山區(qū)單線鐵路隧道下穿高速公路隧道影響分區(qū)研究

袁　竹， 陳　勇， 王　柱

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司土建二院, 四川 成都　610031 )

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山區(qū)單線鐵路隧道下穿高速公路隧道影響分區(qū)研究

袁竹， 陳勇， 王柱

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司土建二院, 四川 成都610031 )

摘要：隨著基礎(chǔ)建設(shè)的不斷推進(jìn)，不可避免產(chǎn)生大量立交工程，其中鐵路隧道下穿高速公路隧道工程問題十分突出。以福建省中部某山區(qū)鐵路設(shè)計(jì)為例，對(duì)山區(qū)鐵路下穿高速公路隧道影響分區(qū)進(jìn)行研究。主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)論如下： 1)利用Midas GTS軟件對(duì)不同凈距和地質(zhì)條件下鐵路隧道下穿高速公路隧道施工進(jìn)行數(shù)值試驗(yàn)，以高速公路隧道的沉降為判斷準(zhǔn)則，15 mm為判斷閾值，得到基于幾何近接度和地質(zhì)情況的影響分區(qū)(強(qiáng)、弱、無)。通過影響分區(qū)圖，可以將全線下穿高速公路隧道工點(diǎn)對(duì)號(hào)入座，以采用在相應(yīng)分區(qū)內(nèi)的經(jīng)濟(jì)合理的施工措施； 2)地層條件不同，其決定強(qiáng)弱影響的凈距分界點(diǎn)也不同，隨地層條件的惡化而逐漸增大，強(qiáng)、弱影響區(qū)分界理論最小凈距為0.5D，最大凈距為1.8D；弱、無影響區(qū)最小凈距為1.3D，最大凈距為2.8D。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)尉€鐵路隧道； 高速公路隧道； 下穿； 數(shù)值試驗(yàn)； 幾何近接度； 地質(zhì)條件； 影響分區(qū)

0引言

隨著國(guó)家交通工程建設(shè)的不斷推進(jìn)，不可避免產(chǎn)生大量立交工程，其中鐵路隧道下穿高速公路隧道工程問題十分突出。在福建省中部某山區(qū)鐵路的設(shè)計(jì)中，一共遇到下穿高速公路隧道的工點(diǎn)近15處，凈距為10～100 m。在這些工點(diǎn)的設(shè)計(jì)中，如何劃分其影響分區(qū)，并根據(jù)其影響大小給出不同強(qiáng)度的施工措施，從而保證設(shè)計(jì)的科學(xué)合理，意義十分重大。

在目前的研究中，日本對(duì)近接施工類問題作了較系統(tǒng)的論述，主要根據(jù)既有隧道與新建建筑物的凈距，提出影響分區(qū)的概念(見表1)。

表1　影響分區(qū)概念

注：D為新建隧道外徑值，即隧道襯砌外輪廓垂直高度，水平寬度中的最大值。

仇文革[1]提出了廣義的地下工程近接施工的分類、分區(qū)、分區(qū)指標(biāo)表達(dá)式、近接度與對(duì)策等級(jí)概念以及分區(qū)、分度準(zhǔn)則，給出了研究和解決近接施工問題的普遍方法；通過深圳地鐵2近距離平行、重疊和交錯(cuò)隧道的研究，得到基于2隧道凈距的近接施工強(qiáng)影響區(qū)統(tǒng)一場(chǎng)。鄭余朝[2]研究了三孔并行盾構(gòu)隧道下穿鐵路施工的力學(xué)行為和對(duì)策，得到了基于地表鐵路沉降準(zhǔn)則的影響分區(qū)。于鶴然等[3]通過數(shù)值模擬和回歸分析方法對(duì)鐵路雙線立交隧道結(jié)構(gòu)在不同凈距和Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖的上跨下穿情況進(jìn)行了分析，對(duì)既有鐵路隧道運(yùn)營(yíng)不受影響的最小凈距給出了建議值。

