畢 可 為

(沈陽(yáng)鐵道勘察設(shè)計(jì)院有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110013)

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長(zhǎng)距離下穿高速公路地鐵隧道對(duì)高速公路的影響

畢 可 為

(沈陽(yáng)鐵道勘察設(shè)計(jì)院有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110013)

介紹了沈陽(yáng)地鐵10號(hào)線長(zhǎng)距離下穿繞城高速公路工程的基本情況與設(shè)計(jì)方案，并采用三維數(shù)值計(jì)算模型，從公路路基沉降與匝道橋樁變形兩方面，分析了礦山法下穿施工對(duì)高速公路的影響，得出了一些有價(jià)值的結(jié)論。

地鐵，高速公路，路基，橋樁，沉降值

0 引言

隨著我國(guó)軌道交通的快速發(fā)展，新建隧道下穿既有高速公路的情況時(shí)有發(fā)生。尤其新建隧道穿越距離較長(zhǎng)，影響范圍較廣時(shí)，除工程自身結(jié)構(gòu)的安全風(fēng)險(xiǎn)外，所穿越的既有高速公路的變形控制是施工過(guò)程當(dāng)中的控制重點(diǎn)[1-3]。

對(duì)于新建隧道下穿鄰近建(構(gòu))筑物的施工影響，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量研究，王明慧等[5]以重慶至貴陽(yáng)鐵路擴(kuò)能改造工程白楊灣隧道下穿高速公路為例，從開(kāi)挖方法選擇、施工技術(shù)應(yīng)用等方面論述了施工過(guò)程中采取的相應(yīng)對(duì)策與技術(shù)措施；王洪昌等[4]為解決大西客運(yùn)專(zhuān)線忻州隧道下穿大運(yùn)高速公路時(shí)可能引發(fā)的路面沉降及結(jié)構(gòu)安全問(wèn)題，采用三維數(shù)值模擬手段研究了工法中不同設(shè)計(jì)參數(shù)及施工對(duì)地面沉降的影響；郭磊等[6]以草帽山隧道工程為背景，采用數(shù)值模擬的方式，對(duì)鐵路隧道下穿高速公路時(shí)對(duì)高速公路的影響進(jìn)行了研究；雖得出了很多有意義的結(jié)論，但是對(duì)于地鐵隧道長(zhǎng)距離下穿高速公路的研究工作還不多見(jiàn)。本文以沈陽(yáng)地鐵10號(hào)線下穿沈陽(yáng)繞城高速公路為工程背景，研究隧道施工過(guò)程中對(duì)高速公路路基及橋樁的變形影響。

1 工程概況

1.1 工程基本情況

沈陽(yáng)繞城高速公路是環(huán)繞遼寧省沈陽(yáng)市的一條高速公路，道路寬約30 m，雙向六車(chē)道。在建沈陽(yáng)地鐵10號(hào)線工程丁香湖停車(chē)場(chǎng)出入線自丁香公園站起，線路首先沿沈馬公路西側(cè)敷設(shè)，后右轉(zhuǎn)向北先后下穿沈馬公路、沈彰高速B匝道、繞城高速公路北環(huán)、沈彰高速A匝道，后向北方向繼續(xù)敷設(shè)至丁香湖停車(chē)場(chǎng)，區(qū)間左線側(cè)穿B匝道橋，最小水平凈距為13 m，該處橋梁為預(yù)應(yīng)力空心板簡(jiǎn)支橋，基礎(chǔ)形式為樁基礎(chǔ)，橋樁長(zhǎng)15 m,樁徑1 m。區(qū)間右線側(cè)穿A匝道橋，最小水平凈距為12.7 m，A匝道橋?yàn)樯蛘酶咚俟愤B續(xù)梁橋，A29號(hào)橋臺(tái)，基礎(chǔ)形式為樁基礎(chǔ)，樁長(zhǎng)35 m，樁徑1 m。

1.2 工程地質(zhì)

根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，下穿區(qū)間范圍內(nèi)地基土主要由第四系全新統(tǒng)人工堆積層、全新統(tǒng)渾河高漫灘及古河道、第四系渾河新扇、上更新統(tǒng)渾河老扇及第四系波狀臺(tái)地粘性土、砂類(lèi)土、碎石類(lèi)土組成。下穿繞城高速段地層自上而下特性具體描述見(jiàn)表1。

下穿區(qū)間范圍內(nèi)有兩層地下水，上層地下水主要賦存于礫砂層中，屬孔隙潛水含水層，水位埋深約14.5 m～15.5 m；下層地下水主要賦存于第四系渾河粗砂層、礫砂層，屬孔隙承壓水，水位埋深為4.90 m～9.50 m；地下水徑流條件良好，除粉質(zhì)粘土和粉土外，含水層滲透性強(qiáng)。

表1 區(qū)間下穿繞城高速段地層描述表

1.3 擬定下穿段設(shè)計(jì)方案

考慮到沈陽(yáng)繞城高速公路交通繁忙，車(chē)流量較大，車(chē)型復(fù)雜，對(duì)于路基沉降及橋樁變形要求較高，為保障下穿段既有高速公路的安全運(yùn)營(yíng)，針對(duì)本工程的實(shí)際情況，對(duì)以下幾個(gè)方面進(jìn)行了重點(diǎn)設(shè)計(jì)。

