劉松濤，張國(guó)安，楊秀竹，石鈺鋒，雷金山

(1.中交第四公路工程有限公司，北京 100025;2.南寧鐵路局湘桂鐵路指揮部，廣西 柳州 500016;3.中南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410075)

上軟下硬地層鐵路隧道下穿既有高速公路施工方法研究＊

劉松濤1，張國(guó)安2，楊秀竹3，石鈺鋒3，雷金山3

(1.中交第四公路工程有限公司，北京 100025;2.南寧鐵路局湘桂鐵路指揮部，廣西 柳州 500016;3.中南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410075)

石頭崗隧道下穿衡昆高速公路，洞身上部為膨脹土，下部為灰?guī)r，呈上軟下硬特點(diǎn)，不僅施工風(fēng)險(xiǎn)大，且施工困難。為此采用數(shù)值分析手段對(duì)上軟下硬地層隧道下穿高速公路施工方法進(jìn)行研究。研究結(jié)果表明:上軟下硬地層隧道采用上部中隔墻法施工，在降低施工風(fēng)險(xiǎn)、保證施工安全的同時(shí)，能加快施工進(jìn)度，可供類似工程借鑒。

上軟下硬;下穿高速公路;數(shù)值分析;施工方法

隧道下穿高速公路是隧道建設(shè)中的技術(shù)難點(diǎn)之一，因施工不當(dāng)引起的高速公路大變形甚至坍塌，將會(huì)導(dǎo)致巨大的經(jīng)濟(jì)損失和不良社會(huì)影響。鑒于上覆高速公路運(yùn)營(yíng)及安全需要，對(duì)下穿高速公路隧道的預(yù)支護(hù)措施及開(kāi)挖方法多有研究。陽(yáng)軍生等［1，2］等對(duì)某下穿公路隧道采用雙層管棚預(yù)加固效果及機(jī)理進(jìn)行了深入研究;趙紀(jì)平等對(duì)下穿高速常采用的雙側(cè)壁法、CRD法、CD法、中導(dǎo)洞法等施工方法進(jìn)行了比選論證及相關(guān)技術(shù)總結(jié)［3－6］。也有上軟下硬等復(fù)合地層隧道施工方法和技術(shù)的研究［7］，但針對(duì)上軟下硬地層隧道下穿高速公路施工方法的研究則未見(jiàn)報(bào)道。

本文以湘桂鐵路石頭崗隧道為依托，采用數(shù)值模擬手段對(duì)可能選用的幾種開(kāi)挖方法進(jìn)行對(duì)比研究，并結(jié)合實(shí)際施工結(jié)果，可知上部中隔墻法是上軟下硬地層鐵路隧道下穿既有高速公路的最優(yōu)施工方案，類似工程中可推廣應(yīng)用。

1 工程概況

石頭崗隧道起訖里程為DK214+920～DK215+200，全長(zhǎng) 280 m。該隧道于 DK214+975～DK215+060段下穿衡昆高速公路，穿越段共85 m。下穿段拱頂埋深約6～8 m，隧道中線與高速公路中心線夾角為41°，隧道與公路位置關(guān)系見(jiàn)圖1所示。隧道地層上層為膨脹土，下層為灰?guī)r，呈上軟下硬特點(diǎn)，如圖2所示。線路等級(jí)為Ⅰ級(jí)、雙線，全隧均為Ⅴ級(jí)圍巖［8］。

圖1 隧道與高速公路空間位置圖Fig.1 Space location of tunnel and expressway

圖2 下穿高速段地質(zhì)縱斷面圖Fig.2 Geological profile of the section where tunnel crosses under expressway

