Study on Impact of Expressway Expansion on High-speed Railway Tunnel Below

何保輝（河南省弘陽高速公路有限公司，河南三門峽　472000）

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高速公路擴(kuò)建對(duì)下方高速鐵路隧道的影響研究

Study on Impact of Expressway Expansion on High-speed Railway Tunnel Below

何保輝
（河南省弘陽高速公路有限公司，河南三門峽472000）

摘要：該文以連霍高速公路洛陽至三門峽段擴(kuò)建工程通過鄭西高鐵閿鄉(xiāng)隧道上方為背景，對(duì)高速公路擴(kuò)建施工對(duì)下方既有高鐵隧道的影響進(jìn)行了監(jiān)測(cè)分析。監(jiān)測(cè)項(xiàng)目分為變形和應(yīng)力兩類，限于高鐵隧道的運(yùn)營(yíng)管理要求，完成了無線遠(yuǎn)程應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研制和應(yīng)用工作。通過監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)分析，發(fā)現(xiàn)高速公路擴(kuò)建施工過程中隧道襯砌結(jié)構(gòu)的變形及受力特點(diǎn)，保證高速公路擴(kuò)建和高速鐵路隧道的安全，指導(dǎo)擴(kuò)建施工，為類似條件下工程的設(shè)計(jì)、施工提供借鑒。

關(guān)鍵詞：高速鐵路隧道；公路擴(kuò)建；近接施工；監(jiān)控量測(cè)

Abstract:Based on the expansion project of Lian-Huo highway above Wenxiang tunnel of Zhengzhou to Xi'an high-speed railway, the impact of expressway expansion on the tunnel below is monitored and analyzed. The monitoring contains deformation and stress. For the limitation of high-speed railway tunnel operation，the development and application of wireless monitoring system for tunnel stress are done. By analyzing the monitoring data in real time, the deformation and stress characteristics of tunnel liner structure are obtained during the highway expansion. The safety of highway expansion engineering and railway tunnel has been guaranteed. The study can provide some references for similar engineering design and construction.

Keywords:high-speed railway tunnel; highway expansion; proximity construction; monitoring and measurement

0　引言

江蘇連云港至新疆霍爾果斯高速公路，簡(jiǎn)稱連霍高速公路。連霍高速是橫貫中國(guó)大陸東、中、西部的交通大動(dòng)脈，全長(zhǎng)4395km，途經(jīng)6省，是中國(guó)建設(shè)的最長(zhǎng)的橫向快速陸上交通通道，將成為中國(guó)高速公路網(wǎng)的橫向骨干。近些年連霍高速公路部分路段由四車道變?yōu)榘塑嚨?，?duì)緩解連霍高速公路通行壓力、提升高速公路路網(wǎng)服務(wù)能力、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)區(qū)戰(zhàn)略實(shí)施均具有十分重要的意義。

本文結(jié)合連霍高速公路洛陽至三門峽段上跨閿鄉(xiāng)隧道擴(kuò)建工程[1]對(duì)施工過程前后隧道結(jié)構(gòu)變形和受力變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)，為施工作業(yè)安排與施工進(jìn)度提供依據(jù)。工程中高速公路擴(kuò)建上跨大斷面高鐵隧道工程并不多見，但是隨著交通的發(fā)展，以后肯定會(huì)出現(xiàn)類似的工程[2-7]，本文可為類似工程的設(shè)計(jì)和施工提供參考。

1　工程概況及施工工況

1.1工程概況

連霍高速公路洛陽至三門峽段改擴(kuò)建工程沿途經(jīng)過河南省洛陽市、新安縣、澠池縣、義馬市、三門峽市、靈寶市等多個(gè)重要縣市，路線全長(zhǎng)194.890km。其中，三靈段全長(zhǎng)70.10km。洛三高速公路改擴(kuò)建工程采用山嶺重丘區(qū)雙向八車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)速度100km/h。上跨閿鄉(xiāng)隧道K868+690-K868+800段改擴(kuò)建工程采用北側(cè)整體式加寬方式，新建單側(cè)整體式路基寬度為19.5m，加寬部分橋涵設(shè)計(jì)荷載為公路Ⅰ級(jí)，以路基方式跨越鄭西客運(yùn)專線閿鄉(xiāng)隧道，本段路基為挖方路段，路面頂面與隧道頂面高差為11～13m左右。為避免路基、路面施工對(duì)閿鄉(xiāng)隧道的影響，路基開挖完成后，依次鋪筑15cm厚C15素混凝土墊層、100cm厚的鋼筋混凝土板、100cm厚三七灰土墊層、76cm厚的路面結(jié)構(gòu)。

圖1　連霍高速公路擴(kuò)建部分與鄭西客專閿鄉(xiāng)隧道交叉示意圖（單位：m）

閿鄉(xiāng)隧道設(shè)計(jì)為雙線鐵路隧道，設(shè)計(jì)速度350km/h，里程DK298+ 440至DK299+ 210，全長(zhǎng)770m。隧道DK298+758-DK299+020下穿連霍高速公路段（未擴(kuò)建），隧道與公路平面交角為15°34’12”，立交段隧道覆蓋層僅11m。連霍高速公路擴(kuò)建部分與鄭西客專閿鄉(xiāng)隧道交叉示意圖如圖1所示。

