成渝客運專線新中梁山隧道上跨既有線處理方案

肖凱剛

(武漢鐵四院工程咨詢有限公司，武漢 430063)

1 隧道概況

新建新中梁山隧道為成渝客運專線引入重慶樞紐控制性重點工程，隧道除成渝客運專線重慶西聯(lián)絡線、重慶北聯(lián)絡線影響段采用大跨襯砌外，其余段落為單線雙洞R=470 cm圓形襯砌，線間距19.5～65.5 m，隧道左線全長4 124 m，右線全長4 119 m。

既有襄渝線中梁山隧道位于襄渝線西段西永至四所之間，是橫貫中梁山脈的越嶺隧道，為襄渝線終點引入重慶樞紐的重點工程。既有中梁山隧道限界采用“隧限-2甲”，根據(jù)2011年9月隧道凈空測量，隧道凈寬大于4.95 m，局部地段二襯侵限，拱頂距軌面高度6.66 m。

新中梁山左線隧道于D3K291+100～+140處上跨既有襄渝鐵路中梁山隧道，兩線相交角度約34°，軌面相差12.95 m;新中梁山右線隧道于YDK291+200～+240處上跨既有襄渝鐵路隧道，兩線相交角度約34°，軌面相差14.06 m。新中梁山隧道在交叉跨越段線間距為61.3～63.8 m。成渝客運專線新中梁山隧道上跨既有襄渝線中梁山隧道位置關系［1］詳見圖1、圖2。

圖1 交叉跨越段隧道平面示意

2 隧道地質(zhì)概況

新中梁山左線隧道與襄渝線立交段隧道主要穿越三疊系下統(tǒng)嘉陵江組二段，地層巖性為白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r夾石膏，巖溶角礫巖，地下水發(fā)育。新中梁山右線隧道與襄渝線立交段隧道主要穿越三疊系下統(tǒng)嘉陵江組一段，地層巖性為灰?guī)r夾白云質(zhì)灰?guī)r，巖溶弱發(fā)育。圍巖級別劃分見表 1［2］。

圖2 交叉跨越段隧道剖面示意(單位:cm)

表1 交叉段圍巖級別劃分

3 既有線隧道結構現(xiàn)狀

既有中梁山隧道采用先拱后墻法施工，拱部采用C15混凝土，邊墻采用M10漿砌片石，道床為整體式混凝土道床。

2011年9月對襄渝線中梁山隧道K821+490～+727段進行病害調(diào)查和二次襯砌的物探檢測。隧道內(nèi)有滲漏水現(xiàn)象，拱頂局部出現(xiàn)裂縫，隧道二次襯砌與圍巖之間出現(xiàn)大量空洞，空洞范圍在35～60 cm。

4 新中梁山隧道交叉段結構設計(圖3)

新中梁山隧道采用圓形隧道斷面，拱墻初期支護參數(shù)為:C25網(wǎng)噴混凝土，厚27 cm;I20b型鋼鋼架0.6 m/榀;拱部設置φ22 mm組合中空錨桿，邊墻為φ22 mm砂漿錨桿，間距1.2 m×1 m(環(huán)向×縱向);預留變形量15～20 cm。二次襯砌采用45 cm厚C35鋼筋混凝土。

圖3 新中梁山隧道襯砌斷面(單位:cm)

5 交叉段處理方案

5.1 既有中梁山隧道加固方案(圖4)

為保證既有線運營安全和新中梁山隧道施工及后期運營安全，利用既有線“天窗”時間，對既有襄渝線中梁山隧道K821+530～+580段、K821+643～+693段進行臨時加固，加固方案［3］如下。

(1)隧道加固前，拆除隧道內(nèi)電力、通信信號電纜槽，對電力、通信信號電纜進行改移保護。

(2)根據(jù)物探測繪成果，對既有隧道二襯與圍巖空隙采取低壓注漿。

(3)為防止新建隧道施工造成既有隧道拱頂?shù)魤K等不安全因素，既有隧道拱頂預鋪設3 mm厚鋼板，二襯采用I20b鋼架進行臨時加固，鋼架間距0.4 m/榀，鋼架縱向采用φ25 mm鋼筋縱向連接，鋼筋環(huán)向間距0.6 m。既有隧道侵限段落，鋼架嵌入二次襯砌一定深度，并設鋼筋網(wǎng)與錨桿，補噴混凝土至二襯內(nèi)輪廓面。