路隧相交處公路里程K198+200，該段采用四車(chē)道高速公路標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)行車(chē)速度100 km/h，路基寬度26 m，路面寬度11.25 m×2，采用混凝土路面，抗裂性較瀝青路面差。要保證高速公路的正常運(yùn)營(yíng)使用，勢(shì)必對(duì)路面沉降控制提出較高要求，為此該段設(shè)計(jì)從以下幾個(gè)方面加以考慮。首先考慮超前預(yù)加固，采用跟管鉆進(jìn)Φ159大管棚及內(nèi)插Φ60中管棚超前支護(hù)，采用完整的85 m的長(zhǎng)管棚穿過(guò)整個(gè)高速公路，管棚示意圖如圖3所示;其次上部軟巖區(qū)初支采用Ⅴ級(jí)B型加強(qiáng)復(fù)合式襯砌，雙層型鋼鋼架加強(qiáng)支護(hù)(外層拱部Ⅰ25鋼架，內(nèi)層全環(huán)Ⅰ20鋼架)及系統(tǒng)錨桿支護(hù)，如圖4所示;最后開(kāi)挖方法上采用弧形導(dǎo)坑預(yù)留核心土法進(jìn)行開(kāi)挖，根據(jù)工程類比法可知，該方法基本能保證隧道穩(wěn)定及公路變形要求，但實(shí)際施工中，因工作面較多，作業(yè)面狹小，無(wú)法進(jìn)行大型機(jī)械作業(yè)，嚴(yán)重影響施工進(jìn)度。為此需在保證隧道施工安全及公路正常運(yùn)營(yíng)的前提下，尋找一個(gè)能加快施工速度，節(jié)約成本的開(kāi)挖方法。

2 施工方法比選

針對(duì)上述問(wèn)題，擬采用數(shù)值分析手段對(duì)該隧道施工方法進(jìn)行研究。

2.1 計(jì)算工況

根據(jù)面臨的問(wèn)題，制定如下的計(jì)算工況:在下穿衡昆高速段選取DK215+030為計(jì)算斷面，考慮交通荷載，對(duì)弧形導(dǎo)坑預(yù)留核心土法、上部中隔墻法、三臺(tái)階法進(jìn)行模擬對(duì)比分析，3種方法開(kāi)挖示意圖見(jiàn)表1所示。

2.2 模型建立

根據(jù)所選取的斷面，采用FLAC2D［9］數(shù)值軟件進(jìn)行平面分析，為消除邊界影響，從隧道中心線向兩側(cè)各取55 m，模型沿X方向共取110 m，Y方向由路面向下取60 m。土體采用實(shí)體單元模擬，平面模擬中管棚加固效果折算成圍巖參數(shù)提高，其中提高參數(shù)根據(jù)剛度折算及經(jīng)驗(yàn)綜合選取，初支及二襯都采用襯砌單元模擬，計(jì)算網(wǎng)格及約束邊界如圖5所示。

圖3 大管棚導(dǎo)管構(gòu)造示意圖及現(xiàn)場(chǎng)施作Fig.3 Pipe constructional detail of pipeshed and construction at the site

圖4 隧道斷面襯砌及開(kāi)挖流程設(shè)計(jì)圖Fig.4 Tunnel lining profile and excavation process design

圖5 計(jì)算網(wǎng)格及邊界約束圖Fig.5 Calculation mesh and boundary constraint

計(jì)算中開(kāi)挖模擬步驟如表1中所列開(kāi)挖步驟進(jìn)行。

表1 計(jì)算工況表Table 1 Calculation conditions

2.3 材料參數(shù)及車(chē)輛荷載確定

模擬中巖土體物理力學(xué)材料參數(shù)以地質(zhì)鉆孔勘察報(bào)告［8］為依據(jù)，管棚加固區(qū)按照類比取值，參數(shù)具體選取見(jiàn)表2。

模擬中，型鋼拱架通過(guò)等效法考慮，根據(jù)抗壓剛度相等的原則，將鋼架的彈性模量折算給混凝土。

靜力模擬情況下，將車(chē)輛荷載簡(jiǎn)化為靜力均布荷載作用在路面上，高速公路汽車(chē)活載按公路Ⅰ級(jí)考慮［10］，車(chē)道荷載的均布荷載標(biāo)準(zhǔn)值qk=10.5 kN/m。