針對(duì)該工程，鐵路部門提出了橋跨方案，但不能被公路部門所接受；隧道原設(shè)計(jì)單位提出了洞內(nèi)套襯加固方案，不能被鐵路和公路部門接受。如何安全快速地通過該段落成為影響擴(kuò)建工程通車時(shí)間的關(guān)鍵問題。針對(duì)該問題，召開了通過方案專家評(píng)審會(huì)，在院士的指導(dǎo)下確定了梁板式防護(hù)方案，但必須在施工和運(yùn)營(yíng)過程中采用監(jiān)控手段對(duì)兩者的相互影響進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

1.2現(xiàn)場(chǎng)施工

表1　施工工況

2　現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方案

根據(jù)既有隧道上方近接施工特點(diǎn)和高速公路擴(kuò)建施工方案，在隧道內(nèi)部共布設(shè)6個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，監(jiān)測(cè)主要內(nèi)容包含軌道沉降監(jiān)測(cè)、隧道收斂監(jiān)測(cè)和隧道應(yīng)變監(jiān)測(cè)。

2.1監(jiān)測(cè)儀器及項(xiàng)目

水平收斂監(jiān)測(cè)儀器采用SWJ-Ⅳ型收斂計(jì)，精度為0.01mm。軌道沉降監(jiān)測(cè)采用自動(dòng)安平水準(zhǔn)儀、測(cè)微器和精密水準(zhǔn)尺，精度為0.1mm。隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測(cè)采用振弦式應(yīng)變片（圖2），由應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)采集箱（圖3）包含采集、處理和發(fā)送數(shù)據(jù)的功能，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)可以直接把數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器上。

圖2　振弦式應(yīng)變片

圖3　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

2.2監(jiān)測(cè)斷面布置

根據(jù)上方公路與隧道相對(duì)位置，初步判定施工對(duì)隧道影響強(qiáng)弱，并依此設(shè)置監(jiān)測(cè)斷面位置。在隧道內(nèi)部共布設(shè)6個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，監(jiān)測(cè)斷面里程見表2所示。每個(gè)斷面布置水平收斂監(jiān)測(cè)點(diǎn)、軌道沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)和應(yīng)變片，各個(gè)測(cè)點(diǎn)布置位置如圖4所示。

表2　結(jié)構(gòu)內(nèi)力監(jiān)測(cè)斷面

圖4　監(jiān)控量測(cè)測(cè)點(diǎn)布置圖

應(yīng)力監(jiān)測(cè)斷面內(nèi)測(cè)點(diǎn)布置如圖4所示，測(cè)點(diǎn)1-7為環(huán)向應(yīng)變片，測(cè)點(diǎn)8-10為縱向應(yīng)變片。

品，就是產(chǎn)品。一定要把產(chǎn)品做好。沒有好產(chǎn)品，即使累死員工，銷售額也難增長(zhǎng)。范國(guó)防說，曾經(jīng)有一次和褚時(shí)健交流，褚時(shí)健和他聊了很多，尤其在最后褚時(shí)健說了一句話讓他很震撼：“一定要把產(chǎn)品做好！”

3　監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

隧道監(jiān)測(cè)從11月高速公路擴(kuò)建施工開始。本文重點(diǎn)以軌道沉降監(jiān)測(cè)、隧道收斂監(jiān)測(cè)和隧道應(yīng)變監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析。

3.1軌道沉降結(jié)果分析

結(jié)合軌道監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，以B線和斷面2為例分別作出縱向及橫向軌道沉降隨施工過程變化曲線分別如圖5和圖6所示。

圖5　B線軌道沉降曲線

從圖5和圖6中可以看出，監(jiān)測(cè)過程中軌道沉降呈現(xiàn)不斷波動(dòng)的變化規(guī)律，未隨地表擴(kuò)建工程的施工而變化，其量值在-0.15～0.25mm，沉降很小。說明隧道上方的高速公路擴(kuò)建施工對(duì)軌道沉降的影響小，即采用梁板式防護(hù)方案能夠保證軌道的安全。

3.2隧道收斂結(jié)果分析

不同監(jiān)測(cè)斷面處的隧道結(jié)構(gòu)收斂變化曲線如圖7所示。

圖7　各個(gè)斷面收斂曲線圖

從圖7中可以得出，擴(kuò)建工程開挖卸載導(dǎo)致隧道發(fā)生向內(nèi)的收斂變形，且距中心斷面越近變化量越大，該過程中隧道拱頂處正彎矩不斷減小，甚至向負(fù)彎矩轉(zhuǎn)變；開始施工鋼筋混凝土板時(shí)隧道收斂值先增大后減小，是因?yàn)榇藭r(shí)開挖達(dá)到最大挖方狀態(tài)，最大值1.6mm，此時(shí)為施工過程的最不利狀態(tài)，之后施作混凝土板屬于加載過程，使隧道拱頂部位正彎矩不斷增加；擴(kuò)建施工完成后，收斂值繼續(xù)增加并逐漸開始穩(wěn)定。綜上所述，擴(kuò)建工程的挖填方對(duì)于隧道結(jié)構(gòu)的收斂變形有所影響，但其量值很小，不影響隧道的使用限界。

