新建巴萬高速公路隧道上穿既有襄渝鐵路隧道施工力學行為研究

李君君 劉傳濤 梁樹鋒

（石家莊鐵路職業(yè)技術學院1） 河北石家莊 050041 中鐵十八局集團建筑安裝工程有限公司2) 天津 300308 ）

1 工程概況

巴通萬高速公路位于四川省東北部，行政區(qū)劃屬四川省巴中市通江縣、達州市萬源市。羊子嶺隧道左右線分別在ZK231+193.753 和K231+171.228 處上跨襄渝鐵路二線羊子嶺鐵路隧道，左線上跨鐵路樁號為K441+490，右線上跨鐵路樁號為K441+524.74，位置圖如圖1 所示。

2 上穿交疊段隧道施工技術主要方案

圖1 新建高速公路與既有鐵路線路平面立面位置關系

2.1 開挖支護方案

交疊段的施工要點為“減少擾動、控制開挖、量測緊跟”，施工的重點就是要控制開挖對既有鐵路隧道的影響。交疊段隧道開挖方案如圖2 所示。主要施工順序如下：

（1）先進行Ⅰ號區(qū)域開挖，再進行Ⅱ號區(qū)域開挖，隨后進行Ⅲ號區(qū)域開挖。上臺階開挖每循環(huán)進尺控制在1 榀拱架長度（長度約60cm），開挖完成后立即進行初期支護。

（2）初期支護穩(wěn)定后開挖Ⅳ號區(qū)域核心土。

（3）在上導洞開挖不超過15m 范圍內(nèi)，開始組織進行下導洞Ⅴ號區(qū)域開挖，開挖完成后及時支護。

（4）Ⅴ區(qū)域支護完成后開始進行Ⅵ號區(qū)域開挖及支護，并及時封閉成環(huán)。仰拱封閉距離掌子面不得超過15m。下臺階每循環(huán)進尺不大于2 榀鋼架間距。

交疊段施工過程中，兩條隧道分開穿越交疊段，先行洞通過交疊段并支護后，后行洞方可進行交疊段的開挖。

2.2 控制爆破措施

從爆破振動效應的產(chǎn)生和影響因素的理論分析入手，結合以往工程實踐對爆破振動效應的實際測試結果和對隧道爆破減振問題系統(tǒng)地綜合研究，施工主要采取如下的隧道爆破減振技術措施：

（1）選用低爆速炸藥（2000～2500m/s），在相同條件下，低爆速炸藥的實測振速比普通二號巖石硝銨炸藥可降低64%～78.7%。推論在掏槽及一般炮眼選用爆速低一些的炸藥，產(chǎn)中的振動效應當然也會小一些。

（2）設法創(chuàng)造良好的掏槽爆破臨空面條件，爆破采用直眼掏槽，利用中空眼調(diào)節(jié)爆破臨空面，根據(jù)爆破實踐，確定中空眼數(shù)量，提高爆破效果。

（3）選用合理的段別，使段別間隔時差大于爆破振動主振相的延續(xù)時間，使每段炸藥爆破基本上做到獨立作用，避免爆破振動波的疊加作用。

（4）嚴格控制同段別最大裝藥量。

（5）對周邊采用分段預裂爆破，以減小掏槽掘進炮眼爆破對周邊圍巖的振動效應。

（6）控制掏槽、邊角、底板眼爆破的段裝藥量，一般取段最大允許裝藥量（Qmax）的70%。

在交疊段施工時，需對鐵路隧道K441+433.96～K441+558.86 段（長度124.9m）的襯砌結構進行凈空收斂位移量測、拱圈豎向位移量測、以及已有原始裂縫發(fā)展情況量測。

圖2 交疊段隧道開挖方案示意圖

3 新建隧道施工對交疊既有鐵路隧道影響數(shù)值計算分析

3.1 計算模型建立和參數(shù)選取

采用FLAC3D 大型通用有限元軟件進行計算分析，該計算模型取長150m、寬175m、高185m，共199261 個節(jié)點，594350 個單元，整體網(wǎng)格劃分如圖3 所示，相對位置關系見圖4,其中實體單元采用莫爾–庫侖彈塑性準則來模擬土體，彈性實體單元來模擬隧道二次襯砌和初期支護。

土層本構關系采用連續(xù)的理想彈塑性模型，根據(jù)本工程的地質勘察報告中取值，各層土的c、φ按直剪固快試驗指標取值計算，地質土層的主要物理力學參數(shù)見表1。

圖3 FLAC3D 計算模型

圖4 交叉隧道相對位置關系

表1 土層計算參數(shù)

3.2 計算荷載與施工狀態(tài)模擬

（1）初始地應力平衡

首先建立初始自重應力場，在實際工程中，由于天然土層在土體自重和周圍建筑物荷載作用下，已經(jīng)固結沉降完畢。因此，在利用有限差分元模擬施工過程時，模型中第一階段為初始應力計算階段，計算出土體及結構在自重作用下的位移場和應力場，通過軟件的位移清零功能消除已經(jīng)完成的沉降位移，并構造初始應力場。

