張宇輝

(遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院)

鐵路隧道下穿高速公路匝道沉降分析

張宇輝

(遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院)

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，對(duì)交通運(yùn)輸運(yùn)力擴(kuò)大的需求越來(lái)越迫切，我國(guó)的公路、鐵路等交通工程到建設(shè)也逐漸進(jìn)入高潮。交通線路的大規(guī)模建設(shè)必然需要面對(duì)新建線路與既有線路交叉的問(wèn)題。其中，新建隧道穿越既有工程時(shí)對(duì)其產(chǎn)生的影響尤為突出。本文以金普鐵路三十里堡隧道下穿沈大高速公路匝道工程為依托，借助數(shù)值計(jì)算分析新建隧道對(duì)既有匝道產(chǎn)生的影響。

下穿;匝道;數(shù)值模擬;沉降

1 工程概況

大連市金州新區(qū)至普灣新區(qū)城際鐵路工程三十里堡鐵路隧道沿沈大高速公路東側(cè)鋪設(shè)，本項(xiàng)目在DK28+345～DK28+515處暗挖下穿沈大高速三十里堡互通式立交三處匝道，線路與匝道交叉點(diǎn)距三十里堡收費(fèi)站距離為200 m。本文摘取下穿點(diǎn)隧道拱頂覆蓋層最淺的C匝道進(jìn)行分析，下穿地段隧道穿越地層主要為粉質(zhì)粘土，局部存在砂層。匝道為5 m寬單行道，交角為95°，隧道結(jié)構(gòu)頂距匝道路面高度為7.2 m。隧道內(nèi)輪廓采用五心圓拱頂曲墻斷面，復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)，單孔結(jié)構(gòu)內(nèi)凈寬9.30 m，結(jié)構(gòu)內(nèi)凈高7.65 m，毛洞最大開(kāi)挖跨徑11.2 m。立交區(qū)匝道填料為山皮土，匝道邊坡坡率為1∶1.75。

2 主要參數(shù)

(1)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

隧道穿過(guò)Ⅵ級(jí)圍巖地區(qū)，對(duì)已有設(shè)計(jì)結(jié)果采用有限元程序分析驗(yàn)算，確保結(jié)構(gòu)安全經(jīng)濟(jì)，設(shè)計(jì)時(shí)綜合考慮各種因素，擬定隧道支護(hù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 三十里堡隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)表

超前支護(hù):拱部180度范圍采用雙排小導(dǎo)管超前支護(hù)并預(yù)注漿加固底層，規(guī)格為Φ42×3.25 mm(外徑×壁厚)的普通水煤氣花管，首排外插角度30°，環(huán)向間距300 mm，縱向布距2.0 m一環(huán)，長(zhǎng)3.5m，第二排外插角度15°，環(huán)向間距300 mm，縱向布距0.5 m一環(huán)，長(zhǎng)1.6 m，采用小導(dǎo)管注漿加固地層。在暗挖段兩個(gè)斷頭部分各5 m范圍內(nèi)，導(dǎo)管水平打入，首排和第二排環(huán)向間距300 mm，縱向布距5.0 m一環(huán)，長(zhǎng)6 m。

初期支護(hù)及二次襯砌背后采用二次壓漿。初期支護(hù)背后采用水泥漿液或水泥砂漿，注漿孔沿拱部及邊墻布設(shè)，環(huán)向間距:拱部2 m，邊墻3 m，縱向間距3 m，梅花形布置，注漿深度為初支背后0.5 m，注漿終壓0.5 MPa。防水板與內(nèi)襯結(jié)構(gòu)之間(拱部)應(yīng)采用后注漿處理，在灌注內(nèi)襯混凝土?xí)r，應(yīng)預(yù)埋注漿管，環(huán)向間距3 m，縱向間距5 m，按梅花形布置，漿液采用高強(qiáng)無(wú)收縮水泥漿液，注漿終壓0.2 MPa。

(2)力學(xué)參數(shù)

①巖土層力學(xué)計(jì)算參數(shù)

表2 計(jì)算用巖土層力學(xué)參數(shù)表

表3 計(jì)算用支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)表

3 施工過(guò)程模擬

3.1 計(jì)算模型

采用FLAC3D建立地層結(jié)構(gòu)模型，隧道走向與匝道走向按正交考慮，模型范圍沿隧道縱向40 m，匝道中線位于20 m處，路面距地表2.2 m;橫向73.2 m，隧道至邊界距離約是其洞徑的3倍，高約46m，隧道至下邊界距離約是其洞徑的3倍;車(chē)輛載荷按照12 kPa考慮。

圖1 平面位置關(guān)系(單位:m)

圖2 三維模型圖

3.2 計(jì)算原理

(1)有限單元法地層結(jié)構(gòu)材料的本構(gòu)關(guān)系及單元選取:各巖土層均采用彈塑性模型，三維實(shí)體單元，屈服準(zhǔn)則采用Mohr－Coulomb準(zhǔn)則;初期支護(hù)采用彈性模型，實(shí)體單元;臨時(shí)支撐采用彈性模型，殼單元。

