新建城市隧道上跨既有高鐵隧道穩(wěn)定性控制研究

李韞芃，劉凇源，郭愛(ài)鵬

(1.深圳市綜合交通設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 深圳 518003；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083；3.深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；4.廣東省城市交通隧道與地下結(jié)構(gòu)勘察設(shè)計(jì)工程技術(shù)研究中心，廣東 深圳 518003)

1 引 言

1.1 采取措施

(1)采用微差分段爆破，減小爆破振動(dòng)影響。

劉明高[1]在進(jìn)行深圳雞公山隧道上跨既有廈深鐵路隧道工程施工時(shí)采用電子數(shù)碼雷管微差爆破，有效減少了爆破振動(dòng)。李富濤[2]對(duì)麗龍高速塔石嶺隧道上跨新建衢州至寧德鐵路塔石嶺隧道工程的施工建議為：在人行通道以及車(chē)行通道的交叉口位置開(kāi)挖階段采用弱爆破技術(shù)，與臨時(shí)搭建的鋼支架相配合，同時(shí)利用挖掘設(shè)備進(jìn)行開(kāi)挖作業(yè)。

(2)采用新型施工方法。

隗建波[3]在進(jìn)行坂銀通道新建公路隧道上跨既有鐵路隧道工程的施工時(shí)使用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開(kāi)挖，從而有效減小了開(kāi)挖面積，降低了單次爆破的裝藥量。李璐[4]，張兆杰[5]，程剛[6]對(duì)巴中至萬(wàn)源高速公路新建羊子嶺隧道上跨既有襄渝鐵路二線(xiàn)羊子嶺隧道工程的施工時(shí)建議采用機(jī)械和人工混合開(kāi)挖的方式。袁潤(rùn)濕[7]在大麗高速34合同段龍翔隧道上跨廣大鐵路浴龍山隧道、大麗鐵路新浴龍山隧道的工程中采用了“人工開(kāi)挖，零爆破，零擾動(dòng)，全破碎錘、挖掘機(jī)、風(fēng)鎬鑿邊清洗界限”的施工方法進(jìn)行施工作業(yè)。

同時(shí)，也需要開(kāi)展超前地質(zhì)預(yù)報(bào)以及對(duì)交疊段隧道既有鐵路的專(zhuān)項(xiàng)監(jiān)控量測(cè)。胡貴松[8]在雞公山隧道上跨既有廈深鐵路隧道施工過(guò)程中，采用自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)監(jiān)測(cè)了廈深鐵路梅林隧道的爆破震動(dòng)、襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力、二襯收斂變形、襯砌裂縫發(fā)展、拱部沉降、軌道位移、隧道內(nèi)軌道幾何狀態(tài)以及既有設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。

1.2 研究方法

國(guó)內(nèi)眾多學(xué)者在采用上述控制措施時(shí)使用的研究方法各不相同，丁祥[9]采用經(jīng)驗(yàn)計(jì)算法和數(shù)值模擬方法分析上跨隧道路基爆破施工產(chǎn)生的振動(dòng)對(duì)已有鐵路隧道產(chǎn)生的影響。張良[10]利用三維有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬分析，針對(duì)既有鐵路隧道受上方公路工程施工的影響進(jìn)行分析。最終得出：工程施工對(duì)既有隧道的影響在安全范圍之內(nèi)。王志杰[11]采用FLAC3D模擬分析了新建公路上跨已有鐵路隧道的襯砌安全系數(shù)以及應(yīng)力云圖，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，綜合評(píng)估了施工的安全性。由以上研究可知，數(shù)值模擬在研究復(fù)雜條件下的隧道結(jié)構(gòu)安全性具有操作簡(jiǎn)便、可靠性高、數(shù)據(jù)結(jié)果可視化等突出優(yōu)勢(shì)。

2 工程概況

僑城東路某隧道于左線(xiàn)K1+689，右線(xiàn)K1+675上跨正在運(yùn)營(yíng)的廣深港高鐵羊臺(tái)山隧道(時(shí)速350 km單洞雙線(xiàn))，左線(xiàn)與廣深港高鐵羊臺(tái)山隧道平面交叉角度為51°，右線(xiàn)平面交叉角為53°，廣深港高鐵羊臺(tái)山隧道與僑城東路隧道左、右線(xiàn)交叉點(diǎn)里程分別為GSGDK96+801、GSGDK96+756。3#隧道左右線(xiàn)與廣深港高鐵羊臺(tái)山隧道之間的結(jié)構(gòu)凈距分別為27.976 m、27.596 m。