3.3應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

二襯結(jié)構(gòu)應(yīng)力由監(jiān)測(cè)的應(yīng)變和實(shí)測(cè)的彈性模量計(jì)算得到。因?yàn)槭歉哞F運(yùn)營(yíng)隧道，所以只能以襯砌表面應(yīng)力作為評(píng)判依據(jù)。每隔3天取一數(shù)據(jù)樣本，畫出斷面2在路基施工階段的應(yīng)力變化曲線，如圖8所示。不同工序完成后斷面2的應(yīng)力圖如圖9所示。

圖8　斷面2應(yīng)力變化曲線

圖9　各個(gè)工序完成后斷面2應(yīng)力變化圖

由圖8和圖9可以看出，隧道上部土體開挖后，拱部隧道內(nèi)側(cè)表面受到壓應(yīng)力，邊墻受到拉應(yīng)力。在施工公路兩側(cè)條形基礎(chǔ)時(shí)，土體應(yīng)力得到進(jìn)一步釋放，隧道所受應(yīng)力增加。在施工鋼筋混凝土板時(shí)，隧道上方土體受壓，隧道表面應(yīng)力趨于穩(wěn)定，并有減小趨勢(shì)。擴(kuò)建工程在覆土及碾壓時(shí)，斷面2各點(diǎn)的表面應(yīng)力明顯減小。應(yīng)力量測(cè)結(jié)果一方面較好的吻合了隧道收斂變形量測(cè)的結(jié)果，可以用無線實(shí)時(shí)的遠(yuǎn)程應(yīng)力監(jiān)測(cè)代替隧道內(nèi)的變形監(jiān)測(cè)；另一方面其量值不大，最大壓（拉）應(yīng)力為1.19MPa（0.623MPa），不會(huì)對(duì)高鐵隧道產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性影響。

4　結(jié)論

（1）施工監(jiān)測(cè)的成果表明，連霍高速擴(kuò)建工程采用梁板式防護(hù)方案通過閿鄉(xiāng)隧道上方，能夠保證擴(kuò)建工程和高鐵隧道兩者的安全，對(duì)于類似工程具有借鑒意義。

（2）收斂變形和結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測(cè)均表明，挖方量最大狀態(tài)為施工過程的最不利狀態(tài)。伴隨著擴(kuò)建工程挖方卸載和填筑加載過程，高鐵隧道拱頂表現(xiàn)出正彎矩先減小后增大的趨勢(shì)。

（3）無線實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)能夠滿足既有高鐵隧道的運(yùn)營(yíng)監(jiān)測(cè)要求，其監(jiān)測(cè)結(jié)果與洞內(nèi)收斂監(jiān)測(cè)趨勢(shì)一致，可以在后續(xù)監(jiān)測(cè)工程中推廣。

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責(zé)任編輯：孫蘇，李紅

施工經(jīng)驗(yàn)

做屋面莫忘隔離層

屋面施工時(shí)千萬不要忘記做防水隔離層。

防水隔離層又稱脫離層，一般設(shè)置在防水層與剛性保護(hù)層之間，主要有兩個(gè)作用。

（1）屋面防水層表面的剛性保護(hù)層通常使用40 mm厚C20細(xì)石配筋混凝土，通常會(huì)產(chǎn)生熱脹冷縮變形，如果防水層與剛性保護(hù)層粘結(jié)很牢固，剛性保護(hù)層變形時(shí)會(huì)牽動(dòng)防水層一起變形，這會(huì)使屋面防水層產(chǎn)生直接拉裂或長(zhǎng)期疲勞破壞。

（2）屋面防水層上其他構(gòu)造層施工時(shí)，有可能軋破防水層，適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)是必要的。

怎樣做好屋面防水層的隔離層呢?

滿足防水設(shè)計(jì)要求時(shí)，最好選用表面帶錫箔的防水卷材，如果防水卷材表面錫箔完好，可以替代隔離層。

使用干鋪油氈一道。

使用厚質(zhì)塑料薄膜一道。

不宜使用紙筋灰或低強(qiáng)度等級(jí)砂漿，因施工時(shí)運(yùn)輸小車易損害防水層，且防滑性能不理想。

所以，為了減少防水層與其他層次之間的粘結(jié)和摩擦力，消除或減少其他層次的變形對(duì)防水層的影響，保證屋面的使用年限和功能，做屋面時(shí)莫忘隔離層。

作者簡(jiǎn)介：何保輝（1975-），男，河南封丘人，本科，高級(jí)工程師，主要從事高速公路建設(shè)項(xiàng)目管理工作。

收稿日期：2016-01-09

doi：10.3969／j.issn.1671-9107.2016.03.047

中圖分類號(hào)：[TU997]

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-9107（2016）03-0047-04