新建高鐵隧道近接下穿既有公路隧道施工方案研究

王國軍

（中鐵二院重慶勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，重慶400023）

0 引言

近年來，隨著城市地鐵的發(fā)展，傳統(tǒng)礦山法施工的鐵路隧道研究熱度逐漸下降。相較于地鐵盾構(gòu)法施工而言，鐵路隧道的礦山法施工工序更為復(fù)雜，不同施工工法對(duì)于施工工期及工程成本的影響極大，且一般而言，國內(nèi)項(xiàng)目工程設(shè)計(jì)及施工或多或少存在過度保守的問題，進(jìn)而導(dǎo)致巨大的經(jīng)濟(jì)損失，所以對(duì)于復(fù)雜工點(diǎn)的施工方案研究就顯得尤為重要。

針對(duì)新建隧道施工對(duì)既有鐵路（公路）隧道的影響已經(jīng)有許多工程師或?qū)W者進(jìn)行了研究。劉志強(qiáng)[1]依托成渝客專中梁山隧道上穿既有襄渝鐵路中梁山隧道，采用數(shù)值模擬的方法對(duì)其進(jìn)行研究，研究結(jié)果表明，既有隧道在新建隧道開挖后呈現(xiàn)向上變形趨勢(shì)。唐旭[2]依托重慶三環(huán)路明月山隧道下穿既有滬蓉鐵路排花洞隧道，通過Flac3D對(duì)新建隧道采用CD法施工進(jìn)行模擬研究，研究結(jié)果表明，采用CD法進(jìn)行施工可以滿足既有隧道的運(yùn)營要求。葉飛[3]依托福建省龍長高速隘嶺隧道下穿既有贛龍鐵路古城隧道，介紹了其新建隧道的施工工藝和施工工法，結(jié)果表明，采用CRD法進(jìn)行施工可以滿足工程要求。袁竹[4]依托福建省內(nèi)某鐵路隧道對(duì)山區(qū)鐵路下穿高速公路隧道影響進(jìn)行了分區(qū)研究，并以公路隧道沉降變形15mm為閾值對(duì)影響區(qū)范圍進(jìn)行了強(qiáng)、弱、無分區(qū)劃分。胖濤[5]依托貴廣鐵路四寨二號(hào)隧道下穿廈蓉高速公路瑞坡隧道，通過理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的方法對(duì)其下穿影響進(jìn)行了研究，最終確定既有隧道變形15mm為控制標(biāo)準(zhǔn)。鄭俊杰、雷位冰等[6-7]依托溫福鐵路琯頭嶺隧道下穿同三高速公路琯頭嶺，通過施工控制及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的手段進(jìn)行研究，結(jié)果表明，當(dāng)掌子面推進(jìn)至距隧道交叉點(diǎn)3～4倍洞徑時(shí)，應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng)洞內(nèi)監(jiān)測(cè)，及時(shí)調(diào)整開挖方式及爆破方案，以確保施工安全。

上述研究成果大多驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案中工法的安全性，并未考慮設(shè)計(jì)方案是否可能導(dǎo)致潛在的經(jīng)濟(jì)損失。或是通過某一控制參數(shù)對(duì)近接工程的影響程度進(jìn)行分區(qū)，針對(duì)分區(qū)結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)，但是針對(duì)不同的地層只利用一個(gè)參數(shù)對(duì)影響程度進(jìn)行分區(qū)是否可靠則需要進(jìn)一步研究。本文依托鄭（州）萬（州）高鐵重慶段巫山隧道下穿既有渝宜高速岳家?guī)X隧道工程，采用三維數(shù)值方法，研究中隔壁法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法兩種工法對(duì)既有隧道沉降的影響，同時(shí)根據(jù)工程進(jìn)度、安全性及經(jīng)濟(jì)性等方面綜合比選提出了最優(yōu)的下穿施工方法，相關(guān)研究成果對(duì)類似工程具有借鑒價(jià)值。

1 工程概況

1.1 下穿段兩隧道相對(duì)位置關(guān)系

巫山隧道最大埋深約730m，全長16570.5m，設(shè)計(jì)時(shí)速為350km/h；岳家?guī)X隧道最大埋深215m，左線長1730m，右線長1749m，設(shè)計(jì)時(shí)速為80km/h，雙向四車道。巫山隧道出口段下穿滬蓉高速公路岳家?guī)X隧道左右線，夾角約85°，穿越長度分別為46m、32m；巫山隧道D1K60+935、D1K66+980與滬蓉高速公路岳家?guī)X隧道左右線交于ZK26+041、YK26+071，新建隧道拱頂距離岳家?guī)X隧道路面高差為17.3m、17.2m，在該段岳家?guī)X隧道埋深約203m、巫山隧道埋深約221m。巫山隧道下穿岳家?guī)X隧道段橫面圖如圖1所示，平面圖如圖2所示。

圖1 巫山隧道下岳家?guī)X隧道橫斷面

圖2 巫山隧道下穿岳家?guī)X隧道段平面圖

1.2 下穿段襯砌結(jié)構(gòu)支護(hù)參數(shù)

Ⅳ級(jí)圍巖巫山隧道支護(hù)及襯砌參數(shù)：初支C25噴射混凝土32cm，臨支C25噴射混凝土25cm；Φ22中空注漿錨桿@100cm×100cm，L=400cm；雙層Φ8鋼筋網(wǎng)@20cm×20cm；初期支護(hù)I25a工字形鋼拱架支撐，縱向間距60cm；臨時(shí)支護(hù)I18工字形鋼拱架支撐，縱向間距60cm；拱墻C40模筑混凝土70cm，仰拱C40模筑混凝土80cm。