廣深港高鐵深圳北站至福田站段采用板式無(wú)砟軌道，設(shè)計(jì)時(shí)速350 km/h，運(yùn)營(yíng)時(shí)速300 km/h。交叉段廣深港高鐵段為羊臺(tái)山隧道，隧道全長(zhǎng)4 759 m，采用鉆爆法施工，洞高12.74 m，洞寬14.86 m。隧道開(kāi)挖輪廓14.1 m(寬)×10.39 m(高)，交叉區(qū)位于III級(jí)圍巖，隧道結(jié)構(gòu)采用III級(jí)復(fù)合式襯砌：初期支護(hù)拱墻采用15 cm厚的C25噴混凝土，二次襯砌拱部采用40 cm厚的C30混凝土，仰拱采用55 cm厚的C30混凝土。

僑城東路某隧道左右線(xiàn)均采用礦山法施工，線(xiàn)路大致呈南北走向，為雙向六車(chē)道規(guī)模。右線(xiàn)隧道起訖里程RK1+584～RK2+364，長(zhǎng)780 m，左線(xiàn)隧道起訖里程LK1+586～LK2+336，長(zhǎng)750 m。3#隧道平面曲線(xiàn)半徑為1 850 m，洞內(nèi)人字坡，坡度為4%。隧道初期支護(hù)以噴射混凝土、鋼筋網(wǎng)、錨桿、工字鋼為主要支護(hù)手段，二次襯砌采用抗?jié)B鋼筋混凝土，整體式模板臺(tái)車(chē)澆筑。交叉段設(shè)計(jì)采用超前管棚支護(hù)，并采取徑向注漿。

3 上跨廣深港高鐵羊臺(tái)山隧道結(jié)構(gòu)安全分析

3.1 規(guī)范與控制指標(biāo)

根據(jù)《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》可知，正線(xiàn)軌道靜態(tài)精度標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 正線(xiàn)軌道靜態(tài)精度標(biāo)準(zhǔn)

《高速鐵路無(wú)砟軌道線(xiàn)路維修規(guī)則(試行)》規(guī)定，250(不含)～300 km/h軌道靜態(tài)幾何尺寸容許偏差如表2所示。

表2 軌道靜態(tài)幾何尺寸容許偏差

3.2 數(shù)值模型構(gòu)建及分析

(1)數(shù)值模型構(gòu)建

通過(guò)建立僑城東路隧道上跨廣深港高鐵隧道的數(shù)值計(jì)算模型對(duì)隧道位移，軌道變形，二襯受力進(jìn)行安全分析。計(jì)算采用大型巖土有限元分析軟件midas GTS NX建立整體三維有限元模型進(jìn)行數(shù)值分析。模型以垂直于僑城東路方向?yàn)閤軸，僑城東路隧道方向?yàn)閥軸，豎向?yàn)閦軸建立計(jì)算坐標(biāo)系。為充分考慮隧道開(kāi)挖的影響范圍，且消除模型邊界效應(yīng)，基于實(shí)際工程現(xiàn)場(chǎng)條件，確定模型邊界范圍以隧道開(kāi)挖為中心點(diǎn)取3～5倍開(kāi)挖洞徑，x向取140 m，y向取140 m，z向取為130 m。將地層簡(jiǎn)化成5層均質(zhì)土層，從地表往下分別為：粉質(zhì)粘土，全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化、微風(fēng)化中粒花崗巖。土體本構(gòu)關(guān)系采用摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則。

物理力學(xué)指標(biāo)根據(jù)《僑城東路北延通道工程-第一標(biāo)段(工可階段勘察至詳勘)初步勘察階段巖土工程勘察報(bào)告》選取，如表3所示。

表3 巖體物理力學(xué)指標(biāo)

為簡(jiǎn)化計(jì)算，將管棚超前支護(hù)等施工輔助措施對(duì)土體參數(shù)的提高作用作為安全儲(chǔ)備，未考慮其預(yù)加固作用。選取混凝土彈性模量如表4所示。

表4 混凝土彈性模量

(2)既有隧道開(kāi)挖擾動(dòng)分析

①隧道變形分析

當(dāng)單線(xiàn)隧道完成施工時(shí)，既有隧道的最大豎向變形為0.87 mm；當(dāng)雙線(xiàn)隧道施工完成之后，既有隧道的最大累計(jì)變形為1.16 mm。小于本工程建議的隧道結(jié)構(gòu)變形保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)5 mm，滿(mǎn)足安全要求。

