間歇式頻繁振動影響下隧道開挖工法優化研究

楊新民

（中鐵十九局集團廣州工程有限公司 廣東廣州 510000）

1 引言

下穿既有鐵路隧道施工方法一直受到學者和工程技術人員的廣泛關注［1－3］。列車經過時產生的間歇式頻繁振動會對新建隧道支護結構和周邊圍巖的穩定性產生影響。同時，新建隧道也會導致鐵路底板發生沉降，影響鐵路的正常運行甚至發生安全事故［4－6］。

雷建海［7］利用數值模擬方法分析鄰近隧道采用CD法和臺階法下穿施工時對運營鐵路的影響和隧道圍巖及支護結構受力狀態，認為CD法較臺階法有更好的適應性。黃海斌［8］分析對比CD法、CRD法和雙側壁導坑法對隧道施工不同部位穩定性演變和運營鐵路隧道沉降變化，認為采用雙側壁導坑法公路隧道施工對既有鐵路隧道的沉降影響最小。

本文以石黔高速新建萬壽山隧道和滬蓉鐵路隧道斜交叉段為例，建立近距離間歇式頻繁復雜動荷載隧道斜交段數值模型，分析對比臺階法和CD法產生的位移及應力變化規律，以期對類似工程提供參考。

2 工程概況

2.1 石黔高速公路概況

根據重慶市高速公路骨架路網規劃，黔江至石柱高速公路屬于重慶市“三環十二射七聯線”中第二聯，梁平至黔江高速公路中的石柱至黔江段。項目起于石柱縣，經彭水止于渝湘高速公路黔江冊山立交。項目與墊利高速公路、渝湘高速公路交匯，是陜南、四川、重慶部分地區通往華南的主要轉換通道，是構建渝東南、川東及鄂西地區四通八達的高速公路網絡重要組成部分。其建設加強了區縣間的交通聯系，對于加快統籌城鄉戰略實施，促進區域經濟又好又快地發展，充分開發區域重要的礦產、能源、旅游、土地等資源都具有十分重要的戰略意義。路線通過重慶石柱、黔江規劃發展區，對于促進地方經濟發展、促進重慶城鄉統籌發展有重要意義［9－10］。

2.2 石黔高速萬壽山隧道概況

石黔高速萬壽山隧道左洞K1＋875～K4＋590，長2 715 m，右洞YK1＋833～YK4＋595，長2 762 m，設計線間凈距25 m，為分離式隧道。

石黔高速萬壽山隧道穿越石柱向斜南東翼，洞身地面山體穩定，分布地層主要為第四系崩坡積層、殘坡積層及侏羅系中統沙溪廟組，巖性為泥巖、砂巖。隧道圍巖級別為Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級，其中下穿滬蓉鐵路隧道區段為Ⅳ級圍巖。

萬壽山隧道下穿滬蓉鐵路于K3＋474～K3＋624、K3＋724～K3＋874、YK3＋494～YK3＋644、YK3＋744～YK3＋894段襯砌類型為S4b，備選開挖工法為上下臺階法和CD法。

2.3 下穿段滬蓉鐵路萬壽山隧道概況

滬蓉鐵路重慶北站至利川段，全長264.4 km，設計為國鐵Ⅰ級干線，雙線電力牽引，設計運行動車時速200 km，雙層集裝箱貨車時速160 km。于2008年12月29日開工，建設總工期5年，2013年12月28日正式開通運營。

下穿段滬蓉鐵路萬壽山隧道全長13 468 m，進口鐵路里程為K1460＋239，出口鐵路里程為K1473＋707，為雙線鐵路隧道，單面上坡，坡度為15.5%。石黔高速萬壽山隧道下穿段滬蓉鐵路萬壽山隧道在洞身標＋7754～＋8150、＋7704～＋7650段為Ⅲ級復合襯砌，＋7704～＋7754段為Ⅳ級復合襯砌。下穿段滬蓉鐵路隧道橫斷面不加寬［11－12］。