(4)為保證鋼架與二次襯砌共同受力，鋼架應與二襯緊貼密實。鋼架施作后，采用低壓注射水泥漿回填鋼架背后與二襯空隙。

(5)隧道加固完成后，應對隧道凈空進行測量并上報鐵路運輸部門，以便確定列車超限等級和限速范圍等，并做好備案。

圖4 既有中梁山隧道襯砌加固設計(單位:cm)

5.2 新中梁山隧道交叉段施工設計

既有隧道臨時加固完成后，開挖新中梁山隧道左右線交叉影響段。新中梁山隧道左線D3K291+100～+140、右線YDK291+200～+240段采用機械開挖施工，減少對既有隧道擾動。為保證交叉段巖層厚度，新中梁山隧道開挖軌面以上部分，軌面以下部分開挖、初期支護及隧道二次襯砌待既有襄渝中梁山隧道二次襯砌置換后施作。

6 既有中梁山隧道加固計算

6.1 結構計算模型

本次計算采用 MIDAS GTS ver2.5.0 Trial［4］軟件建立地層-結構模型，巖層采用摩爾-庫倫屈服準則，考慮新中梁山隧道臺階法開挖步驟影響，新中梁山隧道左右線線間距60 m，相互影響可以忽略，本次計算模擬左線新建隧道與既有隧道交叉影響。地層-結構模型如圖5所示。

圖5 地層-結構模型

計算中圍巖壓力為釋放荷載，新建隧道初期支護和既有隧道二次襯砌設置不同的釋放荷載分擔比。荷載為圍巖釋放壓力、地層自重及施工荷載。圍巖采用實體單元，初支與二襯采用板單元，錨桿采用植入式桁架單元，該模型共7 844個節(jié)點，21 654個單元。根據(jù)既有中梁山隧道現(xiàn)狀，本次計算未考慮既有隧道初期支護作用。網(wǎng)格劃分詳見圖6。

圖6 中梁山隧道交叉段網(wǎng)格劃分

新建隧道初期支護與既有隧道二襯加固的I20b鋼架采用剛度等效法予以考慮，其計算方法為:E=E0+Sg·Eg/S［5］c，式中，E為為折算后混凝土彈性模量;E0為原混凝土彈性模量;Sg為鋼拱架截面積;Eg為鋼材彈性模量;Sc為混凝土截面積。

6.2 施工過程

仿真分析中，對隧道開挖及初期支護和二次襯砌的施工，通過MIDAS GTS的單元激活和鈍化功能實現(xiàn)。既有中梁山隧道開挖成洞，施作二襯，然后施作鋼架加固，荷載釋放過程參照《公路隧道設計規(guī)范》［6］地層-結構法的相關規(guī)定，巖體開挖完成應力釋放40%，其后兩步驟各釋放30%。

新中梁山隧道左線施工，按臺階法施工，計算開挖進尺5 m，每開挖一步，進行上一步的初期支護，初期支護考慮噴射混凝土軟硬化。巖體開挖應力釋放40%，其后初期支護軟化與硬化階段各承擔30%釋放荷載。

6.3 計算結果

計算過程中分別得到了新建隧道開挖過程中既有中梁山隧道各處的豎向位移，既有隧道二襯的應力和內(nèi)力，并根據(jù)結果進行驗算安全度。

6.3.1 既有隧道的位移變化(圖7)

圖7 既有隧道位移變化

根據(jù)開挖過程模擬，既有中梁山隧道交叉處豎向位移隨著上跨隧道的開挖減荷，豎向位移(DZ)由負值逐漸變?yōu)檎?，證明隧道開挖減荷后，交叉處既有隧道發(fā)生上浮［7］。隨著上跨隧道掌子面遠離交叉段，既有襯砌變形趨于穩(wěn)定，交叉部位結構局部發(fā)生變形回彈。

6.3.2 既有隧道二襯的應力變化

圖8～圖11中P1為板單元第一主應力，P2為板單元第二主應力，“-top”為初期支護外緣，“-bot”為初期支護內(nèi)緣。

圖8 新中梁山隧道未開挖前與開挖后既有中梁山隧道二襯應力P1-top(單位:kPa)

圖9 新中梁山隧道未開挖前與開挖后既有中梁山隧道二襯應力P2-top(單位:kPa)

