洺水隧道下穿邢汾高速公路安全性分析

胡玉林

（中鐵第五勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司 北京市 102600）

洺水隧道下穿邢汾高速公路安全性分析

胡玉林

（中鐵第五勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司 北京市 102600）

和順至邢臺鐵路洺水隧道下穿邢汾高速公路且臨近其橋臺，根據(jù)工程類比并借助數(shù)值分析，從爆破安全距離、交叉穩(wěn)定性分析、爆破分析等方面，分析了隧道施工對高速公路的影響。結(jié)果表明，隧道下穿高速公路Ⅳ級圍巖段采用型鋼鋼架支護(hù)和三臺階臨時仰拱法施工能有效地控制路面及橋臺沉降，采用控制爆破并減小開挖進(jìn)尺，能有效降低爆破施工對公路橋臺的影響，為設(shè)計施工提供了依據(jù)。

鐵路隧道；下穿高速公路；三臺階臨時仰拱法；控制爆破；數(shù)值分析

新建鐵路隧道下穿既有公路的施工不可避免地會對地層產(chǎn)生擾動，從而導(dǎo)致不同程度的地面沉降，對鐵路施工和公路運營安全產(chǎn)生不利影響，而對于隧道開挖過程中的圍巖變形及公路路面沉降難以準(zhǔn)確把握。因此如何選擇合理的施工方法和支護(hù)措施，減小隧道施工對既有公路的影響顯得尤為重要。數(shù)值方法結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，指導(dǎo)隧道的設(shè)計施工。本文采用三維有限元數(shù)值方法，以和邢鐵路新建洺水隧道下穿既有邢汾高速公路工程為背景，對施工過程中隧道開挖和爆破振動對高速公路路面及橋臺的影響進(jìn)行模擬分析，為鐵路隧道施工安全及既有高速公路行車安全提供依據(jù)。

1 工程概況

新建和順至邢臺鐵路為國鐵I級單線鐵路，設(shè)計速度目標(biāo)值120km/h。鐵路線位受地形條件、風(fēng)景名勝區(qū)、車站布置條件等因素影響，最終確定以洺水隧道下穿邢汾高速公路。洺水隧道起訖里程為D2K45+514～D2K45+777.6，全長263.6m，為單線隧道。隧道襯砌內(nèi)輪廓軌面以上凈空高6.7m，寬6.7m。

洺水隧道與邢汾高速公路交叉角度約52°，隧道D2K45+631～D2K45+711段下穿邢汾高速公路，隧道與高速公路左、右線交叉處的公路里程分別為ZK81+685和YK81+649，該段隧道拱頂外緣距公路路面約42.75m。其平面及縱斷面位置關(guān)系詳見圖1和圖2。本隧道臨近邢汾高速公路洺水1號大橋橋臺，其中高速公路左線10號橋臺與隧道水平最小凈距約11.84m，與隧道拱頂高差約33.34m；高速公路右線10號橋臺與隧道水平最小凈距約10.34m，與隧道拱頂高差約34.15m，橋臺均為重力式U型臺。

2 工程地質(zhì)概況

洺水隧道穿越低中山區(qū)，下穿高速公路段為Ⅳ級圍巖，地層為震旦系下統(tǒng)常州溝組砂巖，弱風(fēng)化，細(xì)粒結(jié)構(gòu)，中厚層狀構(gòu)造，主要礦物成分為石英、長石，巖體呈塊狀，較完整。本隧道穿越山體受近南北向構(gòu)造影響強烈，洞身處發(fā)育正斷層fms-1，斷層帶中心與線路相交于D2K45+630附近，斷層帶范圍基本為D2K45+580～D2K45+680，其影響帶范圍覆蓋整個隧道洞身。區(qū)內(nèi)地下水主要為基巖裂隙水，賦存于砂巖風(fēng)化裂隙中，主要接受大氣降水補給，埋深較大，對隧道工程基本無影響。

3 隧道支護(hù)措施和施工方法

為確保隧道施工安全及既有高速公路行車安全，開挖前隧道拱部采用Φ42mm小導(dǎo)管進(jìn)行超前預(yù)支護(hù)，小導(dǎo)管長4.0m，環(huán)向間距0.4m，并對隧道拱部160°范圍進(jìn)行注漿加固。初期支護(hù)全環(huán)采用I16型鋼鋼架，間距1.0m/榀，二襯采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。同時為盡量減小隧道開挖對高速公路路面及橋臺沉降的影響，該段隧道按三臺階臨時仰拱法施工，如圖3所示。隧道上、中臺階每循環(huán)開挖支護(hù)不應(yīng)大于1榀鋼架間距，下臺階每循環(huán)開挖支護(hù)進(jìn)尺不得大于2榀。二襯及時施作，二襯距離掌子面的距離不得大于70m。

