開挖引起的一定范圍內(nèi)的地表沉降小于大跨度的主線隧道開挖引起的地表沉降。

主線隧道開挖引起的地表沉降約占地表總沉降的66%～68%，其沉降基本穩(wěn)定后，后行洞開挖會形成新的地表沉降對其進(jìn)行疊加，從而導(dǎo)致地表總沉降量增加，故主線隧道開挖時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制開挖進(jìn)尺，同時(shí)做好支護(hù)，對地表沉降進(jìn)行嚴(yán)格監(jiān)控。

相較CD 法，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法進(jìn)行隧道開挖，其引起的地表沉降與拱頂最終沉降均較小。 在擬定工況中，相同施工時(shí)序條件下，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工主線隧道引起的地表沉降（約為3.29mm、3.26mm、3.25mm）， 相 較 于 CD 法 （ 約 為 3.46mm、3.43mm、3.49mm），分別減小了約5%、5%、7%；雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工主線隧道引起的隧道拱頂沉降（約為5.16mm、5.15mm、5.13mm），相較于CD 法 （約為5.05mm、4.84mm、4.79mm）， 分別減小了約2%、6%、6%。 同時(shí)，工況六中地表最終沉降與拱頂最終沉降均為最小，分別約為3.25mm、4.79mm。

綜上，由于鐵路運(yùn)行對地表沉降控制較為嚴(yán)格，此處下穿鐵路的主線隧道應(yīng)考慮采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法進(jìn)行施工，施工時(shí)序應(yīng)為先開挖中間隧道，后開挖兩側(cè)隧道，以控制由隧道開挖引起的地表沉降，降低隧道本身的施工風(fēng)險(xiǎn)。

3 結(jié)語

針對重慶市白市驛隧道項(xiàng)目白市驛1 號隧道下穿既有鐵路，建立了有限元數(shù)值模型，根據(jù)施工時(shí)序及施工方案的不同，擬定了6 種工況，計(jì)算得出各工況中隧道施工引起的隧道周邊圍巖變形及地表沉降規(guī)律，結(jié)果表明：

（1） 拱頂沉降與地表沉降為淺埋平行隧道下穿鐵路的主要控制性指標(biāo)，施工時(shí)應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)對該指標(biāo)的監(jiān)控；

（2） 為了降低隧道施工對鐵路運(yùn)營的影響，控制拱頂沉降及地表沉降，應(yīng)采取雙側(cè)壁導(dǎo)坑法進(jìn)行主線隧道開挖，鑒于輔線隧道跨度較小，其開挖引起地表沉降較小，可考慮采用臺階法開挖；

（3） 淺埋三孔平行隧道下穿鐵路路基，應(yīng)首先考慮開挖中間隧道，以降低因隧道開挖時(shí)序產(chǎn)生的施工風(fēng)險(xiǎn)。