淺埋鐵路隧道下穿高速公路施工方案研究

何 洋 孫其清 趙萬強(qiáng)

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 成都 610031)

淺埋鐵路隧道下穿高速公路施工方案研究

何 洋 孫其清 趙萬強(qiáng)

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 成都 610031)

本文以新建蘭渝鐵路熊洞灣隧道為工程背景，針對工程環(huán)境復(fù)雜、對高速公路影響大、風(fēng)險(xiǎn)高等施工難點(diǎn)，開展了弧形導(dǎo)坑和臺階法施工工法比選。采用ANSYS有限元軟件分別模擬淺埋鐵路隧道下穿高速公路兩種不同工序的施工過程, 重點(diǎn)研究開挖過程高速公路路面變形和沉降槽寬度、隧道圍巖塑性區(qū)分布以及襯砌結(jié)構(gòu)受力。分析得出隧道開挖過程高速公路路面變形和沉降槽寬度，隧道周邊巖體的塑性區(qū)域分布，以及隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力，確定了弧形導(dǎo)坑施工工法更加適合該隧道施工。根據(jù)數(shù)值分析結(jié)果，設(shè)計(jì)中采用了弧形導(dǎo)坑法工法、大管棚、型鋼鋼架、地表變形監(jiān)控、控制爆破等手段，確保隧道施工安全。

鐵路隧道； 下穿高速公路； ANSYS； 有限元； 弧形導(dǎo)坑

近年來，隧道工程建設(shè)頻繁遇到淺埋、下穿建(構(gòu))筑物等復(fù)雜施工環(huán)境，在這種復(fù)雜條件下，施工極易發(fā)生坍塌、冒頂、支護(hù)侵入隧道限界、地表沉降過大、發(fā)生受力破壞等工程災(zāi)害，風(fēng)險(xiǎn)極高，給人們的生命和財(cái)產(chǎn)安全造成重大威脅。對此，國內(nèi)外專家學(xué)者結(jié)合具體的工程實(shí)例對隧道的開挖方法和輔助施工措施進(jìn)行了大量研究，為該類隧道的安全快速施工積累了眾多寶貴經(jīng)驗(yàn)，取得了卓越的研究成果。

本文以蘭渝鐵路熊洞灣隧道淺埋下穿高速公路段為工程背景，針對工程環(huán)境復(fù)雜、對高速公路影響大、風(fēng)險(xiǎn)高等施工難點(diǎn)，開展了弧形導(dǎo)坑和臺階法兩種施工工法比選，采用ANSYS有限元軟件分別模擬淺埋鐵路隧道下穿高速公路兩種不同工序的施工過程，重點(diǎn)研究開挖過程路面變形和沉降槽寬度、圍巖塑性區(qū)分布以及襯砌結(jié)構(gòu)受力。研究成果一方面可為依托工程的設(shè)計(jì)和施工方案提供技術(shù)支撐，另一方面為該類隧道的設(shè)計(jì)和施工提供依據(jù)和參考。

1 工程概況

新建蘭渝鐵路熊洞灣隧道出口端位于四川盆地北東部的廣元市浩口村綿廣高速南側(cè)。地面高程520～506 m，植被發(fā)育。隧道淺埋下穿公路，主要穿越地層為弱風(fēng)化的砂巖、泥巖互層。隧道典型斷面見圖1所示。文中對新建蘭渝線熊洞灣隧道下穿高速公路段進(jìn)行如下問題研究：(1)通過分析，獲取采用大管棚+弧形導(dǎo)坑法和大管棚+臺階法開挖后的地表沉降曲線和沉降槽寬度；(2)研究兩種施工工法施工完成后隧道周邊巖體塑性變形及區(qū)域分布和襯砌受力；(3)通過分析，選取該隧道的施工工法。

圖1 隧道典型斷面

2 計(jì)算模型及準(zhǔn)則

2.1 模型及計(jì)算準(zhǔn)則

按實(shí)際地形、隧道斷面形式和結(jié)構(gòu)尺寸建立如圖2、圖3所示的有限元模型。

圖2 未開挖有限元模型

圖3 開挖后有限元模型

該數(shù)值計(jì)算中，二維模型采用了ansys單元庫提供的plane42號單元，下部為y方向約束，左右兩側(cè)為x方向約束。模型寬約為74 m(約為隧道洞徑的5倍)，隧道仰拱底部下方取25 m左右(約為洞徑的2.5倍)，拱頂以上約6.8 m(為隧道實(shí)際埋深)，模型根據(jù)實(shí)際地質(zhì)資料建立三種地層，在模擬超前大管棚、錨桿錨和初次支護(hù)時為了計(jì)算方便，用實(shí)體單元給予相應(yīng)的參數(shù)模擬。

在隧道開挖之前，土層中早已存在的初始應(yīng)力場，按自重應(yīng)力場考慮。計(jì)算中除了原始的地應(yīng)力場以外，在施工模擬過程中路面施加了公路I級荷載(均布荷載10.5 kN/m+集中荷載225 kN)，加載示意如圖4所示。在計(jì)算過程中，采用了彈塑性的非線性有限元法。材料本構(gòu)模型采用Drucker-Prager(D-P)模型，分析中采用ANSYS有限元軟件對施工過程進(jìn)行模擬分析，利用多荷載步求解的方法來模擬隧道施工開挖過程。在計(jì)算過程當(dāng)中，圍巖和隧道結(jié)構(gòu)的初期支護(hù)均采用了ANSYS提供的4節(jié)點(diǎn)平面等參實(shí)體單元來模擬。

圖4 公路荷載加載示意圖

2.2 材料的初擬參數(shù)

計(jì)算所選用的參數(shù)如表1所示。

表1 材料的初擬參數(shù)