之前的研究主要著重對(duì)近接工程凈距的研究，對(duì)圍巖級(jí)別也只是簡(jiǎn)單地以Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)分類[4-5]，對(duì)巖性的影響并無細(xì)致考慮。本文基于福建中部某山區(qū)鐵路的設(shè)計(jì)，通過對(duì)隧道下穿高速公路隧道的數(shù)值模擬分析，通過幾何近接度(S/D，S為2隧道間凈距，D為新建隧道外徑值)的變化及所處地層的變化(對(duì)圍巖級(jí)別進(jìn)行細(xì)分[6])得到多種工況下的高速公路隧道沉降值，通過統(tǒng)計(jì)力學(xué)方法得到基于這2個(gè)指標(biāo)的影響分區(qū)，從而指導(dǎo)設(shè)計(jì)，并對(duì)相應(yīng)影響區(qū)給出強(qiáng)度不同的工程措施。

1近接影響判斷閾值及判斷準(zhǔn)則

判別準(zhǔn)則及其相關(guān)閾值是對(duì)近接影響度和分區(qū)進(jìn)行劃分的根本，本文的近接影響判別主要根據(jù)下穿隧道施工造成既有高速公路隧道的路面沉降為準(zhǔn)則。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[7]，按照《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》破損階段法進(jìn)行結(jié)構(gòu)截面檢算。結(jié)果表明，當(dāng)路面沉降超過15 mm時(shí)，既有隧道結(jié)構(gòu)安全系數(shù)將不滿足規(guī)范要求，故既有隧道路面沉降控制指標(biāo)為15 mm。影響分區(qū)閾值標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

表2　影響分區(qū)閾值標(biāo)準(zhǔn)

2近接工程概況

鐵路為單線電力牽引客貨共線，旅客列車設(shè)計(jì)行車速度為160 km/h。隧道建筑限界根據(jù)“隧限-2A”繪制。單線鐵路隧道支護(hù)參數(shù)如表3所示。

表3　單線鐵路隧道支護(hù)參數(shù)

注： 直徑單位為mm；*表示鋼筋混凝土。

高速公路隧道行車速度為80 km/h，屬于雙向4車道，上下行分修。高速公路隧道支護(hù)參數(shù)如表4所示。

表4　高速公路隧道支護(hù)參數(shù)

注： 直徑單位為mm；*表示鋼筋混凝土。

3數(shù)值試驗(yàn)

數(shù)值試驗(yàn)采用巖土通用有限元程序Midas GTS進(jìn)行。土體本構(gòu)采用摩爾-庫侖準(zhǔn)則，根據(jù)彈塑性理論計(jì)算，模型上邊界為自由邊界，其余采用法向約束。計(jì)算考慮自重條件下的應(yīng)力場(chǎng)。有限元計(jì)算模型見圖1。

(a)

(b)

3.1計(jì)算參數(shù)

根據(jù)巖土勘察報(bào)告，不同圍巖級(jí)別，不同巖性的地層力學(xué)參數(shù)如表5所示。建筑材料力學(xué)參數(shù)如表6所示。

3.2分析假定

1)鐵路隧道和高速公路隧道處于同一套地層。

2)交叉角度僅對(duì)縱向影響范圍有關(guān)系，鐵路隧道與高速公路隧道的水平交角均按40°考慮。

3)為簡(jiǎn)化計(jì)算，不考慮埋深的影響，高速公路隧道埋深均按40 m考慮；同時(shí)通過對(duì)本線近接工點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)，以占比最多的工點(diǎn)凈距2D、序號(hào)G5地層參數(shù)為基準(zhǔn)工況。

3.3計(jì)算工況

見表7。

3.4根據(jù)計(jì)算結(jié)果確定相關(guān)系數(shù)

根據(jù)3.3節(jié)計(jì)算得到的結(jié)果，由于只有沉降值受控制，故只對(duì)沉降的影響進(jìn)行研究。根據(jù)近接影響判別準(zhǔn)則的基本表達(dá)式Cij=Kijα0ijα1ijα2ijα3ijα4ijα5ij[1]，可以對(duì)各項(xiàng)系數(shù)進(jìn)行確定；其中i表示第i種近接類型(上跨、下穿、平行等)，j表示第j種判別準(zhǔn)則，Cij為第i種近接類型關(guān)于第j個(gè)判別準(zhǔn)則的值。因?yàn)楸疚难芯康膶?duì)象明確，近接類型為下穿，采用既有高速公路隧道路面沉降為判別準(zhǔn)則，故基本表達(dá)式可以簡(jiǎn)化為C=Kα0α1α2α3α4α5。

