新建超淺埋下穿既有多線鐵路隧道修建方案優(yōu)化分析

朱招庚

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司地鐵院，四川成都 610031)

新建超淺埋下穿既有多線鐵路隧道修建方案優(yōu)化分析

朱招庚

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司地鐵院，四川成都 610031)

新建超淺埋下穿隧道對既有線路有著很大程度的影響，針對廈門高崎互通下穿工程鐵路隧道的合修和分修兩種方案，比較兩種方案開挖后的結(jié)構(gòu)力學(xué)行為、開挖產(chǎn)生的地表和地中位移以及斷面塑性變形等方面對此工程的施工方法進(jìn)行優(yōu)化比選。結(jié)果表明：兩種方案在施工過程中初期支護(hù)都能滿足強(qiáng)度要求并且在矩形隧道四角圍巖處產(chǎn)生拉應(yīng)力區(qū)；合修方案的塑性區(qū)要略大于分修方案；分修方案雖然最大位移稍大于合修方案但在控制地表位移方面發(fā)揮更好作用。最終得出分修方案要優(yōu)于合修方案的結(jié)論。

超淺埋； 下穿既有鐵路； 修建方案； 結(jié)構(gòu)力學(xué)行為

對于隧道建設(shè)而言，選擇適當(dāng)?shù)男藿ǚ绞绞菢O其重要的。隧道修建方式由隧道的斷面形狀、尺寸、當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)水文情況、施工工法等多種因素共同決定[1-5]。

目前為止，采用單洞雙線方案的有武廣、鄭西客運(yùn)專線隧道，而德國鐵路標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定長隧道和特長隧道只采用雙洞單線方案。鐘新[6]從投資、結(jié)構(gòu)、風(fēng)險(xiǎn)等多個方面對成蘭線隧道的合、分修方案進(jìn)行論證，得出分修方案適于復(fù)雜地質(zhì)地段、總長較長且輔助坑道選擇困難的隧道；合修方案適用于工程地質(zhì)條件較好，且輔助坑道設(shè)置條件良好的隧道。朱勇[7]通過對地形、地質(zhì)條件、輔助坑道設(shè)置狀況等8個方面進(jìn)行比較，得出云屯堡隧道宜采用合修方案修建的結(jié)論。劉鵬[8]從隧道施工風(fēng)險(xiǎn)、工期、運(yùn)營維護(hù)、工程投資等方面入手，對壁板坡隧道的分合修方案選擇條件進(jìn)行了論證和研究。趙勇[9]在既有工程基礎(chǔ)上對特長隧道選擇單洞雙線或雙洞單線時(shí)方案比較進(jìn)行分析。王夢恕[10]在總結(jié)大量工程成功經(jīng)驗(yàn)和失敗教訓(xùn)的基礎(chǔ)上提出單雙線隧道選擇原則。周林峰[11]從初期投資、運(yùn)營通風(fēng)、工期、施工風(fēng)險(xiǎn)和運(yùn)營風(fēng)險(xiǎn)、防災(zāi)救援等方面分析卡米埡隧道合修、分修方案，推薦采用分修方案。可見，分、合修方案的確定對隧道建設(shè)、當(dāng)?shù)丨h(huán)境、施工成本等多方面有著重大的影響。

高崎互通連接線下穿鐵路隧道埋深極淺，最小覆土厚度僅3m左右，隧道下穿段鐵路有3～4條股道交錯設(shè)置，段內(nèi)有特殊性巖土其中淤泥質(zhì)砂、淤泥質(zhì)土，條件復(fù)雜。本文從開挖后的結(jié)構(gòu)力學(xué)行為、開挖產(chǎn)生的地表和地中位移以及斷面塑性變形等方面，對高崎互通下穿鐵路隧道的分修、合修方案進(jìn)行比選和研究。

1 工程概況

1.1 概況

高崎互通連接線下穿隧道工程分為下穿鐵路隧道與下穿公路隧道兩部分。其中下穿鐵路隧道埋深極淺，最小覆土厚度僅3m左右，隧道下穿段鐵路有3～4條股道交錯設(shè)置，分別為鷹廈鐵路正線(電氣化鐵路)、車站牽出線、專用線，平面布置十分復(fù)雜，鐵路與擬建下穿隧道交角較小，影響范圍最長達(dá)107m。

1.2 建模參數(shù)及計(jì)算條件

本次計(jì)算采用平面模型計(jì)算。合修方案建模時(shí)，隧道頂部以上覆土為3m，隧道底部以下為30m，左右邊界都離隧道中線100m。分修方案建模時(shí)，隧道頂部以上覆土為3m，隧道底部以下為30m，左右邊界都離兩隧對稱軸線100m。兩種方案計(jì)算時(shí)，都約束左右邊界的水平位移，約束下邊界的豎向位移，上邊界為自由邊界。計(jì)算模型網(wǎng)格劃分見圖1。

圖1 模型網(wǎng)格劃分

本次計(jì)算所采用的計(jì)算參數(shù)具體見表1。

2 超淺埋隧道合修、分修方案比選優(yōu)化

2.1 初期支護(hù)內(nèi)力及安全系數(shù)

初期支護(hù)控制點(diǎn)分布見圖2，最終狀態(tài)內(nèi)力和安全系數(shù)見表2、表3。

表1 圍巖及支護(hù)參數(shù)

圖2 控制點(diǎn)布置

由計(jì)算結(jié)果分析可知：合修方案和分修方案在施工過程中初期支護(hù)都滿足強(qiáng)度要求。

2.2 地表沉降及地中位移

隧道施工引起的地表沉降具體見圖3。

圖3 地表沉降槽(單位：mm)

表2 合修方案最終狀態(tài)合修方案初支內(nèi)力和安全系數(shù)