2.3 施工工序

本次數(shù)值分析擬采用弧形導(dǎo)坑和臺階法開挖，具體施工工序如圖5、圖6所示。

圖5 弧形導(dǎo)坑

圖6 臺階法

3 計(jì)算結(jié)果和分析

3.1 地表沉降曲線

經(jīng)過分析計(jì)算所得地表沉降曲線如圖7、圖8所示。

圖7 弧形導(dǎo)坑法開挖時路面沉降曲線

圖8 臺階法開挖時路面沉降曲線

通過對不同施工工法情況下路面沉降曲線分析如下：

(1)采用弧形導(dǎo)坑法：隧道開挖完畢后，高速公路路面沉降值達(dá)到約6.5 mm；隧道開挖完成后高速公路路面快速形成沉降槽，沉降槽寬度約40 m。

(2)采用臺階法：隧道開挖完畢后，高速公路路面沉降值達(dá)到約10.3 mm；隧道開挖完成后高速公路路面快速形成沉降槽，沉降槽寬度約54 m。

(3)采用弧形導(dǎo)坑法開挖時高速公路路面沉降值和沉降槽寬度分別約為臺階法的63%和74%。

3.2 塑像區(qū)分布

經(jīng)過分析計(jì)算所得圍巖塑性變形區(qū)域和襯砌受力如圖9～圖12所示。

圖9 弧形導(dǎo)坑法塑性區(qū)域分布

圖10 臺階法塑性區(qū)域分布

圖11 弧形導(dǎo)坑法襯砌主應(yīng)力云圖(pa)

圖12 臺階法襯砌主應(yīng)力云圖(pa)

通過對不同施工工法情況下圍巖塑性區(qū)分布圖和襯砌主應(yīng)力云圖分析如下：

(1)兩種工法施工完畢后，隧道拱頂巖體均產(chǎn)生了塑性變形；采用弧形導(dǎo)坑法開挖后,隧道拱頂巖體最大塑性變形為1.98×10-4,而臺階法開挖后隧道拱頂巖體最大塑性變形為1.5×10-3，臺階法是弧形導(dǎo)坑法的近8陪；弧形導(dǎo)坑法塑性變形區(qū)域小于臺階法。

(2)采用弧形導(dǎo)坑法開挖后拱襯砌主拉應(yīng)力為1.9 kPa,而臺階法為8.5 kPa，臺階法是弧形導(dǎo)坑法的近4.5陪；弧形導(dǎo)坑法襯砌拱頂部分主拉應(yīng)力分布區(qū)域小于臺階法。

4 工程方案

通過以上分析，在施工中采用了弧形導(dǎo)坑法施工，施工工法如圖13所示，詳細(xì)工程措施如下：

(1)施工下穿公路段落時應(yīng)嚴(yán)格控制爆破規(guī)模，地表爆破震動速度不大于3 cm/s，并采用工20 b型鋼鋼架、格柵鋼架及45 m長φ159大管棚及時加強(qiáng)支護(hù)。

(2) 該段施工前應(yīng)對地表進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查和監(jiān)控量測布點(diǎn)(5 m×5 m網(wǎng)狀分布)，施工中根據(jù)地表監(jiān)測信息，指導(dǎo)施工安全通過隧道下穿公路段。

圖13 施工工法設(shè)計(jì)圖

(3)下穿段襯砌應(yīng)初期支護(hù)完成后立即施作，二次襯砌達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度前于隧道中線兩側(cè)各30 m范圍內(nèi)路面鋪設(shè)10 mm厚鋼板；并對該段公路實(shí)施臨時交通管制，車輛限速20 km/h，限載20 t，于隧道中線兩側(cè)各100 m范圍內(nèi)設(shè)置減速帶，在洞內(nèi)施工爆破時，禁止該段公路通行，確保公路運(yùn)營安全。

5 結(jié)論

通過ANSYS軟件應(yīng)用靜力分析方法，分別計(jì)算分析了不同工法情況下熊洞灣隧道施工開挖后，路面沉降以及隧道周邊巖體塑性區(qū)分布及襯砌結(jié)構(gòu)受力，得出以下結(jié)論：(1)采用弧形導(dǎo)坑法進(jìn)行施工可以更好的控制路面沉降變形、沉降槽寬度以及隧道周邊巖體的變形。

(2)弧形導(dǎo)坑法比臺階法更適合本隧施工。

(3)該隧已于2015年12月運(yùn)營通車，實(shí)踐證明文中提出的設(shè)計(jì)技術(shù)是較為成功的，其研究成果可為今后類似工程的設(shè)計(jì)與施工提供一定的借鑒。

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Study on the Construction Scheme of Shallow Buried Railway Tunnel Underpassing Expressway

HE Yang SUN Qiqing ZHAO Wanqiang

(China Railway Eryuan Engineering Group Co., Ltd., Chengdu 610031, China)

Taking Xiongdongwan tunnel of Lan Yu railway as background, for the complex engineering environment, impact on the highway and high risk construction difficulties, two kinds of construction methods, arc heading and bench method of are selected. Two different construction excavation are simulated by using ANSYS finite element software, focusing research on the highway pavement deformation, settlement trough width, the stress characteristic of tunnel lining and the plastic areal distribution of surrounding rock. The result of contrastive analysis indicates that arch heading method is more suitable for this tunnel. In order to ensure the safety of tunnel construction，the arc heading method, big pipe shed and steel frame, the surface deformation monitoring and control blasting method are applied in the design.

railway tunnel; underpassing expressway; ANSYS; finite element； arch heading method

2016-04-26

何洋(1981-)，男，工程師。

1674—8247(2016)05—0035—04

U455.2

A