鐵路隧道小凈距上跨既有隧道的施工及影響分析

程 寧

（中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430063）

0 引言

近年來，隨著我國交通基礎(chǔ)設(shè)施投資的進(jìn)一步加大，許多山區(qū)城市道路交通條件得到進(jìn)一步改善。由于山區(qū)城市地形條件限制，適宜位置逐步被各項(xiàng)目建設(shè)使用，后續(xù)項(xiàng)目不可避免地與其產(chǎn)生空間交叉，隧道交叉的形式也較為普遍。受地形地質(zhì)、空間距離、開挖斷面規(guī)模和施工方法、爆破振動(dòng)等影響，小凈距隧道施工相互影響較為復(fù)雜，對(duì)建設(shè)各方都提出了較高的技術(shù)和管理要求。

眾多學(xué)者和技術(shù)人員對(duì)小凈距山嶺隧道上跨施工進(jìn)行了研究。徐慧芬等[1]通過理論分析和數(shù)值模擬研究了雙向四車道高速公路隧道上跨既有鐵路隧道施工的爆破和開挖影響。王威[2]通過數(shù)值仿真結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，分析了交叉中隔壁法施工的大斷面隧道小凈距上跨既有盾構(gòu)隧道的多個(gè)施工方案，并給出了優(yōu)化建議。然而，小凈距山嶺隧道上跨近接施工十分復(fù)雜，有必要對(duì)其施工過程進(jìn)行針對(duì)性研究，分析其影響規(guī)律，更好地指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)和施工。本文以衢麗鐵路大荒田隧道上跨西竹玉公路市口隧道為工程依托，使用數(shù)值分析工具對(duì)山嶺隧道小凈距上跨既有隧道的施工工法可行性和對(duì)既有隧道的影響進(jìn)行分析。

1 工程概況

新建衢麗鐵路松陽至麗水段大荒田隧道全長(zhǎng)1414m，設(shè)計(jì)為時(shí)速200km客貨共線單洞雙線鐵路隧道。西竹玉公路市口隧道全長(zhǎng)528m，設(shè)計(jì)為時(shí)速60km單洞兩車道隧道，公路等級(jí)為二級(jí)。大荒田隧道于DK4+964上跨市口隧道，公路隧道里程K7+354，公路與鐵路大里程方向平面交角123°，交叉段鐵路軌面標(biāo)高178.695m，公路路面設(shè)計(jì)標(biāo)高163.614m，結(jié)構(gòu)凈距4.491m，平面位置關(guān)系見圖1（a）所示，橫斷面位置關(guān)系見圖1（b）所示。

圖1 新建大荒田隧道上跨市口隧道位置關(guān)系圖

交叉段洞身圍巖為微風(fēng)化凝灰?guī)r，埋深約65m，巖質(zhì)較堅(jiān)硬～堅(jiān)硬，巖體較完整，節(jié)理裂隙不發(fā)育，節(jié)理面以陡傾角為主，少量緩傾角節(jié)理分布，結(jié)合好，巖體呈塊狀-塊碎狀鑲嵌結(jié)構(gòu)，地下水不發(fā)育，圍巖等級(jí)為Ⅲ級(jí)。綜合考慮小凈距隧道的空間位置關(guān)系、施工和運(yùn)營(yíng)期影響，鐵路隧道采用曲墻帶底板結(jié)構(gòu)，公路隧道采用雙層初支加鋼筋混凝土襯砌結(jié)構(gòu)。

2 小凈距山嶺隧道上跨施工精細(xì)化數(shù)值模擬

小凈距上跨施工將使得圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)特性發(fā)生復(fù)雜變化，因此有必要對(duì)施工工法的可行性和對(duì)既有隧道的影響規(guī)律進(jìn)行分析，對(duì)小凈距上跨隧道的設(shè)計(jì)方案和施工有重要意義。本文使用GTS NX對(duì)小凈距上跨隧道施工開展數(shù)值模擬，分析不同工法、不同進(jìn)尺工況下上跨隧道施工對(duì)既有公路隧道的影響。

2.1 模型建立

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)和各方研究，選取交叉點(diǎn)隧道前后各100m、頂部至地表、底部向下60m作為模型范圍，計(jì)算模型見圖2（a）和圖2（b）所示，模型四周和底部采用法向約束，上部為自由面。

圖2 小凈距山嶺隧道上跨模型圖

圍巖采用摩爾—庫倫實(shí)體單元、支護(hù)結(jié)構(gòu)采用彈性實(shí)體單元，支護(hù)結(jié)構(gòu)通過按照施工階段修改單元屬性實(shí)現(xiàn)。物理力學(xué)參數(shù)參考規(guī)范見表1所示。

表1 模型物理力學(xué)參數(shù)

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，鐵路隧道在Ⅲ級(jí)圍巖地段一般采用全斷面法和臺(tái)階法施工，模型模擬了全斷面法和臺(tái)階法施工進(jìn)尺1m、2m、4m共計(jì)6種工況。

2.2 既有公路隧道變形分析

2.2.1 縱向變形分析

不同工況下既有公路隧道拱頂?shù)目v向變形特征如圖3（a）所示，從圖中可以看出不同工況下縱向變形特征基本一致，呈單駝峰彎曲形狀；影響范圍基本在K7+325～K7+380之間的55m范圍內(nèi)；整體上看縱向變形受工況影響程度是全斷面進(jìn)尺4m＞全斷面進(jìn)尺2m＞兩臺(tái)階進(jìn)尺4m＞全斷面進(jìn)尺1m＞兩臺(tái)階進(jìn)尺2m＞兩臺(tái)階進(jìn)尺1m。