1)超前加固措施：超前支護(hù)采用拱頂120°范圍雙排小導(dǎo)管超前注漿并加固地層，第一排小導(dǎo)管長(zhǎng)L=1.8 m，環(huán)向間距30 cm，傾角15°，第二排小導(dǎo)管長(zhǎng)L=3.0 m，環(huán)向間距30 cm，傾角20°。

2)初期支護(hù)：初支采用φ6.5@15 cm×15 cm鋼筋網(wǎng)、縱距0.5 m的φ25格柵鋼拱架及25 cm厚C25噴射混凝土。為減少初支封閉時(shí)間，初期支護(hù)增設(shè)臨時(shí)仰拱，二襯為35 cm厚C40，P10防水混凝土。

3)旋噴隔離樁：側(cè)穿A，B匝道橋樁采用區(qū)間結(jié)構(gòu)與橋樁之間打設(shè)旋噴隔離樁，旋噴樁加固沿線路橋樁位前后各6 m范圍，其中旋噴樁施工不占用A，B匝道路面，不影響路面交通，采用垂直旋噴加固。

4)施工方法：礦山法下穿繞城高速段采用環(huán)形臺(tái)階法施工，首先施作拱部超前小導(dǎo)管，注漿加固地層，接著開(kāi)挖土體，施作初期支護(hù)，再敷設(shè)仰拱部分防水層，澆筑二襯，最后敷設(shè)側(cè)墻及頂拱防水層并澆筑二襯，完成主體結(jié)構(gòu)。

上述施工方案及設(shè)計(jì)參數(shù)是否合理、能否有效保障沈陽(yáng)繞城高速公路運(yùn)營(yíng)安全將是重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容。因此，采用數(shù)值模擬手段對(duì)隧道下穿高速公路段路基及橋樁安全性分析是很有必要的。

2 數(shù)值模擬

2.1 模型建立

采用MIDAS/GTS數(shù)值分析軟件對(duì)區(qū)間下穿繞城高速段進(jìn)行三維施工數(shù)值模擬，有限元計(jì)算模型的范圍確定為140 m×290 m×50 m，包括繞城高速公路路基、A匝道路基、B匝道路基，以及出入線左右線區(qū)間。模型上表面邊界取自地表(地表高差變化較小，簡(jiǎn)化為水平面)，下表面邊界取自隧道底部以下約30 m，模型邊界處隧道開(kāi)挖面距A，B匝道路基最近約50 m。有限元模型共84 251個(gè)單元，15 261個(gè)節(jié)點(diǎn)。模型的上表面為地表，取為自由邊界；側(cè)面邊界水平位移受到約束，底面邊界約束所有位移自由度，如圖1所示。

2.2 參數(shù)取值

土層計(jì)算參數(shù)為現(xiàn)場(chǎng)地勘參數(shù)確定，地基各土層采用彈塑性D-P模型，隧道及周邊圍巖、注漿加固區(qū)域采用了實(shí)體單元進(jìn)行模擬，初期支護(hù)和掌子面噴混采用板單元進(jìn)行模擬，橋樁采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，鎖腳錨桿采用桁架單元進(jìn)行模擬。其中，注漿加固效果通過(guò)提高圍巖參數(shù)來(lái)進(jìn)行模擬。具體材料計(jì)算參數(shù)值見(jiàn)表2。

表2 材料計(jì)算參數(shù)

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 高速路基沉降分析

經(jīng)過(guò)MIDAS/GTS求解，計(jì)算系統(tǒng)達(dá)到平衡后，得到土體及路基豎向沉降，計(jì)算結(jié)果如圖2所示。沿路基縱向中心線，提取其沉降值，得到路基縱向沉降槽曲線，路基縱向沉降槽曲線如圖3所示。由圖3可知，隧道開(kāi)挖引起上方地表及高速公路路基的沉降，其中繞城高速公路主線路基最大沉降值為10.5 mm，A匝道路基最大沉降值為13.3 mm，B匝道路基最大沉降值為9.8 mm。從圖3中可以看出，左右線隧道兩側(cè)路基沉降基本對(duì)稱(chēng)，最大沉降發(fā)生在左右線隧道中間。

以左線上臺(tái)階掌子面掘進(jìn)情況為時(shí)間參考，繪制沉降曲線如圖4所示，圖4中左線上臺(tái)階掌子面距高速公路路基的距離：負(fù)值指隧道掌子面到達(dá)構(gòu)筑物之前，正值指隧道掌子面通過(guò)構(gòu)筑物后。