(2)模型中將注漿及二次襯砌作為安全儲(chǔ)備，未將其加入模型中。

(3)初始地應(yīng)力的計(jì)算只考慮初始自重應(yīng)力，未考慮構(gòu)造應(yīng)力。

(4)根據(jù)結(jié)構(gòu)特性和計(jì)算精度要求劃分單元，模型劃分單元數(shù)量:28 746個(gè)。

3.3 計(jì)算過(guò)程

對(duì)隧道施工過(guò)程的模擬按照CRD法考慮，即按照隧道斷面左上部→左下部→右上部→右下部的順序?qū)ν馏w進(jìn)行開(kāi)挖，左上部與左下部臺(tái)階步距為4 m，左下部與右上部臺(tái)階布距為12 m，右上部與右下部臺(tái)階步距為4 m，每循環(huán)開(kāi)挖進(jìn)尺2 m，初期支護(hù)及臨時(shí)支撐滯后掌子面2個(gè)循環(huán)施做，二次襯砌均作為安全儲(chǔ)備，在整個(gè)計(jì)算過(guò)程中暫不考慮。

模型具體步序如下。

1－20:隧道左上臺(tái)階開(kāi)挖;

3－22:隧道左上臺(tái)階支護(hù)，隧道左上臺(tái)階架設(shè)臨時(shí)支撐;

3－22:隧道左下臺(tái)階開(kāi)挖;

5－24:隧道左下臺(tái)階支護(hù)，隧道左下臺(tái)階架設(shè)臨時(shí)支撐;

9－28:隧道右上臺(tái)階開(kāi)挖;

11－30:隧道右上臺(tái)階支護(hù)，隧道右上臺(tái)階架設(shè)臨時(shí)支撐;

13－32:隧道右下臺(tái)階開(kāi)挖;

15－34:隧道右下臺(tái)階支護(hù)。

3.4 計(jì)算結(jié)果及分析

隧道模型共設(shè)34施工步，模型計(jì)算模擬結(jié)果如下:

圖3 模型豎向位移云圖

圖4 路面沉降曲線圖

由模型豎向位移云圖可見(jiàn)，隧道施工明顯引起上方匝道及土層的沉降。對(duì)隧道軸線上方匝道路面中心點(diǎn)A點(diǎn)沉降變化繪制沉降曲線，如圖4所示，累計(jì)沉降量為17.87 mm，其中施工步0～5步，施工尚未對(duì)匝道產(chǎn)生明顯影響，累計(jì)沉降量?jī)H為0.2 mm;施工步5～10步，左上臺(tái)階施工至匝道下方，沉降量逐步增大，累計(jì)沉降量為1.7 mm;施工步10～15步，左上臺(tái)階與左下臺(tái)階相繼施工下穿匝道，沉降量明顯增大，累計(jì)沉降量達(dá)到11.44 mm;施工步15～30步，隧道左側(cè)上、下臺(tái)階已穿越匝道，右側(cè)上、下臺(tái)階相繼穿越匝道，沉降趨勢(shì)較前一階段雖有所放緩但沉降量增量仍較為明顯，累計(jì)沉降量為17.38 mm;施工步30～34步，各臺(tái)階掌子面都已遠(yuǎn)離匝道，匝道沉降趨于穩(wěn)定，累計(jì)沉降量為17.87 mm。

由各施工階段引起匝道沉降量變化結(jié)果可見(jiàn)，左上臺(tái)階下穿匝道時(shí)，由于原始地層受到施工擾動(dòng)，產(chǎn)生應(yīng)力釋放與重分配，導(dǎo)致上方匝道沉降量增加9.74 mm，占總沉降量的54.5%;右側(cè)臺(tái)階相繼穿過(guò)匝道時(shí)亦導(dǎo)致匝道沉降量增加5.94 mm，占總沉降量的33%。隧道下穿匝道施工過(guò)程中應(yīng)采取相應(yīng)工程措施以減小匝道的沉降量。

4 結(jié)語(yǔ)

借助數(shù)值模擬的方法，量化分析了隧道施工過(guò)程對(duì)上方匝道產(chǎn)生的影響，由分析結(jié)果可見(jiàn)施工前及施工過(guò)程中必須采取合理的工程措施控制匝道的沉降。針對(duì)本工程，建議在隧道下穿匝道施工前，可采取地面注漿等措施對(duì)地層預(yù)加固。

［1］ 關(guān)寶樹(shù).隧道工程施工要點(diǎn)集［M］.北京:人民交通出版社，2003.

［2］ 朱永平.隧道穩(wěn)定性位移判別準(zhǔn)則［J］.中國(guó)鐵道科學(xué)，2001，(6):81－84.

［3］ 韓煊，劉赪煒，Jamie R.Standing.隧道下穿既有線的案例分析與沉降分析方法［J］.土木工程學(xué)報(bào)，2012，(1):134－141.

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