楊新民

（中鐵十九局集團(tuán)廣州工程有限公司 廣東廣州 510000）

1 引言

下穿既有鐵路隧道施工方法一直受到學(xué)者和工程技術(shù)人員的廣泛關(guān)注［1－3］。列車經(jīng)過(guò)時(shí)產(chǎn)生的間歇式頻繁振動(dòng)會(huì)對(duì)新建隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)和周邊圍巖的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。同時(shí)，新建隧道也會(huì)導(dǎo)致鐵路底板發(fā)生沉降，影響鐵路的正常運(yùn)行甚至發(fā)生安全事故［4－6］。

雷建海［7］利用數(shù)值模擬方法分析鄰近隧道采用CD法和臺(tái)階法下穿施工時(shí)對(duì)運(yùn)營(yíng)鐵路的影響和隧道圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，認(rèn)為CD法較臺(tái)階法有更好的適應(yīng)性。黃海斌［8］分析對(duì)比CD法、CRD法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法對(duì)隧道施工不同部位穩(wěn)定性演變和運(yùn)營(yíng)鐵路隧道沉降變化，認(rèn)為采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法公路隧道施工對(duì)既有鐵路隧道的沉降影響最小。

本文以石黔高速新建萬(wàn)壽山隧道和滬蓉鐵路隧道斜交叉段為例，建立近距離間歇式頻繁復(fù)雜動(dòng)荷載隧道斜交段數(shù)值模型，分析對(duì)比臺(tái)階法和CD法產(chǎn)生的位移及應(yīng)力變化規(guī)律，以期對(duì)類似工程提供參考。

2 工程概況

2.1 石黔高速公路概況

根據(jù)重慶市高速公路骨架路網(wǎng)規(guī)劃，黔江至石柱高速公路屬于重慶市“三環(huán)十二射七聯(lián)線”中第二聯(lián)，梁平至黔江高速公路中的石柱至黔江段。項(xiàng)目起于石柱縣，經(jīng)彭水止于渝湘高速公路黔江冊(cè)山立交。項(xiàng)目與墊利高速公路、渝湘高速公路交匯，是陜南、四川、重慶部分地區(qū)通往華南的主要轉(zhuǎn)換通道，是構(gòu)建渝東南、川東及鄂西地區(qū)四通八達(dá)的高速公路網(wǎng)絡(luò)重要組成部分。其建設(shè)加強(qiáng)了區(qū)縣間的交通聯(lián)系，對(duì)于加快統(tǒng)籌城鄉(xiāng)戰(zhàn)略實(shí)施，促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)又好又快地發(fā)展，充分開(kāi)發(fā)區(qū)域重要的礦產(chǎn)、能源、旅游、土地等資源都具有十分重要的戰(zhàn)略意義。路線通過(guò)重慶石柱、黔江規(guī)劃發(fā)展區(qū)，對(duì)于促進(jìn)地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展、促進(jìn)重慶城鄉(xiāng)統(tǒng)籌發(fā)展有重要意義［9－10］。

2.2 石黔高速萬(wàn)壽山隧道概況

石黔高速萬(wàn)壽山隧道左洞K1＋875～K4＋590，長(zhǎng)2 715 m，右洞YK1＋833～YK4＋595，長(zhǎng)2 762 m，設(shè)計(jì)線間凈距25 m，為分離式隧道。

石黔高速萬(wàn)壽山隧道穿越石柱向斜南東翼，洞身地面山體穩(wěn)定，分布地層主要為第四系崩坡積層、殘坡積層及侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組，巖性為泥巖、砂巖。隧道圍巖級(jí)別為Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)，其中下穿滬蓉鐵路隧道區(qū)段為Ⅳ級(jí)圍巖。

萬(wàn)壽山隧道下穿滬蓉鐵路于K3＋474～K3＋624、K3＋724～K3＋874、YK3＋494～YK3＋644、YK3＋744～YK3＋894段襯砌類型為S4b，備選開(kāi)挖工法為上下臺(tái)階法和CD法。

2.3 下穿段滬蓉鐵路萬(wàn)壽山隧道概況

滬蓉鐵路重慶北站至利川段，全長(zhǎng)264.4 km，設(shè)計(jì)為國(guó)鐵Ⅰ級(jí)干線，雙線電力牽引，設(shè)計(jì)運(yùn)行動(dòng)車時(shí)速200 km，雙層集裝箱貨車時(shí)速160 km。于2008年12月29日開(kāi)工，建設(shè)總工期5年，2013年12月28日正式開(kāi)通運(yùn)營(yíng)。