由圖4可以看出，在左線隧道上臺(tái)階掌子面距路基20 m時(shí)，主要沉降開(kāi)始發(fā)生，在左線隧道掌子面位于路基正下方時(shí)，路基發(fā)生3.5 mm～5.7 mm的豎向沉降，隨著左線隧道下臺(tái)階的開(kāi)挖，以及右線暗挖隧道的掘進(jìn)，路基沉降逐漸增大，在左線隧道上臺(tái)階掌子面遠(yuǎn)離路基40 m時(shí)(此時(shí)右線隧道上臺(tái)階掌子面遠(yuǎn)離路基20 m)，路基沉降基本穩(wěn)定。比較A匝道，B匝道和繞城高速公路三者的路基沉降值，A匝道的沉降最大，這主要是因?yàn)樗淼琅cA匝道交角較小，隧道在匝道下方暗挖距離較長(zhǎng)，對(duì)上方匝道路基影響較大進(jìn)而引起路基較大沉降。

3.2 A，B匝道橋樁變形分析

下穿隧道距B匝道路基西側(cè)橋樁最近距離約為13.0 m，距A匝道路基東側(cè)橋樁最近距離約為12.7 m，分別對(duì)A，B匝道在打設(shè)旋噴樁下進(jìn)行橋樁的變形分析。

計(jì)算結(jié)果表明：隧道開(kāi)挖引起其鄰近側(cè)的橋樁位移及變形較大，其中A匝道的橋樁最大側(cè)向位移約為2.6 mm，最大豎向沉降約為3.0 mm，最大差異沉降約為2.1 mm；B匝道的橋樁最大側(cè)向位移約為3.0 mm，最大豎向沉降約為3.4 mm，最大差異沉降約為1.9 mm。

3.3 路基及橋樁安全評(píng)價(jià)

丁香湖停車(chē)場(chǎng)出入線正線下穿B匝道、繞城高速路基段以及A匝道段施工時(shí)，經(jīng)模擬仿真分析計(jì)算，繞城高速公路主線路基最大沉降值為11.8 mm，A匝道路基最大沉降值為14.4 mm，B匝道路基最大沉降值為11.0 mm，隧道開(kāi)挖引起A匝道橋樁最大豎向沉降約為3.0 mm，最大差異沉降約為2.1 mm，最大側(cè)向位移約為2.6 mm；B匝道橋樁最大豎向沉降約為3.4 mm，最大差異沉降約為1.9 mm，最大側(cè)向位移約為3.0 mm。結(jié)合JTG H20—2007公路技術(shù)狀態(tài)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)[7],JTG H11—2004公路橋涵養(yǎng)護(hù)規(guī)范[8]的規(guī)定，及國(guó)內(nèi)類(lèi)似工程案例，路基沉降數(shù)值小于最大沉降控制標(biāo)準(zhǔn)20 mm，橋樁總沉降、差異沉降和水平側(cè)向位移均遠(yuǎn)小于安全控制值，可判定高速公路路基處于安全狀態(tài)，隧道暗挖施工不影響其正常使用。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于地鐵隧道長(zhǎng)距離下穿既有高速公路施工，既要考慮隧道本身的施工安全，又要考慮高速公路路基沉降及橋樁變形帶來(lái)的交通安全隱患，所以選擇合理的施工方案及保護(hù)措施是安全施工的關(guān)鍵。依據(jù)本文中采取的保護(hù)措施可將高速路基及匝道橋樁的變形控制在允許范圍內(nèi)，保證地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu)施工安全，可供同類(lèi)工程施工借鑒。

[1] 王 成,林森斌.淺埋土質(zhì)大斷面隧道下穿高速公路變形控制技術(shù)研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2013(8):105-108.

[2] 王 志,杜守繼,張文波,等.淺埋鐵路隧道下穿高速公路施工沉降分析[J].地下空間與工學(xué)報(bào),2009(3):531-535，572.

[3] 金 淮,吳鋒波,馬雪梅,等.首都國(guó)際機(jī)場(chǎng)線下穿機(jī)場(chǎng)高速公路變形特性研究[J].工程勘察,2010(10):61-66.

[4] 王洪昌,馬志富,曾 青,等.忻州隧道下穿大運(yùn)高速公路技術(shù)方案研究[J].隧道建設(shè),2014(11):1082-1086.

[5] 王明慧,李 敢,李大平.渝黔鐵路白楊灣隧道下穿高速公路綜合施工技術(shù)[J].鐵道建筑,2015(3):80-83.

[6] 郭 磊,帖卉霞,周 欽.下穿高速公路鐵路隧道對(duì)高速公路的影響研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2010(5):94-96.

[7] JTG H20—2007，公路技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)[S].

[8] JTG H11—2004，公路橋涵養(yǎng)護(hù)規(guī)范[S].

Research on the influence of long distance subway tunnel on expressway

Bi Kewei

(ShenyangRailwaySurveyandDesignInstituteCompanyLimited,Shenyang110013,China)

This paper introduced the basic situation and design scheme of Shenyang subway No.10 line long distance underneath pass ring highway engineering, and using 3D numerical calculation model, from the highway roadbed settlement and ramp bridge pile two aspects, analyzed the influence of mining method underneath pass construction to highway, obtained some valuable conclusions.

subway, highway, roadbed, bridge pile, settlement value

1009-6825(2017)06-0177-03

2016-12-08

畢可為(1985- )，男，碩士，工程師

U455

A