2.4 石黔高速萬壽山隧道下穿滬蓉鐵路交叉概況

石黔高速萬壽山隧道下穿滬蓉鐵路K1466＋973萬壽山隧道，交角約61°，交叉情況如下：

（1）石黔高速萬壽山隧道左線交叉樁號K3＋674.943（設計高程733.775 m），對應滬蓉鐵路樁號為K1468＋119（設計高程771.749 m），洞身標為＋7880；右線交叉樁號 YK3＋694.291（設計高程734.565 m），對應滬蓉鐵路樁號為K1468＋148（設計高程771.015 m），洞身標為＋7909。

（2）左線實際高差為37.906 m，右線實際高差為36.382 m。本項目隧道凈高為7.05 m，左線拱頂至鐵路設計標高高差為30.856 m，右線拱頂至鐵路設計標高高差為29.332 m。

平面位置關系見圖1，縱向交叉關系見圖2～圖3。

圖1 滬蓉鐵路與萬壽山隧道平面交叉關系

圖2 石黔高速公路左線交叉關系縱斷面

3 計算原則及數值模型構建

3.1 計算原則及參數

為了簡化模型及減少計算量，且滿足評估結論正確性要求，模型建立和分析計算遵循如下原則：

（1）石黔高速萬壽山隧道下穿滬蓉鐵路隧道施工期間不考慮地震作用。

（2）評估分析的前提是石黔高速萬壽山隧道施工處于正常良好控制的條件下。

（3）根據四川交大工程檢測咨詢有限公司關于《石黔高速萬壽山隧道與滬蓉鐵路K1466＋973萬壽山隧道交叉鐵路隧道質量調查檢測報告》（2016年6月）的結論，在下穿段滬蓉鐵路K1466＋973萬壽山隧道為Ⅲ級圍巖，采用Ⅲ級加強襯砌，隧道凈空尺寸未見侵入設計限界，滿足既有設計要求隧道凈空要求。二次襯砌強度推定值為30.1 MPa，滿足設計要求；襯砌僅在邊墻存在細小環向裂縫，長度小于5 m；隧道仰拱填充層厚度不足。因此既有鐵路隧道采用Ⅲ級加強襯砌斷面設計輪廓，計算中不考慮仰拱填充層，襯砌混凝土強度為C30。

3.2 模型構建

本文采用GTS NX進行數值模擬建模和計算分析，針對斜交區域圍巖段，結合地質超前預報和監控量測數據確定圍巖力學參數。巖土及工程材料參數設定如表1所示。

表1 巖體及工程材料力學參數

鐵路雙線隧道以及公路隧道依照施工設計，其斷面形式均為三心圓。數值計算模型上邊界取至鐵路隧道上方，模型前后及左右面邊界均采用水平約束，底邊界采用豎向約束，頂面為自由面。考慮列車動荷載及爆破荷載影響范圍生成單元模型，模型中鐵路隧道、新建公路隧道初期支護和二次襯砌均采用彈性單元模擬，圍巖地層采用彈塑性實體單元。其中，公路隧道長度240 m，鐵路隧道長度250 m。隧道位置關系及有限元模型如圖4、圖5所示。

圖4 隧道位置關系

圖5 有限元模型

4 計算結果對比分析

兩種開挖工法均采用機械開挖，不考慮爆破振動影響。臺階法開挖順序為：上臺階開挖a→下臺階開挖b，開挖10個循環，共計20個階段。CD法開挖順序為：右上開挖a→左上開挖b→右下開挖c→左下開挖d，開挖10個循環，共計40個階段。

4.1 變形分析

圖6為兩種工法開挖至最終階段的位移云圖。

圖6 最終階段位移云圖

從分布模式上看，上方滬蓉鐵路隧道最大沉降值多發生在與新建隧道斜交處底板（YK3＋694、K3＋675）附近，而新建萬壽山隧道的最大沉降值同樣多發生在兩隧道斜交拱頂處，說明上述部位為關鍵控制點。

圖7和圖8為新建隧道和鐵路隧道YK3＋694處軌面及K3＋675處軌面的最大沉降值隨開挖步序變化曲線（圖7中1-a代表第一個開挖循環上臺階開挖，圖8中3-c代表第三個開挖循環右上部分開挖）。

