雙線公路隧道下穿鐵路隧道不同施工工法理論研究

黃海斌，周 平，陳 鵬，楊劍飛，2，馬德林

(1.西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點實驗室，成都 610031;2.中設(shè)設(shè)計集團股份有限公司，南京 210014)

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雙線公路隧道下穿鐵路隧道不同施工工法理論研究

黃海斌1，周 平1，陳 鵬1，楊劍飛1，2，馬德林1

(1.西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點實驗室，成都 610031;2.中設(shè)設(shè)計集團股份有限公司，南京 210014)

針對新建隧道下穿既有鐵路隧道施工安全性問題，基于有限元摩爾庫倫原理對不同施工工法的三維隧道交叉模型進行模擬分析。對比分析CD法、CRD法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的新建公路隧道下穿既有鐵路隧道引起的公路隧道施工不同部位穩(wěn)定性演變和運營鐵路隧道沉降變化，以期為類似工程提供借鑒作用。研究結(jié)果表明：對于自身隧道開挖，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法在控制拱頂沉降具有一定優(yōu)勢，但在水平收斂上CRD法效果最好，其次是雙側(cè)壁導(dǎo)坑法。不同工法對既有鐵路隧道的沉降影響不同，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法公路隧道施工對既有鐵路隧道的沉降影響最小，且不建議在交叉隧道處采用CD法進行施工。

公路隧道；交叉模型；CD法；CRD法；雙側(cè)壁導(dǎo)坑法

隨著我國西部大開發(fā)不斷推進，通往西部的交通需求快速增長[1]，尤其是公路和鐵路隧道逐漸增多[2]。由于西部地區(qū)地勢較為復(fù)雜[3]，這就導(dǎo)致在路線規(guī)劃中新建隧道與既有鐵路隧道不可避免的相互交叉[4]。新建隧道下穿既有鐵路隧道不僅對鐵路隧道的安全運營產(chǎn)生不利影響，同時會影響新建隧道安全施工[5-6]，嚴(yán)重的會造成既有運營隧道和施工隧道的破壞，引起較大的安全事故和經(jīng)濟損失[7]。鑒于新建結(jié)構(gòu)對既有結(jié)構(gòu)影響的復(fù)雜性[8-9]，對比分析新建隧道不同施工工法對既有隧道影響具有重要意義。國內(nèi)外學(xué)者研究新建隧道施工對既有隧道影響成果較多，但是往往停留在單一的施工方法研究上[10-15]。較少有學(xué)者在新建與既有隧道領(lǐng)域?qū)追N施工方法影響進行對比分析。

結(jié)合某新建雙線公路隧道與既有鐵路隧道交叉關(guān)系，基于摩爾庫倫理論，利用有限元建立三維隧道模型，分別采用CD法，CRD法以及雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的公路隧道施工，對比3種施工方法下的公路隧道施工對上部既有鐵路隧道以及施工公路隧道影響，以期為類似工程施工提供借鑒和幫助作用。

1 工程概況

本隧道總體呈東西走向，設(shè)計采用雙洞分離式隧道方案，左洞起訖里程樁號為Z2K106+960～K109+900，右洞起訖里程樁號為K106+960～K109+775，左線隧道長為2 940 m，右線隧道長為2 815 m。設(shè)計隧道最大埋深約為302 m。公路隧道下穿鐵路隧道交叉處左右洞凈距約為24.5 m，左右線隧道拱頂與鐵路軌頂?shù)膬艟喾謩e為19.5 m和18.5 m。隧道交叉段空間位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 新建公路隧道與既有鐵路隧道位置關(guān)系(單位：cm)

2 模型建立及求解

鐵路隧道受公路隧道開挖的影響主要體現(xiàn)為底板沉降，影響主要表現(xiàn)在一方面可能造成線路兩股鋼軌頂面的相對高差超限，另一方面可能造成前后沿線路方向的豎向平順性超限，軌道前后高低不平順對線路運營危害較大。采用CD法，CRD法以及雙側(cè)壁導(dǎo)坑法分別研究新建公路隧道下穿既有鐵路隧道對公路隧道施工和運營鐵路隧道影響。通過對比分析不同施工方法狀態(tài)下公路隧道拱頂下沉、側(cè)墻水平位移、運營鐵路隧道墻腳和拱頂位移沉降。