下穿段滬蓉鐵路萬(wàn)壽山隧道全長(zhǎng)13 468 m，進(jìn)口鐵路里程為K1460＋239，出口鐵路里程為K1473＋707，為雙線鐵路隧道，單面上坡，坡度為15.5%。石黔高速萬(wàn)壽山隧道下穿段滬蓉鐵路萬(wàn)壽山隧道在洞身標(biāo)＋7754～＋8150、＋7704～＋7650段為Ⅲ級(jí)復(fù)合襯砌，＋7704～＋7754段為Ⅳ級(jí)復(fù)合襯砌。下穿段滬蓉鐵路隧道橫斷面不加寬［11－12］。

2.4 石黔高速萬(wàn)壽山隧道下穿滬蓉鐵路交叉概況

石黔高速萬(wàn)壽山隧道下穿滬蓉鐵路K1466＋973萬(wàn)壽山隧道，交角約61°，交叉情況如下：

（1）石黔高速萬(wàn)壽山隧道左線交叉樁號(hào)K3＋674.943（設(shè)計(jì)高程733.775 m），對(duì)應(yīng)滬蓉鐵路樁號(hào)為K1468＋119（設(shè)計(jì)高程771.749 m），洞身標(biāo)為＋7880；右線交叉樁號(hào) YK3＋694.291（設(shè)計(jì)高程734.565 m），對(duì)應(yīng)滬蓉鐵路樁號(hào)為K1468＋148（設(shè)計(jì)高程771.015 m），洞身標(biāo)為＋7909。

（2）左線實(shí)際高差為37.906 m，右線實(shí)際高差為36.382 m。本項(xiàng)目隧道凈高為7.05 m，左線拱頂至鐵路設(shè)計(jì)標(biāo)高高差為30.856 m，右線拱頂至鐵路設(shè)計(jì)標(biāo)高高差為29.332 m。

平面位置關(guān)系見(jiàn)圖1，縱向交叉關(guān)系見(jiàn)圖2～圖3。

圖1 滬蓉鐵路與萬(wàn)壽山隧道平面交叉關(guān)系

圖2 石黔高速公路左線交叉關(guān)系縱斷面

3 計(jì)算原則及數(shù)值模型構(gòu)建

3.1 計(jì)算原則及參數(shù)

為了簡(jiǎn)化模型及減少計(jì)算量，且滿足評(píng)估結(jié)論正確性要求，模型建立和分析計(jì)算遵循如下原則：

（1）石黔高速萬(wàn)壽山隧道下穿滬蓉鐵路隧道施工期間不考慮地震作用。

（2）評(píng)估分析的前提是石黔高速萬(wàn)壽山隧道施工處于正常良好控制的條件下。

（3）根據(jù)四川交大工程檢測(cè)咨詢有限公司關(guān)于《石黔高速萬(wàn)壽山隧道與滬蓉鐵路K1466＋973萬(wàn)壽山隧道交叉鐵路隧道質(zhì)量調(diào)查檢測(cè)報(bào)告》（2016年6月）的結(jié)論，在下穿段滬蓉鐵路K1466＋973萬(wàn)壽山隧道為Ⅲ級(jí)圍巖，采用Ⅲ級(jí)加強(qiáng)襯砌，隧道凈空尺寸未見(jiàn)侵入設(shè)計(jì)限界，滿足既有設(shè)計(jì)要求隧道凈空要求。二次襯砌強(qiáng)度推定值為30.1 MPa，滿足設(shè)計(jì)要求；襯砌僅在邊墻存在細(xì)小環(huán)向裂縫，長(zhǎng)度小于5 m；隧道仰拱填充層厚度不足。因此既有鐵路隧道采用Ⅲ級(jí)加強(qiáng)襯砌斷面設(shè)計(jì)輪廓，計(jì)算中不考慮仰拱填充層，襯砌混凝土強(qiáng)度為C30。

3.2 模型構(gòu)建

本文采用GTS NX進(jìn)行數(shù)值模擬建模和計(jì)算分析，針對(duì)斜交區(qū)域圍巖段，結(jié)合地質(zhì)超前預(yù)報(bào)和監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)確定圍巖力學(xué)參數(shù)。巖土及工程材料參數(shù)設(shè)定如表1所示。

表1 巖體及工程材料力學(xué)參數(shù)