表3 分修方案最終狀態(tài)分修方案初支內(nèi)力和安全系數(shù)

由圖3可知：合修方案最大地表沉降為1.9cm，發(fā)生在隧道中線的地表處。分修方案最大地表沉降為1.5cm，發(fā)生在位于兩隧正中的地表處。從控制地表位移的角度上看，分修方案比合修方案好。

2.3 塑性區(qū)發(fā)展情況

圍巖塑性區(qū)發(fā)展情況具體見圖4。

圖4 圍巖塑性區(qū)分布

由圖4分析可知：總體上看，合修方案和分修方案塑性區(qū)都很小，都在2m以內(nèi)，在洞室周圍分布較為均勻，中壁端頭附近發(fā)展較深，說明中壁發(fā)揮了承載作用；從局部上分析，合修方案塑性區(qū)略大于分修方案。

2.4 圍巖位移場

圍巖的位移場分布情況見圖5。

圖5 圍巖位移場云圖

由位移云圖5可以看出：合修方案和分修方案的圍巖最大位移都發(fā)生在左右邊墻的下部，最大分別為2.43cm和3.21cm。對于分修方案，兩隧道間的土體受施工影響大，因此，控制該部分土體的位移是控制地表位移的關(guān)鍵。

2.5 圍巖應(yīng)力場

圍巖的應(yīng)力場分布情況見表4及圖6。

表4 圍巖拉應(yīng)力分布情況

圖6 圍巖應(yīng)力場云圖

由圖6及表4分析，可知：合修方案和分修方案在矩形隧道四角處圍巖處產(chǎn)生拉應(yīng)力區(qū)，這與最小安全系數(shù)最小值發(fā)生的位置是吻合的；此外，合修方案在頂?shù)装逯醒胍彩抢瓚?yīng)力主要分布區(qū)。

3 結(jié)論

運(yùn)用數(shù)值計(jì)算方法對本下穿鐵路的合修和分修兩種方案進(jìn)行隧道施工安全性對比分析，通過比較兩種方案開挖后的結(jié)構(gòu)力學(xué)行為和開挖產(chǎn)生的地表和地中位移，可以得到如下結(jié)論：

(1)合修方案最小安全系數(shù)3.2，出現(xiàn)在左隧道的左下角和右隧道的右下角；分修方案最小安全系數(shù)為3.0，出現(xiàn)在隧道的右下角。因此，合修方案和分修方案在施工過程中初期支護(hù)都能滿足強(qiáng)度要求。

(2)合修方案的最大地表沉降為1.9cm，分修方案最大地表沉降為1.5cm從控制地表位移的角度上，分修方案優(yōu)于合修方案。

(3)合修方案和分修方案塑性區(qū)都很小，在開挖區(qū)外2m以內(nèi)，在洞室周圍分布較為均勻，中壁端頭附近發(fā)展較深，說明中壁發(fā)揮作用。

(4)合修方案和分修方案的圍巖最大位移都發(fā)生在左右邊墻的下部，分別為2.43cm和3.21cm?？刂品中薹桨钢袃伤淼乐g的土體位移是減小地表位移的關(guān)鍵。

(5)合修方案、分修方案在矩形隧道四角處圍巖處產(chǎn)生拉應(yīng)力區(qū)，這與最小安全系數(shù)最小值發(fā)生的位置是吻合的；此外，合修方案頂?shù)装逯醒胍彩抢瓚?yīng)力主要分布區(qū)。

綜上所述，廈門高崎互通下穿工程分修方案要優(yōu)于合修方案的結(jié)論。

隧道合、分修方案的選擇需要考慮的因素十分的繁雜，技術(shù)人員的知識水平及外部建設(shè)環(huán)境有很大的影響，有時(shí)甚至可能得出錯誤的結(jié)論。所以，完善我國隧道合、分修方案選擇的評價(jià)體系及評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是刻不容緩的。

[1] 關(guān)寶樹. 隧道及地下工程噴混凝土支護(hù)技術(shù)[M]. 北京:人民交通出版社， 2009.

[2] 王夢恕. 中國隧道與地下工程修建技術(shù)[M]. 北京:人民交通出版社， 2010.

[3] 杜宏寶. 黃土地質(zhì)條件下淺埋暗挖施工地表沉降控制及工程應(yīng)用[D]. 西安：西安建筑科技大學(xué)， 2009.

[4] 范曾國. 淺埋暗挖隧道下穿市區(qū)主干道、上跨地鐵盾構(gòu)隧道施工技術(shù)探討[J]. 陜西建筑， 2010 (4)：53-56.

[5] 盛明宏，方詩圣，宋亞. 軟弱地層淺埋雙連拱隧道施工方法[J]. 工程與建設(shè), 2007，21(3)：290-292.

[6] 鐘新, 周躍峰.成都至蘭州鐵路隧道合修和分修方案比較[J].高速鐵路技術(shù), 2011(3):330-334.

[7] 朱勇，吳華.成蘭鐵路云屯堡特長隧道合、分修方案研究[J].隧道建設(shè),2014,34(7):661-667.

[8] 劉鵬.滬昆客運(yùn)專線壁板坡隧道分合修方案研究[J].山西建筑,2011,37(15):150-152.

[9] 趙勇. 鐵路隧道建設(shè)的幾個問題[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2004(7):110-116.

[10] 王夢恕,張梅.鐵路隧道建設(shè)理念和設(shè)計(jì)原則[J].中國工程科學(xué), 2009, 11(12):4-8.

[11] 周林峰,余大龍. 長大鐵路隧道合修、分修方案比選[J].中國鐵路,2014(8):43-45.

朱招庚(1985～)，男，碩士研究生，工程師，主要從事軌道交通設(shè)計(jì)工作。

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[定稿日期]2017-10-20