（2）既有鐵路隧道及斜井的模擬

在初始地應力平衡的基礎上，參照既有鐵路隧道及斜井的施工過程，先后施做既有鐵路隧道及斜井，計算完成后通過軟件的位移清零功能消除已經(jīng)完成的沉降位移，以保證既有隧道位移為后續(xù)新建隧道工程施工時的附加位移。

（3）新建公路隧道施工過程模擬

新建隧道施工工序主要包括左線公路隧道施工、右線公路隧道施工。交疊段施工過程中，兩條隧道分開穿越交疊段，公路隧道先行洞通過交疊段30m 以上并支護后，后行洞再進入交疊段開挖,施工狀態(tài)模擬如圖5 所示。

3.3 計算結果分析

圖5 施工狀態(tài)模擬示意圖

新建羊子嶺隧道施工對既有鐵路隧道的影響分析，計算分析時，主要以沉降區(qū)發(fā)展來討論上下交叉隧道的影響程度。

既有鐵路隧道襯砌位移分析:

新建羊子嶺隧道左右線分別穿過既有鐵路隧道及施工斜井時，既有鐵路隧道襯砌產(chǎn)生的位移如圖6~圖7 所示。

圖6 新建公路隧道左線施工完成后既有鐵路隧道襯砌位移（m）

由圖6~圖7 新建公路隧道施工引起既有鐵路隧道襯砌位移可以看出，由于上部隧道施工的“卸載”作用，既有鐵路隧道襯砌主要表現(xiàn)為上浮，取既有鐵路隧道襯砌的左右邊墻、左右拱腰、拱頂?shù)忍卣鞑课回Q向變形曲線進行分析，如圖8~圖9 所示。

圖7 新建公路隧道右線施工完成后既有鐵路隧道襯砌位移（m）

圖8 新建羊子嶺隧道左線穿越既有鐵路隧道后特征點豎向變形增量曲線

由圖8~圖9 可知，最大上浮增量發(fā)生在左線隧道與既有鐵路隧道交叉的拱頂處，其值為3.3mm，最小上浮增量發(fā)生在軌道位置，其值為2.52mm。

圖9 新建羊子嶺隧道右線穿越既有鐵路隧道后特征點豎向變形增量曲線

4 爆破施工對既有鐵路隧道襯砌的影響分析

4.1 最大裝藥量確定

依據(jù)《爆破安全規(guī)程》（GB 6722-2014）13.2.2 條中地面建筑物、電站（長）中心控制室設備、隧道與巷道、巖石高邊坡和新澆大體積混凝土的爆破振動判據(jù)，采用保護對象所在地基質點峰值振動速度和主振頻率、安全允許標準中參數(shù)規(guī)定。由于既有鐵路隧道修建年份較長，隧道襯砌有部分缺陷，取規(guī)范安全允許振動速度最小值的20%，v=2cm/s，由于交叉隧道最小凈距為15.98m，且新建羊子嶺隧道拱頂距既有鐵路隧道距離為26m，上臺階距既有鐵路隧道距離為21m，仰拱距既有鐵路隧道距離為16m。故計算時R 分別取16m，21m，26m 時，按基本公式計算的最大裝藥量見表2。

表2 最大裝藥量統(tǒng)計

新建羊子嶺隧道上臺階爆破最大裝藥量為12.9kg，下臺階最大裝藥量為5.7kg。

4.2 數(shù)值模擬驗證

（1）爆破荷載的確定

在本次數(shù)值模擬中，動力荷載參照相關地層中現(xiàn)場實測的爆破振動速度數(shù)據(jù)進行輸入，計算時裝藥量為5.7kg，爆破距離既有鐵路隧道15.98m。

（）計算結果

監(jiān)測交叉點處既有鐵路隧道的拱頂與道床處豎向振動速度。監(jiān)測結果如圖10 所示。

圖10 豎向振動振動速度（cm/s）

由圖10 可知，在道床處的最大垂直加速度0.23cm/s，拱頂處的最大垂直加速度0.35cm/s，遠小于理論計算的震動值，故可以確定爆破控制范圍。

5 結語

通過對新建巴萬高速公路羊子嶺隧道上穿既有襄渝鐵路隧道近接施工的計算分析，新建羊子嶺隧道的施工對既有鐵路隧道會產(chǎn)生的影響較小，故在新建公路隧道施工中采用了如下對策，取得了很好的效果。

（1）交叉段遇到石質圍巖時，將臺階預留核心土法更改為臺階法進行開挖，減少分布爆破開挖對既有鐵路隧道襯砌的震動影響。

（2）通過理論分析和數(shù)值計算可知，既有鐵路襯砌結構的安全性滿足要求，不需對既有隧道襯砌結構進行特殊加固。

（3）新建羊子嶺隧道施工會對交叉隧道處的夾巖產(chǎn)生二次擾動，故需在新建羊子嶺隧道施工時采用控制爆破技術減少對夾巖的擾動，填藥量不能超過文中建議填藥量。