新越西隧道近距離下穿既有線施工安全分析

武建林 蔣仁國 孫德金

【摘 ?要】為研究在隧道下穿鐵路既有線隧道時對既有線的影響，保證既有線隧道的安全及采取措施的合理性，以新越西隧道為例，對隧道的施工過程進行了數(shù)值模擬，從理論上分析其可行性，同時和現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)進行對比優(yōu)化，保障下穿既有線的安全。

引言：

隧道鐵路建設(shè)規(guī)模的不斷擴大，線路縱橫交錯的現(xiàn)象越來越多，新建隧道下穿既有線隧道的現(xiàn)象有時已無法避免。新建隧道是一個巖體卸荷的過程，勢必會引起鄰近隧道位移的變形及應(yīng)力的重分布，這是一個必然發(fā)生的過程。特別是近距離下穿，施工安全風險大，如何保障既有線隧道的施工安全，越來越被重視，對此方面的研究也越來越多。

一、工程概況

隧道于D2K317+582.74處下穿既有越西二號隧道，與既有隧道交叉里程為K372+727，平面交角約93°，新線隧道拱頂與既有線軌面間距為22.06m，新建隧道交叉點范圍地質(zhì)為砂巖、泥巖、頁巖夾煤線，穿越含煤地層，為低瓦斯段落。

既有隧道交點前后50m范圍主要為炭質(zhì)頁巖、砂頁巖互層地質(zhì)，砂頁巖層成塊狀，頁巖層夾有煤線，煤層厚 0.3-0.4m。既有線為單線隧道，交叉段既有線級別為V級。此處在修建時曾發(fā)生過塌方，后經(jīng)處理順利通過。根據(jù)新建隧道超前地質(zhì)水平鉆取芯結(jié)果，巖質(zhì)較完整，比原設(shè)計圍巖偏好些。

下穿段D2K317+563～～+603及平導相應(yīng)里程范圍采用機械開挖;正洞采用φ 108大管棚，三臺階加臨時仰拱開挖，初支采用HW200型鋼鋼架，二次襯砌為Ⅴc型襯砌，平導采用φ89大管棚。

二、施工建模分析

1、建模

結(jié)合新建越西隧道工程地質(zhì)條件、施工工法、隧道與既有線相對位置關(guān)系及工程處理措施等因素，在充分模擬研究區(qū)域地形地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，建立地層、新建隧道、既有隧道整體三維有限元計算模型開展變形分析，以研究新建隧道對既有隧道影響。三維有限元計算模型中包括隧道結(jié)構(gòu)和一定范圍土體，由于新越

西隧道所需分析段落埋深近430m，建立實際埋深的地層模型，將導致網(wǎng)格數(shù)量巨大，所以 新建隧道的影響范圍，確定模型范圍為80m×80m×80m，新建隧道上部取 47m，其軌面與既有隧道軌面間距為22.06m交角為93度。

2、工況分析

2.1施工工法

現(xiàn)場施工按三臺階加臨時仰拱方案進行施工，具體施工工序如下圖。

（1）在施工完超前支護防護后，弱爆破 銑挖機開挖 ① 部 施作 ①

部周邊的初期支護：初噴混凝土、鋪鋼筋網(wǎng)、架立鋼架（設(shè)鎖腳錨管）、

鉆設(shè)徑向錨桿、復噴混凝土至設(shè)計厚度。

（2）弱爆破銑挖機開挖②1部施作②1部初期支護：初噴混凝土、鋪鋼筋網(wǎng)、架立鋼架（設(shè)鎖腳錨管）、鉆設(shè)徑向錨桿、復噴混凝土至設(shè)計厚度施做臨時仰拱：架設(shè)臨時橫撐、鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)，并噴混凝土封閉臨時仰拱。