圖7 臺階法最大沉降值變化曲線

圖8 CD法最大沉降值變化曲線

可以看出，兩種開挖工法引起的最大沉降值變化規律相似，由于先開挖左洞，導致K3＋675處軌面沉降量變化較早，但兩洞均開挖完成后，YK3＋694和K3＋675處軌面最終沉降量相近。對比兩種工法，可以發現CD法引起的鐵路隧道沉降量要小于臺階法，臺階法開挖導致滬蓉底板YK3＋694和K3＋675兩處分別產生累計沉降3.06 mm、2.88 mm；CD法開挖導致滬蓉鐵路隧道底板YK3＋694和K3＋675兩處分別產生累計沉降2.32 mm、2.19 mm。對新建萬壽山隧道而言，CD法同樣優于臺階法，最大沉降值CD法為8.89 mm，臺階法為12.26 mm。

4.2 應力分析

圖9為兩種工法開挖至最終階段的最大主應力云圖。

圖9 最終階段最大主應力云圖

可以看出，兩種工法主應力分布多發生在隧道頂部和底部圍巖附近，由開挖卸荷和列車移動荷載所導致。臺階法產生的應力較大，最大值為3.19 MPa；CD法周邊圍巖最大主應力在隧道底部達到最大，最大值為2.50 MPa。由此可見，從應力角度來看，CD法優于臺階法。

5 結論和建議

5.1 結論

以萬壽山公路隧道與滬蓉鐵路隧道斜交叉段下方公路隧道開挖工程為背景，構建近距離間歇式頻繁復雜動荷載隧道斜交段數值模型，從變形和應力分布角度分析對比臺階法和CD法兩種開挖工法，得出以下結論：

從變形角度，臺階法和CD法兩種工法引起的位移變化規律相似，最大沉降值多發生在鐵路隧道與新建隧道斜交處。對既有鐵路隧道和新建公路隧道而言，采用CD法開挖引起的變形值小于臺階法。從應力角度，兩種工法產生的最大主應力在隧道底部達到最大，CD法開挖引起的最大主應力值小于臺階法。

因此，綜合考慮兩種工法引起的變形和應力，建議在萬壽山公路隧道與滬蓉鐵路隧道斜交叉段采用CD法施工。

5.2 建議

（1）加強現場監控量測

根據四川交大工程檢測咨詢有限公司關于《石黔高速萬壽山隧道與滬蓉鐵路K1466＋973萬壽山隧道交叉鐵路隧道質量調查檢測報告》，隧道在交叉段存在襯砌邊墻環向裂縫、仰拱填充層厚度不足等缺陷，且通過數值模擬及理論分析，可知石黔高速萬壽山隧道下穿滬蓉鐵路施工會對滬蓉鐵路隧道產生一定程度的影響，但為保證鐵路運營安全，在隧道下穿段施工時應在鐵路隧道交叉點前后各35 m范圍加強滬蓉鐵路隧道沉降、應變及裂縫變化的監控量測，同時應對下穿段高速公路隧道加強監控量測。

（2）加強爆破振動測試

依據現行《鐵路安全管理條例》第三十四條，在鐵路線路兩側從事采礦、采石或者爆破作業，應當遵守有關采礦和民用爆破的法律法規，符合國家標準、行業標準和鐵路安全保護要求。在鐵路線路路堤坡腳、路塹坡頂、鐵路橋梁外側起向外各1 000 m范圍內，以及在鐵路隧道上方中心線兩側各1 000 m范圍內，確需從事露天采礦、采石或者爆破作業的，應當與鐵路運輸企業協商一致，依照有關法律法規報縣級以上地方人民政府有關部門批準，采取安全防護措施后方可進行。

建議石黔高速萬壽山隧道下穿滬蓉鐵路隧道段施工，距離交叉點前后各200 m范圍采用非爆破開挖，在200～1 000 m范圍，采用控制爆破，爆破振速≤2 cm／s。可根據具體爆破作業方案，對隧道爆破施工范圍與鐵路運輸企業協商一致后確定，但爆破作業應避開列車運營時間段。現場施工時，應對既有結構物開展爆破振動測試，及時反饋測試成果，優化爆破設計方案，嚴格按設計爆破振動速度執行。

（3）加強管理

石黔高速萬壽山隧道下穿滬蓉鐵路段施工，應加強內部管理，做好下穿段隧道超前支護及初期支護工作，仰拱及時閉合成環。

綜上，根據本文結論和建議，并嚴格按照設計方案執行，可以確保滬蓉鐵路隧道在石黔高速萬壽山隧道施工過程中的安全。