隧道開挖和支護(hù)結(jié)構(gòu)施工順序為：首先在上一循環(huán)的超前支護(hù)防護(hù)下，弱爆破開挖①部，接著施作①部周邊的初期支護(hù)，即初噴40mm厚混凝土，鋪鋼筋網(wǎng)，架立鋼架并設(shè)鎖腳錨管，鉆設(shè)Φ22系統(tǒng)錨桿，復(fù)噴混凝土至設(shè)計厚度；施作上臺階臨時仰拱，即導(dǎo)坑底部鋪設(shè)I16臨時鋼架并噴15cm厚混凝土。中、下臺階左、右兩側(cè)錯開施工，即滯后①部5～6m弱爆破開挖②-1部，在②-1部推進(jìn)3～4m后開始開挖②-2部，并施做中臺階臨時仰拱；在②-2部推進(jìn)5～6m后弱爆破開挖③-1部，在③-1部推進(jìn)3～4m后開始開挖③-2部；在滯后③-2部約8～10m后開挖④部；各部施工工序同①部，即初噴混凝土，鋪鋼筋網(wǎng)，架設(shè)鋼架并設(shè)鎖腳錨管，復(fù)噴混凝土至設(shè)計厚度。在仰拱、邊墻基礎(chǔ)及仰拱填充施作完成后，根據(jù)監(jiān)控量測分析，確定二次襯砌施作時機，拆除臨時仰拱后施作二次襯砌。

4 隧道與高速公路交叉安全性分析

根據(jù)高速公路管理部門要求，為減少對地表既有構(gòu)筑物的擾動，本隧道采用預(yù)裂爆破開挖，高速公路橋臺基礎(chǔ)沉降不得大于5mm，路面沉降不得大于30mm。因此從爆破施工安全性、隧道下穿高速公路穩(wěn)定性及爆破振動分析等方面通過計算和數(shù)值模擬來評價設(shè)計方案的安全性。

4.1爆破施工安全性分析

按照《爆破安全規(guī)程》相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，橋臺的安全振動速度可以取5cm/s，考慮到本項目的重要程度，本次分析取一定的安全系數(shù)，將質(zhì)點安全允許振速確定為2cm/s。

根據(jù)《爆破安全規(guī)程》，爆破振動安全距離如下式所示：

其中：R—爆破振動安全距離（m）；

V—爆破振動控制速度（cm/s），取2cm/s；

Q—炸藥量（kg），齊發(fā)爆破時取總裝藥量，分段起爆時取最大段裝藥量，根據(jù)隧道預(yù)裂爆破分部開挖確定的最大裝藥量為7kg；

m—藥量指數(shù)，取1/3；

K、a—與爆破點地形、地質(zhì)等條件有關(guān)的地質(zhì)系數(shù)和地震波衰減指數(shù)，在本工程分析中，K取200，a取1.7。

經(jīng)過計算可得爆破振動安全距離R=28.7m。

邢汾高速公路路面距離隧道拱頂凈距約為42.75m，洺水1號大橋左線10號橋臺與隧道拱頂凈距約為35.38m，右線10號橋臺與隧道拱頂凈距約為35.68m。通過計算結(jié)果可以看出，按2cm/s的振動速度考慮，高速公路構(gòu)筑物與隧道的凈距均大于爆破振動安全距離，因此，隧道施工過程中的爆破振動對公路的安全影響很小。

4.2隧道下穿高速公路穩(wěn)定性分析

本次計算是針對洺水隧道與邢汾高速公路之間橫向距離最小的橋臺以及洞頂上方的路面而進(jìn)行，橋臺與隧道水平最小凈距約10.34m，與隧道拱頂高差約34.15m。

4.2.1三維數(shù)值計算模型的建立

有限元計算采用地層-結(jié)構(gòu)模式，開挖采用三臺階臨時仰拱法，利用MIDAS-GTS軟件建立三維計算模型，計算區(qū)域根據(jù)新建隧道和高速公路橋臺及路面的相對位置情況，并滿足相應(yīng)的邊界效應(yīng)要求，模型沿隧道縱向取50m，橫向和縱向考慮應(yīng)超過隧道的影響范圍（3～5倍洞徑），均取73m。網(wǎng)格模型如圖4所示。

在計算過程中，圍巖材料采用摩爾-庫侖本構(gòu)模型，支護(hù)結(jié)構(gòu)采用線彈性模型。隧道的支護(hù)（包含臨時仰拱在內(nèi)）結(jié)構(gòu)均采用二維板單元進(jìn)行模擬。橋臺為重點分析對象，對其進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，計算仍采用實體單元模擬，其基礎(chǔ)嵌入地層中，與地層共同作用協(xié)調(diào)變形。

根據(jù)地勘資料以及相應(yīng)技術(shù)規(guī)范，考慮本隧道受斷層影響較大，確定在有限元分析中所采用的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示：

表1　材料物理力學(xué)指標(biāo)