（3）同②1部施工工序，開挖及支護②2部。

（4）弱爆破 銑挖機開挖③1部施作③1部邊墻初期支護，即初

噴混凝土、鋪鋼筋、架立鋼架（設(shè)鎖腳錨管）、鉆設(shè)徑向錨桿，復噴

混凝土至設(shè)計厚度。

（5）同③1部施工工序，開挖及支護③2。

（6）弱爆破銑挖機開挖④部，施作④部仰拱初期支護，即初噴混凝土、鋪鋼筋網(wǎng)、架設(shè)鋼架、復噴混凝土至設(shè)計厚度。

（7）灌筑 部仰拱與邊墻基礎(chǔ);待仰拱混凝土初凝后，灌筑仰拱填充 部至設(shè)計高度。

（8）根據(jù)監(jiān)控量測分析，確定二次襯砌施作時機，拆除臨時橫撐鋪設(shè)環(huán)縱向透水盲溝、防水板土工布利用襯砌模板臺車一次性灌筑VII部（拱墻）襯砌。

2.2計算結(jié)果

2.2.1新建隧道各工況變形

上述圖形顯示的整體豎向位移云圖，顯示的是新建隧道經(jīng)過地應(yīng)力平衡后的豎向位移?？芍淼篱_挖掘進后出現(xiàn)輕微的隆起，隨著臺階的分步施作，拱頂豎向位移逐漸增加。由于關(guān)心的是既有隧道結(jié)構(gòu)變形，故不對新建隧道變形做詳細分析[1]。

2.2.2既有線隧道變形情況

2.23豎向應(yīng)力及安全系數(shù)驗算

由于計算工況較多，提取新建隧道未開挖和開挖通過交叉段兩個施工步的模型豎向應(yīng)力，如下圖所示。

由上圖可知，既有隧道襯砌豎向應(yīng)力最大值為1.2MPa相對新建隧道未開挖階段應(yīng)力增長0.2MPa，因此，在新建隧道施工過程中，既有隧道應(yīng)力變化較小。新建越西隧道開挖通過交叉段后，取最不利位置，即既有隧道與新建隧道交叉處，提取各特征點的彎矩與軸力，并計算安全系數(shù)如下表所示。

由上表可知，既有隧道最小安全系數(shù)為5.13，且為受壓控制。根據(jù)鐵路隧道設(shè)計規(guī)范（TB100032016），受壓控制時的安全系數(shù)為2.4，受拉控制時的安全系數(shù)為3.6。因此交叉處的既有結(jié)構(gòu)襯砌截面強度安全系數(shù)均滿足要求，新建越西隧道施工基本未改變既有隧道結(jié)構(gòu)的承載能力。

三、分析及結(jié)論

根據(jù)數(shù)值模擬計算結(jié)果，新建越西隧道下穿既有越西二號隧道在保證各項安全措施實施的情況下，可能變形指標均在規(guī)范的要求內(nèi)。由隧道施工引起的既有隧道軌道的變形如下表。

從表中可以得到，既有軌道豎向最大變形2.9mm，軌道最大水平變形 0.94 mm，相鄰軌道最大豎向差異變形0.15mm，相鄰軌道最大橫向差異變形0.26mm，單軌豎向最大差異 變形0.96mm單軌橫向最大差異變形0.64mm均小于2.3節(jié)相應(yīng)的控制標準。因此，可以得出以下結(jié)論：

（1）影響段采用三臺階加臨時仰拱法開挖，下穿段采用機械開挖，此工法組合合理，適應(yīng)用于現(xiàn)場施工。

（2）地層情況均一，砂巖、泥巖、頁巖夾煤線，新建隧道開挖對既有鐵路軌道有影響，但影響值在標準允許范圍內(nèi)，在開挖過程中，各參數(shù)可控。

（3）由于實際施工存在時效性，但是數(shù)值模擬很難反映隧道開挖的全過程， 因此對施工誤差、開挖掘進的土層損失、超前管棚支護、超前預(yù)注漿、初期支護、二次襯砌等無法做到精確分析，實際施工過程中還應(yīng)做好過程控制，盡量減小施工誤差、降低地層損失、加強注漿，尤其是要及時支護、及時襯砌，防止土體在無約束狀態(tài)下變形過大，嚴禁坍方的發(fā)生，減少隧道施工對既有鐵路線路的影響[2]。