2.1 模型建立

模型巖土材料彈性模量E=1.2×109N/m2、容重(飽和)γ=2 500 N/m3、黏聚力c=2 941 995 N/m2、內(nèi)摩擦角φ=35°、泊松比為0.35；襯砌材料E=3.3×1010N/m2、γ=2 500 N/m3、泊松比v=0.3；模型襯砌材料類型為板/平面單元，厚度取0.25 m；錨桿材料類型采用桁架/植入式桁架，桁架類型為線彈性類型。模型整體尺寸為180 m×100 m×100 m，外部巖體網(wǎng)格尺寸為20 m，內(nèi)部隧道網(wǎng)格尺寸為2 m。每步開挖進尺為2 m。其中雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的實體模型如圖2所示。

圖2 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法網(wǎng)格模型圖和公路隧道 模型的襯砌析取模型

2.2 結(jié)果分析2.2.1 CD法

提取出公路隧道與鐵路隧道相應(yīng)位置點的位移變化值，作為評價不同施工方法對鐵路隧道影響研究的參照點。對于CD法，由公路隧道左右線交叉斷面拱頂監(jiān)測點處位移沉降趨勢如圖3所示，隨著開挖的進行，左右線公路隧道拱頂沉降呈現(xiàn)不斷增大的趨勢。對比左右兩側(cè)交叉斷面處監(jiān)測點沉降走勢圖，由于開挖先后的順序左洞隧道的拱頂沉降要領(lǐng)先于右洞隧道。公路隧道交叉斷面處監(jiān)測點拱頂位移變化不大，隨著掌子面的推進，開挖面到達(dá)監(jiān)測點處沉降值會發(fā)生突變，隨著襯砌的施作，變化率趨于平緩，之后由于鋼支撐的拆除，圍巖支護剛度驟然下降，監(jiān)測點處位移變化率加大，最后兩交叉斷面處監(jiān)測點位移穩(wěn)定在11.4 cm。

圖3 CD法公路隧道施工拱頂沉降曲線

圖4為CD法施工時交叉斷面處雙線公路隧道側(cè)墻的位移變化趨勢，左、右線水平位移監(jiān)測點分別設(shè)置在交叉斷面的兩側(cè)拱腰上。右線兩監(jiān)測點在開挖開始階段位移不明顯，在掌子面到達(dá)監(jiān)測斷面附近時兩側(cè)點開始背向移動，并在之后水平位移達(dá)到峰值21 cm，隨著監(jiān)測斷面的拆撐，兩側(cè)點開始相向移動，最后水平收斂穩(wěn)定在12 cm。左線水平位移變化趨勢與右線大致相同，位移峰值26 cm，穩(wěn)定于15 cm。對比左線和右線公路隧道，左線公路隧道由于開挖順序的問題滯后于右線，又因為單條公路隧道跨度為18.8 m，兩隧道凈距為24.5 m，屬于小凈距隧道的施工。

圖4 CD法公路隧道施工水平位移曲線

圖5為CD法交叉處既有鐵路隧道側(cè)墻沉降，既有鐵路隧道交叉斷面處墻腳下沉，測點位于拱頂下沉測點下方。監(jiān)測點在開挖開始階段位移不明顯，在掌子面到達(dá)監(jiān)測斷面附近時鐵路隧道墻角下沉量急劇增大最后趨于穩(wěn)定，右線墻腳下沉最終為40 mm，左側(cè)墻角下沉最終為35 mm。采用CD法進行施工時，既有鐵路隧道拱頂監(jiān)測點沉降在總體上表現(xiàn)出一致的規(guī)律，如圖6所示，其中交叉處正上方的兩個測點處沉降最大，均達(dá)到40 mm，基本上與拱頂沉降相同，兩邊監(jiān)測點沉降較小，在10 mm左右。