根據(jù)上述應力圖示，總結出如下應力對比表格(表2)。

圖10 新中梁山隧道未開挖前與開挖后既有中梁山隧道二襯應力P1-bot(單位:kPa)

圖11 新中梁山隧道未開挖前既有中梁山隧道二襯應力P2-bot(單位:kPa)

表2 既有隧道應力變化 MPa

由表2看出，新建成渝客運專線中梁山隧道開挖過程，既有中梁山隧道初期支護最小主應力減少0.05 MPa，最大主應力增加0.02 MPa，影響相對較小。新中梁山隧道完成后既有隧道初期支護應力最小值為-0.16 MPa(受壓)，最大值為-0.55 MPa(受壓)，均滿足規(guī)范［8］要求。

6.3.3 既有中梁山隧道加固鋼架內(nèi)力分析

根據(jù)有限元模擬的施工開挖階段應力分析，既有隧道二襯加固方案滿足規(guī)范要求。現(xiàn)選取交叉處典型斷面進行既有隧道鋼架強度驗算，典型斷面鋼架內(nèi)力結果如圖12、圖13所示。

圖12 既有中梁山隧道典型斷面鋼架軸力(單位:kN)

根據(jù)鋼架內(nèi)力計算結果進行強度檢算，結果如表3所示。

圖13 既有中梁山隧道典型斷面鋼架彎矩(單位:kN·m)

表3 既有隧道鋼架強度檢算

鋼架強度檢算表明，新中梁山隧道開挖完成后，既有隧道鋼架強度滿足規(guī)范［9］要求。

7 交叉跨越段總結

通過有限元分析模擬新中梁山隧道開挖過程對既有中梁山隧道二襯結構力學性能影響和既有隧道的典型斷面結構力學分析，既有隧道混凝土應力與鋼架強度滿足規(guī)范要求，既有隧道加固方案是可行的。

既有隧道加固方案中鋼架的穩(wěn)定性問題較為復雜，本次沒有深入研究。對于拱形鋼結構的縱向穩(wěn)定性受到縱向聯(lián)系鋼筋、鎖腳錨桿、鋼架楔塊等［10］因素的影響未能有效解決。新中梁山左線隧道已安全通過交叉跨越段，新中梁山右線隧道正在施工，證明既有隧道臨時加固方案可行?？梢源_保既有線運營安全及新線隧道施工安全。

目前我國交通工程建設處于飛速發(fā)展時期，城市交通樞紐地下空間資源日趨緊張，工程結構立體交叉頻繁，對工程相互安全評價。通過成渝客運專線新中梁山隧道與既有襄渝線中梁山隧道交叉跨越段方案設計，為地下工程交叉隧道設計與施工積累了一定的經(jīng)驗。

［1］中鐵二院工程集團有限責任公司.D3K292+358新中梁山左右線隧上跨既有襄渝線中梁山隧道臨時加固施工圖［R］.成都:中鐵二院工程集團有限責任公司，2011.

［2］中鐵二院工程集團有限責任公司.成渝客運專線新中梁山左右線隧道上跨中梁山隧道既有隧道加固計算書［R］.成都:中鐵二院工程集團有限責任公司，2011.

［3］鐵道部第二勘測設計院.鐵路工程設計技術手冊隧道［M］.北京:中國鐵道出版社，1995:533-537.

［4］北京邁達斯技術有限公司.MIDAS/GTS TRIAL(ver.2.5.0)［Z］.北京:北京邁達斯技術有限公司，2010.

［5］吳波，劉維寧，高波，索曉明，史玉新.地鐵分岔隧道施工性態(tài)的三維數(shù)值模擬與分析［J］.巖石力學與工程學報，2004，23(18):3084.

［6］中華人民共和國交通部.JTG D70—2004 公路隧道設計規(guī)范［S］.北京:人民交通出版社，2004:185.

［7］關寶樹.地下工程［M］.北京:高等教育出版社，2007:244-245.

［8］中華人民共和國鐵道部.TB10003—2005 鐵路隧道設計規(guī)范［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.

［9］中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部.鋼結構設計規(guī)范［S］.北京:中國計劃出版社，2007.

［10］武漢鐵四院工程咨詢有限公司.《新中梁山左右線上的上跨中梁山隧道既有隧道加固計算書》審核意見及結構復核計算［R］.武漢:武漢鐵四院工程咨詢有限公司，2011.