（4）新建越西隧道施工過程中，未考慮既有隧道坍方，理論狀態(tài)下，既有隧道豎向應(yīng)力變化幅度僅為0.2MPa，且既有隧道最小安全系數(shù)為5.13，滿足規(guī)范要求。

四、現(xiàn)場監(jiān)測措施

4.1震速監(jiān)測

為了保障現(xiàn)場震速不超過要求，及時調(diào)整炸藥用量。在既有線隧道內(nèi)設(shè)置震速監(jiān)測儀，對爆破及每循環(huán)的開挖進行震速監(jiān)測。在既有隧道內(nèi)布置爆破振動監(jiān)測斷面，隨著新建隧道的掘進，在既有隧道交叉點按照20m的距離向左右延伸往布置監(jiān)測斷面，監(jiān)測斷面最不少于6個，每個監(jiān)測斷面的迎爆側(cè)邊墻上布設(shè)1個爆破振速監(jiān)測點，每個測點布置垂直方向、水平方向和水平切向3個傳感器。設(shè)備為自動監(jiān)測設(shè)備，震速監(jiān)測結(jié)果在電腦端或手機端查看，如果監(jiān)測震速超過預(yù)警值，將發(fā)出預(yù)警被手機端接收，停止新建隧道的施工，并查找原因。

4.2既有線隧道監(jiān)控量測

既有線隧道測點埋設(shè)采用Φ12螺紋鋼，長度為20cm，保證嵌入深度為20cm。用充電式電鉆將二次襯砌鉆孔后插入螺紋鋼并用錨固劑錨固，每個斷面設(shè)置三個點，采用全站儀自由設(shè)站進行測量。每循環(huán)監(jiān)測一次，如曲線發(fā)生異常，停止施工并查找原因[3]。

五、總結(jié)及優(yōu)化

下穿既有線施工過程中，震速監(jiān)測儀中震速都在2.5cm/s以下，既有線內(nèi)監(jiān)控量測數(shù)據(jù)正常，整個施工過程中未發(fā)現(xiàn)異常。理論模型和實際監(jiān)控數(shù)據(jù)差異不大，說明模型建立符合實際情況，邊界設(shè)置和實際接近，現(xiàn)場測得震速比理論分析震速要低一些，可能由于巖體的多相復雜性造成的，因為在模型中各介質(zhì)定義基本上都是各向均質(zhì)的，和巖體實際特性有所出入，另外邊界的定義在模型中也是偏理想化的，都是按線性或非線性的規(guī)律進行定義，而實際情況由于巖體特性的復雜性，邊界是復雜不定的。這樣模型和實際情況就會有所出入，造成分析結(jié)果和實際情況有些區(qū)別，但結(jié)果在一定程度上反映了實際情況，模型還是比較成功的。

參考文獻：

[1]張福忠，地鐵隧道超近距離下穿既有線安全施工技術(shù).[J]山西交通科技 ，2015，（03）

[2]張軍榮，隧道近距離下穿既有線地鐵線路安全控制.[J]建筑. 2018，（16）

[3]尚克明，隧道下穿鐵路既有線及涵洞施工安全分析.[J]建筑技術(shù)開發(fā). 2017，44（07）

作者簡介：

武建林，1982.9-，漢族，男，山東莘縣人，本科學歷，高級工程師，專業(yè)方向：路橋施工;

蔣仁國，1974.10-，漢族，男，重慶人，研究生學歷，高級工程師，專業(yè)方向：隧道施工;

孫德金，1979.8-，漢族，男，吉林農(nóng)安縣人，本科，高級工程師，專業(yè)方向：橋梁施工。