圖5 CD法交叉處既有鐵路隧道側(cè)墻沉降曲線

圖6 CD法鐵路隧道縱向沉降曲線

2.2.2 CRD法

針對CRD隧道施工方法，由圖7可知，隨著施工步驟的不斷推進，施工對交叉斷面處影響不斷增加，左右洞拱頂監(jiān)測點處沉降量逐漸增大，最終沉降量為96 mm(左洞)和94 mm(右洞)。分析拱頂沉降走勢可知，剛開始隨著開挖的進行，公路隧道拱頂沉降量迅速增加，掌子面越接近拱監(jiān)測點，開挖對監(jiān)測點的影響也就越大，公路隧道拱頂監(jiān)測點拱頂沉降量變化趨勢也就越劇烈，后伴隨著監(jiān)測點附近襯砌的施作，該位置處土體所受約束顯著增強，同時伴隨著掌子面的遠(yuǎn)離，開挖對拱頂監(jiān)測點影響降低，故拱頂監(jiān)測點沉降曲線變化趨勢逐漸趨于平緩。圖8是CRD法公路隧道側(cè)墻監(jiān)測點水平位移趨勢，CRD法施工時公路隧道隧道水平收斂的情況。隨著開挖的進行，公路隧道交叉斷面(監(jiān)測斷面)水平收斂值不斷增大，后伴隨著襯砌的施做，公路隧道監(jiān)測斷面附近土體所受約束和支護剛度的增強，公路隧道監(jiān)測斷面收斂值逐漸趨于平穩(wěn)最終收斂值分別為27 mm(右洞)，22 mm(左洞)。

圖7 CRD法公路隧道施工拱頂沉降曲線

圖8 CRD法公路隧道施工水平位移曲線

圖9為既有鐵路隧道沉降曲線，既有鐵路隧道的整體性較好，4個檢測點(鐵路隧道與左洞交叉斷面、鐵路隧道與右洞交叉斷面各2個)沉降趨勢(圖10)大致相同。同時，采用CRD施工方法，鐵路隧道監(jiān)測點沉降位移分別為19 mm(鐵路隧道交叉1處)、20 mm(鐵路隧道交叉2處)、23 mm(鐵路隧道交叉3處)和24 mm(鐵路隧道交叉4處)。對CRD施工方法鐵路隧道各監(jiān)測點豎向位移進行匯總并繪制包絡(luò)圖，如圖10所示，由于公路隧道開挖對其正上方影響最大，隨著距離的增大，影響減小，兩隧道之間為近接施工的混合影響范圍，故包絡(luò)線呈“W”形。整個施工階段各監(jiān)測點豎向位移最大值為21 mm。

圖9 CRD法交叉處既有鐵路隧道側(cè)墻沉降曲線

圖10 CRD法鐵路隧道縱向沉降曲線

2.2.3 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法

同理，圖11為雙側(cè)壁導(dǎo)坑法公路隧道施工拱頂沉降曲線，其沉降規(guī)律隨開挖步數(shù)的增加與CD法和CRD法類似，但最終沉降在75 mm，其原因在于剛開始開挖時，拱頂沉降急劇下降，變化較快，隨著雙側(cè)壁導(dǎo)坑襯砌的施做，土體變形受到約束，沉降趨勢逐漸趨于平緩。圖12為雙側(cè)壁法施工時交叉斷面處雙線公路隧道側(cè)墻的位移變化趨勢，左、右線水平位移監(jiān)測點分別設(shè)置在交叉斷面的兩側(cè)拱腰上。在掌子面到達(dá)監(jiān)測斷面附近時兩側(cè)點開始背向移動，并在之后水平位移達(dá)到峰值5～12 cm，支撐的拆除減小了隧道支護體系的剛度和隧道對水平以及豎向位移的約束能力，故伴隨著拆撐的進行，公路隧道拱頂位移和水平收斂進一步增加。同時，隧道雙洞的施工屬于近接施工，故左右洞的施工均會對另一個洞的拱頂位移和水平收斂產(chǎn)生影響。

圖11 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法公路隧道施工拱頂沉降曲線

圖12 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法公路隧道施工水平位移曲線

雙側(cè)壁導(dǎo)坑法交叉處既有鐵路隧道側(cè)墻沉降如圖13所示，交叉處的沉降趨勢演變一致，在掌子面到達(dá)監(jiān)測斷面附近時，鐵路隧道墻角下沉量急劇增大最后趨于穩(wěn)定，最終沉降穩(wěn)定在12 mm。采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法進行施工時，既有鐵路隧道拱頂監(jiān)測點沉降在總體上表現(xiàn)出一致的規(guī)律，如圖14所示，其中交叉處正上方的兩個測點處沉降最大，均達(dá)到13 mm。