表5　巖土力學(xué)參數(shù)表

表6　建筑材料參數(shù)表

表7　計(jì)算工況設(shè)置

1)K為綜合影響系數(shù)。實(shí)質(zhì)為基準(zhǔn)情況時(shí)的判別準(zhǔn)則值，根據(jù)確定的基準(zhǔn)(見以下各項(xiàng))，即為G=7,S/D=1時(shí)的高低偏差矢度值，為13 mm,有K=13。

2)α0為幾何近接度影響的修正系數(shù)。以地層序號(hào)G=5為基準(zhǔn)，根據(jù)既有高速公路隧道路面沉降與幾何近接度S/D的統(tǒng)計(jì)關(guān)系，可以得到如圖2所示的回歸公式。

既有高速公路隧道路面沉降與S/D統(tǒng)計(jì)關(guān)系為

U=103e-0.96(S/D)。

(1)

U與基準(zhǔn)工況既有高速公路隧道路面沉降(13mm)的比值，即為影響修正系數(shù)，可得到影響修正系數(shù)

α0=7.92e-0.96(S/D)。

(2)

其中基準(zhǔn)工況下，S/D=2時(shí)，應(yīng)有α0=1，由此，式(2)可調(diào)整為

α0=7.92e-0.96(S/D)-0.16。

(3)

圖2　高速公路隧道沉降值與S/D的統(tǒng)計(jì)關(guān)系

Fig. 2RelationshipbetweensettlementofexpresswaytunnelandS/D

3)α1為位置關(guān)系(角度)影響的修正系數(shù)。以水平交角均按40°考慮為基準(zhǔn)，可取α1=1。

4)α2為施工方法影響的修正系數(shù)。若以本文研究的以上下臺(tái)階法為基準(zhǔn)，則有α2=1。

5)α3為地質(zhì)條件影響的系數(shù)。以S/D=2為基準(zhǔn)，根據(jù)既有高速公路隧道路面沉降與G的統(tǒng)計(jì)關(guān)系，可以得到如圖3所示的回歸公式。

圖3高速公路隧道路面沉降值與G(地層序號(hào))的統(tǒng)計(jì)關(guān)系

Fig. 3RelationshipbetweensettlementofexpresswaytunnelandG(serialnumberofgeologicalcondition)

根據(jù)圖3的回歸公式，可得到

U=0.059G2+2.202G+1.428。

(4)

U與基準(zhǔn)工況既有高速公路隧道路面沉降(13mm)的比值，即為影響修正系數(shù)，由此可得到影響修正系數(shù)

a3=0.005G2+0.169G+0.11。

(5)

其中當(dāng)G=5,應(yīng)有a3=1，由此，式(5)可調(diào)整為

a3=0.005G2+0.169G+0.03。

(6)

從而導(dǎo)出了a3與G的統(tǒng)計(jì)關(guān)系。

6)a4為既有結(jié)構(gòu)物劣化程度影響的修正系數(shù)。本文研究考慮既有高速公路隧道均為正常使用，正常保養(yǎng)和巡檢的結(jié)構(gòu)，以此為基準(zhǔn)，則有a4=1。

7)a5為對(duì)策措施影響的修正系數(shù)。以常規(guī)施工措施為基準(zhǔn)，則有a5=1。

當(dāng)其余各項(xiàng)影響系數(shù)都為基準(zhǔn)情況時(shí)，將上述幾個(gè)影響修正系數(shù)的統(tǒng)計(jì)公式和綜合系數(shù)代入近接影響判別準(zhǔn)則表達(dá)式，即可得到關(guān)于幾何近接度和地質(zhì)條件的最大沉降值

U=Ka0a3。

(7)

U=(103e-0.96(S/D)-2.08)(0.005G2+0.169G+0.03)。

(8)