圖3 公路隧道縱向變形

臺(tái)階法施工進(jìn)尺1m工況下既有公路隧道拱頂?shù)目v向變形特征如圖3（b）所示，從圖中可以看出，隨著鐵路隧道的施工，公路隧道縱向變形特征基本一致，呈單駝峰彎曲形狀；隨施工進(jìn)行，公路隧道拱頂沉降變形逐漸增大，最大值位于交叉點(diǎn)附近為2.61mm；在掌子面施工至交叉點(diǎn)13m（鐵路隧道一倍洞徑）時(shí)，公路隧道變形不顯著；在掌子面施工至交叉點(diǎn)時(shí)，拱頂沉降值達(dá)到0.90mm；在掌子面施工至遠(yuǎn)離交叉點(diǎn)13m時(shí)，拱頂沉降值達(dá)到2.42mm；在鐵路施工完成后，達(dá)到最大值；可以看出在交叉點(diǎn)前后的13m 范圍內(nèi)的鐵路隧道施工對(duì)公路隧道拱頂沉降影響較大。

2.2.2 交叉斷面拱頂變形分析

選取交叉里程 K7+354處公路隧道襯砌拱頂作為觀察點(diǎn)，不同工況下其沉降變形隨掌子面與交叉點(diǎn)距離變化的關(guān)系如圖4所示。

圖4 公路隧道K7+354斷面拱頂沉降變形

從圖中可以看出拱頂沉降變形隨施工的進(jìn)行不斷增加；在距離掌子面-13～13m變化較大，基本是鐵路隧道一倍洞徑；在距離交叉點(diǎn)-13m時(shí)，產(chǎn)生的沉降變形較小，但變化率大；在施工至交叉點(diǎn)過程中，迅速發(fā)展；在遠(yuǎn)離交叉點(diǎn)13m時(shí)，基本達(dá)到最大值；全斷面法施工進(jìn)尺4m時(shí)沉降最大值為4.94mm，臺(tái)階法施工進(jìn)尺1m時(shí)沉降最大值為2.61mm，其他工況位于兩者之間；受工況影響程度與縱向變形分析一致。

2.3 既有公路隧道應(yīng)力分析

選取交叉里程K7+354處公路隧道襯砌左側(cè)墻中心、右側(cè)墻中心、拱頂和仰拱中心作為觀察點(diǎn)，臺(tái)階法施工進(jìn)尺1m工況下，最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力隨掌子面與交叉點(diǎn)距離變化的關(guān)系如圖5所示。從圖中可以看出，最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力在施工至距離掌子面-10～10m范圍內(nèi)變化較大；仰拱中心點(diǎn)為逐漸減小；左側(cè)墻和右側(cè)墻中心點(diǎn)為逐步增大；拱頂先增加后減小，但最終基本與施工前保持一致。施工完成后各點(diǎn)最大主應(yīng)力：拱頂-0.07MPa、左側(cè)墻-0.65MPa、右側(cè)墻-0.73MPa、仰拱中心0.89MPa；最小主應(yīng)力：拱頂-3.75MPa、左側(cè)墻-7.12MPa、右側(cè)墻-7.27MPa、仰拱中心-3.09MPa。

圖5 公路隧道K7+354斷面應(yīng)力

3 施工爆破影響分析

根據(jù)現(xiàn)有研究成果，當(dāng)小凈距隧道處于中硬巖及以上時(shí)，除需要考慮新建隧道開挖引起的圍巖應(yīng)力重分布造成的既有隧道變形問題之外，爆破施工引起的振動(dòng)影響也需要考慮[3]。根據(jù)《爆破安全規(guī)程》[4]規(guī)定當(dāng)保護(hù)對(duì)象類別是“交通隧道”時(shí)，振動(dòng)速度要求為10～20cm∕s。隧道爆破頻率一般小于20Hz，考慮到公路隧道建成時(shí)間較新且使用雙層初支和鋼筋混凝土襯砌進(jìn)行了加強(qiáng)支護(hù)，確定振動(dòng)速度要求為15cm∕s。

爆破振動(dòng)速度按照式（1）進(jìn)行計(jì)算：

式中：

V——振動(dòng)速度，cm∕s；

K、α——系數(shù)；

Q——最大單段裝藥量，kg；

R——震源至監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離，m。

一般鐵路隧道爆破施工Ⅲ級(jí)掏槽眼單孔裝藥量3.6kg；本項(xiàng)目鐵路隧道和公路隧道結(jié)構(gòu)凈距最小為4.491m；交叉段洞身圍巖為微風(fēng)化凝灰?guī)r，K取50，α取1.5；計(jì)算得到振動(dòng)速度10cm∕s，小于振動(dòng)速度要求15cm∕s。

4 結(jié)束語

對(duì)新建衢麗鐵路大荒田隧道小凈距上跨西竹玉公路市口隧道施工進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，得到以下結(jié)論：

（1）鐵路隧道采用臺(tái)階法和全斷面法施工，在進(jìn)尺1m、2m和4m的工況下引起的公路隧道沉降變形都小于5mm；

（2）從對(duì)公路隧道沉降變形影響上看，K7+325～K7+380之間的55m范圍受影響較大；

（3）從施工過程上看，在施工至距離交叉點(diǎn)前后13m范圍內(nèi)引起的沉降變形變化較大，在交叉點(diǎn)前后10m應(yīng)力變化較大；

（4）從施工爆破分析上看，在交叉點(diǎn)最小間距時(shí)，爆破振動(dòng)速度滿足要求。