2.4 模擬結(jié)果分析

2.4.1 各工況隧道變形與受力分析

圖6為上述3種工況下隧道開(kāi)挖引起的圍巖最終位移等值線圖，圖中可知臺(tái)階法引起的圍巖的變形較大，最大沉降達(dá)5.1 cm，難以滿足公路變形要求，故不能采用三臺(tái)階法開(kāi)挖。在大管棚預(yù)加固基礎(chǔ)上，原設(shè)計(jì)的弧形導(dǎo)坑法施工引起最大沉降22.5 mm，而上部中隔墻法引起的最大沉降值較之稍大，最大值達(dá)23.7 mm，增大約1%，可認(rèn)為2種開(kāi)挖方法對(duì)圍巖影響擾動(dòng)相當(dāng)。

圖7為3種工況下隧道初支的彎矩圖，3種工況隧道初支彎矩規(guī)律不相同，彎矩最大值分別為55.69，66.24 和 41.46 kN·m。臺(tái)階法施工隧道襯砌彎矩最小，工況二引起的彎矩較工況一大，但3種開(kāi)挖方法引起的初支內(nèi)力均遠(yuǎn)小于初期支護(hù)極限抗彎強(qiáng)度 1 560 kN·m［11］。

表2 各地層及支護(hù)主要物理參數(shù)Table 2 Main physical parameters of different layers and support

圖6 圍巖沉降等值線圖Fig.6 Settlement isoline of surrounding rock

圖7 各工況彎矩圖Fig.7 Bending moment of different excavation method

綜上分析可知，圍巖變形控制是淺埋下穿高速公路的關(guān)鍵，為此對(duì)3種工況下各開(kāi)挖步引起圍巖變形進(jìn)行詳細(xì)分析，見(jiàn)圖8所示。由圖可知，3種工況下第一步開(kāi)挖引起的沉降占總沉降的51%～79%，因此施工期間應(yīng)特別注意第一開(kāi)挖，開(kāi)挖完成后及時(shí)架立拱架?chē)娚浠炷?，保證鎖腳錨管的施工質(zhì)量。另外不難發(fā)現(xiàn)上軟下硬地層隧道變形受力規(guī)律，圍巖變形及初支受力主要集中在上部軟巖區(qū)域，下部硬巖圍巖變形及初支受力都很小。因此施工中下部軟巖區(qū)域開(kāi)挖進(jìn)尺可較上部軟巖區(qū)適當(dāng)增大，但是仍應(yīng)控制下部圍巖爆破對(duì)隧道的影響，控制爆破是上軟下硬隧道的又一關(guān)鍵。

對(duì)上述3種工況計(jì)算，得圍巖變形擾動(dòng)情況與襯砌受力對(duì)比見(jiàn)表3。

從圖表中不難看出，上軟下硬地層鐵路隧道下穿既有高速公路時(shí)，采用雙層大管棚預(yù)支護(hù)后，開(kāi)挖方法一對(duì)圍巖擾動(dòng)最小，開(kāi)挖方法二次之，臺(tái)階法施工難以滿足高速公路沉降要求，而開(kāi)挖方法一、二對(duì)地層影響相當(dāng)。

2.4.2 施工方法評(píng)價(jià)與選擇

通過(guò)對(duì)3種開(kāi)挖方法的數(shù)值模擬及分析可知，理論上講，采用雙層大管棚預(yù)支護(hù)后，三臺(tái)階法引起地層沉降較大，施工存在較大風(fēng)險(xiǎn)，該隧道不能采用該方法施工?；⌒螌?dǎo)坑預(yù)留核心土法、上部中隔墻法均能保證隧道穩(wěn)定及安全，保證高速公路沉降在可控范圍內(nèi)。