4.2.2計算結(jié)果

整體豎向位移、橋臺豎向位移以及路面豎向位移云圖見圖5～圖7。

由圖5可以看出，由隧道開挖引起的拱頂沉降約為1.2cm，引起的基底隆起約為2.5cm。由圖 6可以看出，由隧道開挖引起的橋臺沉降在近隧道端（圖中右側(cè)區(qū)域）沉降較大，遠(yuǎn)離隧道端（圖中左側(cè)區(qū)域）沉降相對較小，開挖引起的最大沉降約為3.1mm。橋臺基礎(chǔ)最大傾斜值為 0.00035，滿足相關(guān)規(guī)范對基礎(chǔ)不均勻沉降的要求。由圖7可以看出，由隧道開挖引起的路面沉降在隧道頂部沉降較大，遠(yuǎn)離隧道端沉降相對較小，開挖引起的最大沉降約為3.6mm。

4.2.3計算結(jié)果分析

通過開挖后整體位移云圖可以看出，土體應(yīng)力受擾動十分明顯的只有隧道開挖外約0.3～0.5倍洞徑區(qū)域，而在一倍洞徑以外的位置，影響非常小。整體豎向位移圖中表明，隧道拱部及仰拱以下出現(xiàn)的應(yīng)變較大，土體會出現(xiàn)一定的下沉或隆起，其范圍均在大約1～1.5倍洞徑區(qū)域。通過計算分析可知，鐵路隧道開挖其影響范圍明顯區(qū)域在一倍洞徑范圍內(nèi)，隧道開挖對上方公路的影響較小。

從計算結(jié)果來看，通過三臺階臨時仰拱法開挖，橋臺的最大沉降約3.1mm左右，滿足橋臺沉降不得大于5mm的控制要求，路面最大沉降約3.6mm，也滿足20～30mm的控制要求。

4.3爆破模擬分析

4.3.1三維數(shù)值計算模型的建立

為評估隧道爆破對地表高速公路橋臺的影響，對隧道的爆破振動問題建立三維模型進(jìn)行瞬態(tài)動力分析，爆破進(jìn)尺為1m。由于隧道爆破為分段爆破，對周邊建筑影響最大的炸藥段位為掏槽段，因此僅計算掏槽段位的爆破振動影響。爆破振動模型的建立（幾何尺寸、網(wǎng)格劃分）均與前述靜力分析相同，區(qū)別在于邊界條件以及荷載加載方式的不同。

在本數(shù)值模型中，采用1972年Lysmer和 Wass所提議的粘性邊界（viscous Boundary）理論，利用MIDAS-GTS中的曲面彈簧功能來建立邊界條件。在爆破振動數(shù)值模擬分析中將爆破荷載簡化為具有線性上升段和下降段的三角波形荷載，如圖8所示，假定作用在隧道開挖面上，方向垂直于開挖面洞壁。

爆破荷載的應(yīng)力峰值（kPa）采用如下經(jīng)驗公式求解：

R*—爆心至荷載作用面的距離（m）；

Q—炸藥量（kg），此處取掏槽孔的總裝藥量，取7kg。

4.3.2爆破計算結(jié)果分析

選取靠近隧道側(cè)的橋臺基礎(chǔ)的4個角點作為關(guān)鍵點進(jìn)行分析，其振動速度如圖9所示。通過計算結(jié)果可知，橋臺基礎(chǔ)的最大振動速度約為1.25 cm/s，滿足質(zhì)點安全允許振速2cm/s的要求，隧道爆破造成的橋臺振動速度未超過規(guī)范安全界限。

5 結(jié)論及建議

洺水隧道下穿公路段采用三臺階臨時仰拱法施工，采用預(yù)裂爆破技術(shù)，能滿足相關(guān)安全要求。

（1）質(zhì)點安全允許振速按2cm/s、預(yù)裂爆破最大裝藥量按7kg、爆破進(jìn)尺按1m考慮，爆破振動安全距離為28.7m，計算所得爆破振動安全距離小于高速公路構(gòu)筑物與隧道的凈距，因此，隧道爆破施工的振動對公路的安全影響可控。

（2）根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，新建鐵路隧道下穿邢汾高速公路引起的橋臺沉降約3.1mm、路面最大沉降約3.6mm，滿足相關(guān)要求。

（3）根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，在爆破沖擊荷載作用下，橋臺基礎(chǔ)最大振速約為1.25cm/s，振速未超過預(yù)設(shè)允許標(biāo)準(zhǔn)2cm/s的要求。

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Analysis on Safety of Xingfen Expressway Under Mingshui Tunnel

HU Yu-lin

（China Railway Fifth Survey and Design Instirute Group Co.，Ltd.，Beijing 102600，China）

Xingfen Expressway under Mingshui Tunnel of Heshun-Xingtai Railway closes to its bridge abutment.According to engineering analogy and numerical analysis，the influences of tunnel construction on expressway are analyzed from aspects of blasting safety distance，cross stability analysis，blasting analysis and so on.The results show that the construction of profile steel frame support adopted for Grade IV surrounding rock section of expressway under the tunnel and three-bench temporary invert method can effectively control the pavement and bridge abutment settlement，and blasting control and reduction of excavation footage can effectively reduce the influence of blasting construction on bridge abutment of highway，thus providing basis for design construction.

Railway tunnel；Underpass superhighway；Three-bench temporary invert method；Blasting control；Numerical analysis

U458

B

1673-6052（2016）01-0062-05

10.15996/j.cnki.bfjt.2016.01.016