鐵路雙線隧道以及公路隧道依照施工設(shè)計(jì)，其斷面形式均為三心圓。數(shù)值計(jì)算模型上邊界取至鐵路隧道上方，模型前后及左右面邊界均采用水平約束，底邊界采用豎向約束，頂面為自由面?？紤]列車動(dòng)荷載及爆破荷載影響范圍生成單元模型，模型中鐵路隧道、新建公路隧道初期支護(hù)和二次襯砌均采用彈性單元模擬，圍巖地層采用彈塑性實(shí)體單元。其中，公路隧道長(zhǎng)度240 m，鐵路隧道長(zhǎng)度250 m。隧道位置關(guān)系及有限元模型如圖4、圖5所示。

圖4 隧道位置關(guān)系

圖5 有限元模型

4 計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

兩種開(kāi)挖工法均采用機(jī)械開(kāi)挖，不考慮爆破振動(dòng)影響。臺(tái)階法開(kāi)挖順序?yàn)椋荷吓_(tái)階開(kāi)挖a→下臺(tái)階開(kāi)挖b，開(kāi)挖10個(gè)循環(huán)，共計(jì)20個(gè)階段。CD法開(kāi)挖順序?yàn)椋河疑祥_(kāi)挖a→左上開(kāi)挖b→右下開(kāi)挖c→左下開(kāi)挖d，開(kāi)挖10個(gè)循環(huán)，共計(jì)40個(gè)階段。

4.1 變形分析

圖6為兩種工法開(kāi)挖至最終階段的位移云圖。

圖6 最終階段位移云圖

從分布模式上看，上方滬蓉鐵路隧道最大沉降值多發(fā)生在與新建隧道斜交處底板（YK3＋694、K3＋675）附近，而新建萬(wàn)壽山隧道的最大沉降值同樣多發(fā)生在兩隧道斜交拱頂處，說(shuō)明上述部位為關(guān)鍵控制點(diǎn)。

圖7和圖8為新建隧道和鐵路隧道YK3＋694處軌面及K3＋675處軌面的最大沉降值隨開(kāi)挖步序變化曲線（圖7中1-a代表第一個(gè)開(kāi)挖循環(huán)上臺(tái)階開(kāi)挖，圖8中3-c代表第三個(gè)開(kāi)挖循環(huán)右上部分開(kāi)挖）。

圖7 臺(tái)階法最大沉降值變化曲線

圖8 CD法最大沉降值變化曲線

可以看出，兩種開(kāi)挖工法引起的最大沉降值變化規(guī)律相似，由于先開(kāi)挖左洞，導(dǎo)致K3＋675處軌面沉降量變化較早，但兩洞均開(kāi)挖完成后，YK3＋694和K3＋675處軌面最終沉降量相近。對(duì)比兩種工法，可以發(fā)現(xiàn)CD法引起的鐵路隧道沉降量要小于臺(tái)階法，臺(tái)階法開(kāi)挖導(dǎo)致滬蓉底板YK3＋694和K3＋675兩處分別產(chǎn)生累計(jì)沉降3.06 mm、2.88 mm；CD法開(kāi)挖導(dǎo)致滬蓉鐵路隧道底板YK3＋694和K3＋675兩處分別產(chǎn)生累計(jì)沉降2.32 mm、2.19 mm。對(duì)新建萬(wàn)壽山隧道而言，CD法同樣優(yōu)于臺(tái)階法，最大沉降值CD法為8.89 mm，臺(tái)階法為12.26 mm。

4.2 應(yīng)力分析

圖9為兩種工法開(kāi)挖至最終階段的最大主應(yīng)力云圖。

圖9 最終階段最大主應(yīng)力云圖

可以看出，兩種工法主應(yīng)力分布多發(fā)生在隧道頂部和底部圍巖附近，由開(kāi)挖卸荷和列車移動(dòng)荷載所導(dǎo)致。臺(tái)階法產(chǎn)生的應(yīng)力較大，最大值為3.19 MPa；CD法周邊圍巖最大主應(yīng)力在隧道底部達(dá)到最大，最大值為2.50 MPa。由此可見(jiàn)，從應(yīng)力角度來(lái)看，CD法優(yōu)于臺(tái)階法。

5 結(jié)論和建議

5.1 結(jié)論

以萬(wàn)壽山公路隧道與滬蓉鐵路隧道斜交叉段下方公路隧道開(kāi)挖工程為背景，構(gòu)建近距離間歇式頻繁復(fù)雜動(dòng)荷載隧道斜交段數(shù)值模型，從變形和應(yīng)力分布角度分析對(duì)比臺(tái)階法和CD法兩種開(kāi)挖工法，得出以下結(jié)論：