表3 各工況計(jì)算結(jié)果對(duì)比表Table 3 Results comparison of different calculation conditions

圖8 各工況拱頂沉降隨開(kāi)挖步變化曲線Fig.8 Vault settlement changing curves along with the excavation step of different excavation method

但是弧形導(dǎo)坑預(yù)留核心土法工作面太多，作業(yè)面狹小，施工相互干擾大，存在指揮協(xié)調(diào)上的困難，且無(wú)法進(jìn)行機(jī)械作業(yè)，嚴(yán)重影響施工進(jìn)度。采用上部中隔墻法能有效的克服該問(wèn)題，大大簡(jiǎn)化了開(kāi)挖步驟及施工組織管理難度，增大了作業(yè)面，上部軟巖開(kāi)挖可采用小型機(jī)械，加快施工進(jìn)度。針對(duì)該下穿既有高速公路隧道上軟下硬的特點(diǎn)，選用上部中隔墻法可有效控制地層沉降和隧道穩(wěn)定的同時(shí)，可加快隧道施工速度，為該隧道的最優(yōu)施工方法。

該隧道實(shí)際施工采用上臺(tái)階中隔墻法，既保證了隧道的施工安全及穩(wěn)定性，較好地控制了高速公路路面沉降(最大沉降基本控制在3～8 cm以內(nèi))，又降低了施工難度，加快了施工速度(正常開(kāi)挖期間達(dá)0.5 m/d)，充分說(shuō)明上部中隔墻法在上軟下硬地層隧道中的有效性及優(yōu)越性。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)上軟下硬地層鐵路隧道下穿既有高速公路時(shí)，采用雙層大管棚預(yù)支護(hù)后，弧形導(dǎo)坑預(yù)留核心土法對(duì)圍巖擾動(dòng)最小，上部中隔墻法次之，臺(tái)階法施工不能滿足高速公路沉降要求，而開(kāi)挖方法一、二對(duì)地層影響相當(dāng)。

(2)上部中隔墻法可采用小型機(jī)械開(kāi)挖，加快施工速度，實(shí)際施工采用該方法順利下穿高速公路。

(3)理論及實(shí)踐證明，類似上軟下硬地層隧道，采用上部臺(tái)階法可實(shí)現(xiàn)安全、快速、經(jīng)濟(jì)的目標(biāo)，是最合理的施工方法，具有推廣價(jià)值。

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Study on the construction method of railway tunnel crossing under expressway and built in upper soft and lower hard stratum

LIU Song-tao1，ZHANG Guo-an2，YANG Xiu-zhu3，SHI Yu-feng3，LEI Jin-shan3

(1.The fifth Highway Engineering Bureau of China Communications Construction Company Limited，Beijing 100025，China;2.Headquarters of Hunan and Guangxi Railway of Nanning Railway Administration，Liuzhou 500016，China;3.School of Civil Engineering，Central South University，Changsha 410075，China)

The Shitougang Tunnel crosses under the highway from Hengyang to Kunming.The tunnel was excavated mainly in upper expansive soil and lower limestone.The construction was very hard and adventurous because of the upper soft and lower hard stratum and the highway lyingabove.In this paper，Construction method for railway tunnel crossing under expressway in upper soft and lower hard stratum was studied by numerical analysis method.It is indicated that partition method in the upper soil can not only reduce construction risk，but also accelerate the construction progress.

upper soft and lower hard stratum;cross under expressway;numerical analysis;construction method

U455.4

A

1672－7029(2011)05－0035－05

2011－03－08

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51108462);湖南省工業(yè)支撐科技計(jì)劃項(xiàng)目(2011GK3217);南寧鐵路局湘桂鐵路科技創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目

劉松濤(1972－)，男，湖南益陽(yáng)人，工程師，從事土木工程技術(shù)、管理與研究工作

楊秀竹(1972－)，女，山東萊州人，副教授，從事隧道與地下工程教學(xué)與科研工作