圖13 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法交叉處既有鐵路隧道側(cè)墻沉降

圖14 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法鐵路隧道縱向沉降曲線

2.3 對比研究

圖15和圖16分別為公路隧道的拱頂沉降和水平位移對比。在拱頂沉降上，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法拱頂下沉值最小，在控制拱頂沉降方面比CRD法和CD法更有優(yōu)勢。水平收斂上采用CRD法比雙側(cè)壁導(dǎo)坑法引起的水平收斂效果要好，但CD法水平收斂上效果相對較差。雙側(cè)壁導(dǎo)坑法各部分開挖的面積較小，形成的結(jié)構(gòu)不利于結(jié)構(gòu)收斂變形。CRD法每部分襯砌閉合成環(huán)較好，開挖圍巖擾動較少，整體效果好。CD法中隔壁的效果在于控制拱頂部位，但側(cè)墻水平收斂上控制較為薄弱。

圖15 公路隧道不同施工工法拱頂沉降對比

圖16 公路隧道不同施工工法側(cè)墻水平位移

圖17和圖18分別為采用不同施工工法時既有鐵路隧道側(cè)墻沉降和縱向沉降對比。從沉降最終趨勢可以看出：雙側(cè)壁導(dǎo)坑法公路隧道施工引起的既有鐵路隧道沉降最小，其次是CRD法和CD法，從施工工序和機理不難發(fā)現(xiàn)，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法不僅對公路隧道拱頂沉降控制最好，對上部既有鐵路沉降影響也最小。

圖17 不同施工工法交叉處既有鐵路隧道側(cè)墻沉降曲線

圖18 不同施工工法鐵路隧道縱向沉降曲線

3 結(jié)論

(1)采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法對控制新建公路隧道拱頂沉降效果最佳，最終沉降值約為7.5 cm；CRD法次之，最終沉降量約為9.5 cm；CD法效果最差，最大沉降超過11.5 cm。因此就控制公路隧道拱頂下沉而言推薦采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法。

(2)在控制新建公路隧道水平收斂上，CRD法相對于其他工法水平位移要小，其次是雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，且兩工法在水平位移數(shù)值上較為相近。CD法由于開挖洞室缺少水平支撐，導(dǎo)致在水平收斂控制上效果最差，不推薦使用。

(3)雙側(cè)壁導(dǎo)坑法公路隧道施工引起的既有鐵路隧道沉降最小，其次是CRD法和CD法。公路隧道開挖對其正上方影響最大，隨著距離的增大，影響減小，兩隧道之間為近接施工的混合影響范圍，鐵路隧道最終沉降曲線呈“W”形。

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Theoretical Research on Different Construction Methods for Double-line Highway Tunnel Under-passing Existing Railway Tunnel

HUANG Hai-bin1， ZHOU Ping1， CHEN Peng1， YANG Jian-fei1，2， MA De-lin1

(1.Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering， Ministry of Education， School of Civil Engineering Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， China; 2.China Design Group Co.， Ltd.， Nanjing 210014， China)

In view of the safety issues involved in the construction of the new tunnel under-passing the railway tunnel， this paper conducts simulation analysis of 3D tunnel cross model with different construction methods based on finite element Mohr Coulomb principle. Besides， this paper studies the effect of CD method， CRD method and double side drift method respectively on the settlements of different construction parts of the highway tunnel and the operating railway tunnel， caused by the newly-built highway tunnel under-passing the existing railway tunnel. The results show that the double side drift method has an advantage in controlling the arch crown settlement comparatively， while the CRD method is the best in controlling horizontal displacement， and the double side drift method takes the second place. As for the settlement of the existing railway tunnel， different construction methods pose different effects， while the double side drift method adopted in the highway tunnel construction has the minimum effect. In addition， CD method is not recommended for construction in the crossing tunnels.

Highway tunnel; Cross model; CD method; CRD method; Double side drift method

2016-04-11；

2016-04-18

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)專項資金(SWJTU11ZT33)；教育部創(chuàng)新團隊發(fā)展計劃(IRT0955)

黃海斌(1992—)，男，碩士研究生，研究方向：海底隧道設(shè)計、既有隧道病害檢測及評價技術(shù)。

1004-2954(2016)11-0104-05

U455

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2016.11.023