3.5影響分區(qū)的確定

根據(jù)表2近接施工閾值標(biāo)準(zhǔn)，可得到關(guān)于幾何近接度和埋深比的分區(qū)界線。

分區(qū)則為關(guān)于幾何近接度S/D和地質(zhì)情況G的幾個(gè)點(diǎn)集：

{(S/D,G)|Kα0α3≥15}強(qiáng)影響區(qū)；

{(S/D,G)|5≤Kα0α3<15}弱影響區(qū)；

{(S/D,G)|Kα0α3<5}無影響區(qū)。

分區(qū)界線： U=Cijk(Cijk=5,15)。

(9)

分別將式(8)代入式(9)，即有：

(-0.96)。

(10)

于是可以得到沉降值為5mm和15mm時(shí)的關(guān)于S/D和G的2個(gè)控制方程，分別以S/D為橫坐標(biāo)，G為縱坐標(biāo)作圖，則可得到分別對(duì)應(yīng)弱、無影響分區(qū)和強(qiáng)、弱影響分區(qū)界限的2條曲線?；赟/D和G(地層序號(hào))的影響分區(qū)見圖4。

根據(jù)圖4可得到相應(yīng)近接工點(diǎn)所處的影響分區(qū)。地層條件的不同，其決定強(qiáng)弱影響的凈距分界點(diǎn)也不同，隨地層條件的惡化而逐漸增大。理論上，強(qiáng)、弱影響區(qū)分界最小凈距為0.5D，最大凈距為1.8D；弱、無影響區(qū)最小凈距為1.3D，最大凈距為2.8D?；赟/D和G的影響區(qū)分界見表8。

圖4　基于S/D和G(地層序號(hào))的影響分區(qū)圖

圍巖級(jí)別強(qiáng)影響區(qū)分界弱影響區(qū)分界Ⅱ0.5D1.3DⅢ0.7D～1.2D1.7D～2.1DⅣ1.4D～1.6D2.3D～2.5DⅤ1.6D～1.8D2.6D～2.7D

4各影響區(qū)施工對(duì)策

為了減小鐵路隧道施工對(duì)高速公路隧道路面沉降的影響，由于高速公路隧道使用年限不長(zhǎng)，均為正常使用，正常保養(yǎng)和巡檢的結(jié)構(gòu)，所以主要著眼于對(duì)新建鐵路隧道采取對(duì)策，并對(duì)中間地層進(jìn)行加固。通過對(duì)同類工程歸納總結(jié)[8-11]，各影響區(qū)內(nèi)擬采用措施如下。

4.1強(qiáng)影響區(qū)措施

1)臺(tái)階法(臨時(shí)仰拱)施工，采用雙層φ108管棚超前支護(hù)，外插φ42小導(dǎo)管超前支護(hù)并超前周邊注漿，開挖后徑向注漿(洞周3～5 m)。

2)管棚環(huán)向設(shè)置范圍為拱墻180°，為增加管棚的剛度和強(qiáng)度，均加設(shè)鋼筋籠。

3)初期支護(hù)采用全環(huán)I20b型鋼鋼架0.6 m/榀。

4)采用非爆開挖。

4.2弱影響區(qū)措施

1)臺(tái)階法(臨時(shí)橫撐)施工，采用單層φ108管棚，環(huán)向間距0.4 m，外插φ42小導(dǎo)管超前支護(hù)，開挖后局部徑向注漿(洞周3～5 m)。

2)管棚環(huán)向設(shè)置范圍為拱墻180°。

3)采用控爆開挖，爆破震動(dòng)速度不大于10 cm/s。

4.3無影響區(qū)

為保證施工及高速公路隧道運(yùn)營(yíng)的安全，根據(jù)相關(guān)研究成果，當(dāng)S/D<5時(shí)，在下穿施工期間，需對(duì)既有隧道的爆破震動(dòng)速度進(jìn)行控制，爆破震動(dòng)速度不大于10 cm/s，同時(shí)根據(jù)實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，調(diào)整施工的措施。