②軌道位移量分析

軌道的最大豎向變形為0.68 mm，小于高速鐵路正線(xiàn)無(wú)砟軌道高低位移控制值2 mm；軌道的最大軌向位移(水平位移)為0.08 mm，小于高速鐵路正線(xiàn)無(wú)砟軌道軌向位移控制值±1 mm，豎向變形及軌向位移均滿(mǎn)足規(guī)范規(guī)定的安全要求。

③既有鐵路二襯受力分析

二襯結(jié)構(gòu)軸力值為5 745 kN，彎矩最大值為304.63 kN·m，經(jīng)過(guò)計(jì)算二襯結(jié)果安全系數(shù)最小值為9.09，遠(yuǎn)大于安全系數(shù)限值3.6。滿(mǎn)足安全要求。二襯受力表如表5所示。

表5 廣深港高鐵羊臺(tái)山隧道二襯結(jié)構(gòu)

④路基位移量分析

由計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)單線(xiàn)隧道完成施工時(shí)，路基的最大豎向變形為0.58 mm；僑城東路隧道雙線(xiàn)施工完成之后，路基的最大變形為0.82 mm，遠(yuǎn)小于規(guī)范要求的15 mm，滿(mǎn)足安全要求。

3.3 爆破振速安全分析

根據(jù)《廣州局集團(tuán)公司地方涉鐵工程建設(shè)管理辦法》(廣鐵科信發(fā)〔2019〕103號(hào))相關(guān)規(guī)定，在鐵路線(xiàn)路路堤坡腳、路塹坡頂、鐵路橋梁外側(cè)起向外各1 000 m范圍內(nèi)，以及在鐵路隧道上方中心線(xiàn)兩側(cè)各1 000 m范圍內(nèi)，原則上不得從事露天采礦、采石或者爆破作業(yè)，特殊情況下確需從事的，須采取可靠安全防護(hù)措施。綜合《爆破安全規(guī)程》(GB6722—2014)，根據(jù)《鐵路工程爆破振動(dòng)安全技術(shù)規(guī)程》(TB10313—2019)，結(jié)合類(lèi)似工程的經(jīng)驗(yàn)，為確保運(yùn)營(yíng)高鐵隧道的安全運(yùn)行，隧道安全運(yùn)營(yíng)控制振速取值2 cm/s。振動(dòng)速度公式采用薩道夫斯基公式(1)。

(1)

表6 K，α取值

表7 爆破振速計(jì)算

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可得，理論爆破振速控制在2 cm/s的范圍內(nèi)。當(dāng)起爆點(diǎn)距離隧道下方中心線(xiàn)直接距離為30 m處時(shí)，理論計(jì)算求得的爆破振速為1.74 cm/s，安全系數(shù)為1.15；當(dāng)起爆點(diǎn)距離隧道下方中心線(xiàn)越遠(yuǎn)，同樣起爆藥量下，爆破振速越小。

4 結(jié) 論

(1)僑城東路北延通道施工對(duì)廣深港高鐵隧道的影響滿(mǎn)足規(guī)范要求的控制限值，對(duì)高鐵隧道的結(jié)構(gòu)安全與運(yùn)營(yíng)安全影響較小：廣深港羊臺(tái)山隧道結(jié)構(gòu)最大變形值1.16 mm；廣深港羊臺(tái)山隧道二襯結(jié)構(gòu)軸力值為5 745 kN，彎矩最大值為304.63 kN·m，安全系數(shù)最小值為9.09，遠(yuǎn)大于安全系數(shù)限值3.6；廣深港羊臺(tái)山隧道路基的最大變形為0.82 mm；廣深港羊臺(tái)山隧道軌道的最大軌向位移為0.08 mm；軌道的最大豎向變形為0.68 mm。均小于本工程控制建議值。

(2)計(jì)算得出最大爆破裝藥量為6.21 kg。當(dāng)起爆點(diǎn)距離隧道下方中心線(xiàn)越遠(yuǎn)，同樣起爆藥量下，爆破振速越小。

(3)新建隧道應(yīng)加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)施工監(jiān)測(cè)量測(cè)，嚴(yán)格控制地表沉降及爆破振速。在新建隧道施工前應(yīng)對(duì)已有的高鐵隧道進(jìn)行一次全面檢測(cè)，了解既有隧道的結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀，若已產(chǎn)生隧道病害，應(yīng)先采取相應(yīng)措施整治病害、再行爆破施工；施工期及觀察期可采用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)儀器對(duì)既有隧道結(jié)構(gòu)沉降、爆破振速及結(jié)構(gòu)凈空收斂等進(jìn)行監(jiān)測(cè)。