從變形角度，臺(tái)階法和CD法兩種工法引起的位移變化規(guī)律相似，最大沉降值多發(fā)生在鐵路隧道與新建隧道斜交處。對(duì)既有鐵路隧道和新建公路隧道而言，采用CD法開(kāi)挖引起的變形值小于臺(tái)階法。從應(yīng)力角度，兩種工法產(chǎn)生的最大主應(yīng)力在隧道底部達(dá)到最大，CD法開(kāi)挖引起的最大主應(yīng)力值小于臺(tái)階法。

因此，綜合考慮兩種工法引起的變形和應(yīng)力，建議在萬(wàn)壽山公路隧道與滬蓉鐵路隧道斜交叉段采用CD法施工。

5.2 建議

（1）加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)

根據(jù)四川交大工程檢測(cè)咨詢有限公司關(guān)于《石黔高速萬(wàn)壽山隧道與滬蓉鐵路K1466＋973萬(wàn)壽山隧道交叉鐵路隧道質(zhì)量調(diào)查檢測(cè)報(bào)告》，隧道在交叉段存在襯砌邊墻環(huán)向裂縫、仰拱填充層厚度不足等缺陷，且通過(guò)數(shù)值模擬及理論分析，可知石黔高速萬(wàn)壽山隧道下穿滬蓉鐵路施工會(huì)對(duì)滬蓉鐵路隧道產(chǎn)生一定程度的影響，但為保證鐵路運(yùn)營(yíng)安全，在隧道下穿段施工時(shí)應(yīng)在鐵路隧道交叉點(diǎn)前后各35 m范圍加強(qiáng)滬蓉鐵路隧道沉降、應(yīng)變及裂縫變化的監(jiān)控量測(cè)，同時(shí)應(yīng)對(duì)下穿段高速公路隧道加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)。

（2）加強(qiáng)爆破振動(dòng)測(cè)試

依據(jù)現(xiàn)行《鐵路安全管理?xiàng)l例》第三十四條，在鐵路線路兩側(cè)從事采礦、采石或者爆破作業(yè)，應(yīng)當(dāng)遵守有關(guān)采礦和民用爆破的法律法規(guī)，符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和鐵路安全保護(hù)要求。在鐵路線路路堤坡腳、路塹坡頂、鐵路橋梁外側(cè)起向外各1 000 m范圍內(nèi)，以及在鐵路隧道上方中心線兩側(cè)各1 000 m范圍內(nèi)，確需從事露天采礦、采石或者爆破作業(yè)的，應(yīng)當(dāng)與鐵路運(yùn)輸企業(yè)協(xié)商一致，依照有關(guān)法律法規(guī)報(bào)縣級(jí)以上地方人民政府有關(guān)部門批準(zhǔn)，采取安全防護(hù)措施后方可進(jìn)行。

建議石黔高速萬(wàn)壽山隧道下穿滬蓉鐵路隧道段施工，距離交叉點(diǎn)前后各200 m范圍采用非爆破開(kāi)挖，在200～1 000 m范圍，采用控制爆破，爆破振速≤2 cm／s?？筛鶕?jù)具體爆破作業(yè)方案，對(duì)隧道爆破施工范圍與鐵路運(yùn)輸企業(yè)協(xié)商一致后確定，但爆破作業(yè)應(yīng)避開(kāi)列車運(yùn)營(yíng)時(shí)間段。現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，應(yīng)對(duì)既有結(jié)構(gòu)物開(kāi)展爆破振動(dòng)測(cè)試，及時(shí)反饋測(cè)試成果，優(yōu)化爆破設(shè)計(jì)方案，嚴(yán)格按設(shè)計(jì)爆破振動(dòng)速度執(zhí)行。

（3）加強(qiáng)管理

石黔高速萬(wàn)壽山隧道下穿滬蓉鐵路段施工，應(yīng)加強(qiáng)內(nèi)部管理，做好下穿段隧道超前支護(hù)及初期支護(hù)工作，仰拱及時(shí)閉合成環(huán)。

綜上，根據(jù)本文結(jié)論和建議，并嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)方案執(zhí)行，可以確保滬蓉鐵路隧道在石黔高速萬(wàn)壽山隧道施工過(guò)程中的安全。