5結(jié)論與建議

1)利用Midas GTS軟件對(duì)不同幾何近接度和地質(zhì)條件下鐵路隧道下穿高速公路隧道施工進(jìn)行數(shù)值模擬，以高速公路隧道的路面沉降為判斷準(zhǔn)則，15 mm為判斷閾值，得到基于幾何近接度和地質(zhì)情況的強(qiáng)、弱、無影響分區(qū)。地層條件的不同，其決定強(qiáng)弱影響的凈距分界點(diǎn)也不同，隨地層條件的惡化而逐漸增大。理論上，強(qiáng)、弱影響區(qū)分界最小凈距為0.5D，最大凈距為1.8D；弱、無影響區(qū)最小凈距為1.3D，最大凈距為 2.8D。

2)由于圍巖分級(jí)的復(fù)雜性，本文對(duì)圍巖等級(jí)的細(xì)分以及參數(shù)的選取都存在一定的片面性，分析所采用的假定跟實(shí)際工點(diǎn)有一定出入，研究成果尚缺乏實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的支撐。

3)之前近接工程的分區(qū)研究主要著重對(duì)幾何近接度的研究，對(duì)圍巖級(jí)別也只是簡(jiǎn)單地以Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)分類，對(duì)巖性的影響并無細(xì)致考慮。本文采用數(shù)值試驗(yàn)方法，通過隧道幾何近接度的變化、所處地層的變化(對(duì)圍巖級(jí)別進(jìn)行細(xì)分)得到多種工況下的高速公路隧道路面沉降值，通過統(tǒng)計(jì)方法得到基于這2個(gè)指標(biāo)的影響分區(qū)。

4)通過影響分區(qū)圖，可以將全線下穿高速公路隧道工點(diǎn)對(duì)號(hào)入座，以采用在相應(yīng)分區(qū)內(nèi)的經(jīng)濟(jì)合理的施工措施，也可供巖性相似的同類工程參考。

5)由于巖土工程數(shù)值分析的局限性，不可預(yù)見因素較多，進(jìn)一步的研究應(yīng)收集不同幾何近接度和地質(zhì)條件下近接工點(diǎn)的實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證基于數(shù)值試驗(yàn)影響分區(qū)的合理性。

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Study on Influence Zoning of Single-track Railway Tunnel Under-passing Expressway Tunnel at Mountainous Areas

YUAN Zhu, CHEN Yong， WANG Zhu

(ChinaRailwayEryuanEngineeringGroupCo.,Ltd.,Chengdu610031,Sichuan,China)

Abstract:With the development of infrastructure, large amounts of interchange projects appear inevitably. The railway tunnel under-passing expressway tunnel is prominent. Taking the design of a railway in mountain area of central Fujian province as an example, the influence zoning of single-track railway tunnel under-passing expressway tunnel is studied. The study contents and conclusions are as follows: 1) The numerical experiment of railway tunnel under-passing expressway tunnel is carried out by means of Midas GTS under different clear distances and geological conditions. The influenced zones,i.e. strongly influenced zone, weakly influenced zone and non-influenced zone,are abtained based on geometric adjacent degree and geological conditions and by using the settlement of expressway tunnel of 15 mm as a reference. The economical and rational construction countermeasure for every working point can be chose according to the influence zoning diagram. 2) The clear distance increases gradually with the deterioration of ground conditions. The demarcation point of strongly influenced zone and that of weakly influenced zone are 0.5D-1.8D theoretically; and the separating point of weakly influenced zone and that of non-influenced zone are 1.3D-2.8D theoretically.

Keywords:single-track railway tunnel; expressway tunnel; under passing; numerical experiment; geometric adjacent degree; geological conditions; influence zoning

中圖分類號(hào)：U 45

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-741X(2016)02-0164-06

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2016.02.007

作者簡(jiǎn)介：第一 袁竹(1985—)，男，四川樂山人，2010年畢業(yè)于西南交通大學(xué)，地下工程與隧道工程專業(yè)，碩士，工程師，現(xiàn)主要從事地下工程與隧道工程設(shè)計(jì)工作。E-mail: yuanzhu 204@foxmail.com。

收稿日期：2015-11-03; 修回日期: 2015-12-10