Ⅳ級(jí)圍巖岳家?guī)X公路隧道支護(hù)及襯砌參數(shù)：C20噴射混凝土26cm；Φ25中空注漿錨桿@100cm×100cm，L=300cm；雙層Φ6鋼筋網(wǎng)@20cm×20cm；I18工字形鋼拱架支撐，縱向間距150cm；C25模筑混凝土40cm。

Ⅳ級(jí)圍巖岳家?guī)X公路隧道2#車行橫洞支護(hù)及襯砌參數(shù)：C25噴射混凝土12cm；雙層Φ6鋼筋網(wǎng)@20cm×20cm；C25模筑混凝土30cm。

Ⅳ級(jí)圍巖岳家?guī)X公路隧道緊急停車帶支護(hù)及襯砌參數(shù)：C20噴射混凝土24cm；Φ22中空注漿錨桿@120cm×75cm，L=350cm；雙層Φ6鋼筋網(wǎng)@20cm×20cm；I16工字形鋼拱架支撐，縱向間距75cm；C25模筑混凝土45cm。

2 隧道下穿施工方案比選研究

由于整個(gè)鐵路隧道處于圍巖較破碎地區(qū)，所以在設(shè)計(jì)階段將此處下穿區(qū)域的施工工法設(shè)計(jì)為雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，但因工期緊張，且后續(xù)現(xiàn)場(chǎng)揭示圍巖情況相對(duì)較好，故嘗試在此作出施工工法變更，將原有雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工變更為上臺(tái)階中隔壁法施工，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法和CD法施工工序圖如圖3所示。

圖3 CD法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工工序圖

2.1 數(shù)值模型

采用有限差分軟件Flac3d建立數(shù)值計(jì)算模型，模型計(jì)算范圍取值為：模型頂部取至岳家?guī)X隧道拱頂以上40m，沿公路隧道左右邊界向外擴(kuò)展30m，模型掘進(jìn)方向計(jì)算長度為120m。模型上表面為自由面，其余面均約束其法向位移，上表面施加自由面至地表范圍的巖體自重荷載。

在模擬計(jì)算中，用8節(jié)點(diǎn)6面體實(shí)體單元模擬圍巖及大管棚、系統(tǒng)錨桿及臨時(shí)錨桿加固區(qū)，用殼單元模擬初期支護(hù)、臨時(shí)支護(hù)。雙側(cè)壁導(dǎo)坑法與中隔壁法模型中，公路隧道的相關(guān)參數(shù)一致，區(qū)別僅為巫山隧道的施工方法不同，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法和中隔壁法巫山隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)數(shù)值模型如圖4、圖5所示。

圖4 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法巫山隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)模型圖

圖5 中隔壁法巫山隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)模型圖

中隔壁法施工模擬過程如下：一個(gè)全斷面中分4個(gè)臺(tái)階分步開挖，圍巖循環(huán)開挖進(jìn)尺按3m進(jìn)行，初期支護(hù)緊跟掌子面施工，循環(huán)進(jìn)尺與開挖進(jìn)尺同步。除第一個(gè)施工臺(tái)階外，其余臺(tái)階均滯后上一個(gè)臺(tái)階3m開挖，各臺(tái)階空間關(guān)系見圖6。

圖6 中隔壁（CD）法各個(gè)臺(tái)階掌子面空間關(guān)系

雙側(cè)壁導(dǎo)坑法隧道施工模擬過程如下：一個(gè)全斷面中分10個(gè)臺(tái)階分步開挖，循環(huán)開挖進(jìn)尺按3m進(jìn)行，初期支護(hù)緊跟掌子面施工，循環(huán)進(jìn)尺按3m進(jìn)行。除第一個(gè)施工臺(tái)階外，其余臺(tái)階均滯后上一個(gè)臺(tái)階3m開挖，各臺(tái)階空間關(guān)系見圖7。

圖7 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法各個(gè)臺(tái)階掌子面空間關(guān)系

2.2 計(jì)算參數(shù)

根據(jù)巫山隧道設(shè)計(jì)圖，同時(shí)參考《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG 3370.1—2018）[8]及《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB 10003—2016）[9]選取圍巖及襯砌物理力學(xué)參數(shù)取，詳見表1。

表1 圍巖及支護(hù)力學(xué)參數(shù)

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 計(jì)算結(jié)果評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

岳家?guī)X公路隧道襯砌素混凝土的安全系數(shù)根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG 3370.1—2018）的相關(guān)規(guī)定，采用表2中最小安全系數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

表2 公路隧道襯砌強(qiáng)度最小安全系數(shù)表

巫山隧道不同工法的初期支護(hù)的安全系數(shù)根據(jù)《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB 10003—2016）相關(guān)規(guī)定，采用表3中最小安全系數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)。臨時(shí)支護(hù)最小安全系數(shù)限值為不小于1.0。

表3 鐵路隧道初期支護(hù)強(qiáng)度最小安全系數(shù)表

由于國內(nèi)大部分工程沉降控制標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，而且現(xiàn)階段隧道下穿公路隧道的沉降標(biāo)準(zhǔn)大多借鑒北京、深圳等地鐵施工經(jīng)驗(yàn)，以30mm作為控制標(biāo)準(zhǔn)，部分已經(jīng)公開發(fā)表的文獻(xiàn)[10]調(diào)研表明，類似工程也有采用15mm為沉降限制的，本次評(píng)估采用路面沉降限制15mm為控制標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

根據(jù)工程特點(diǎn)，在既有岳家?guī)X隧道主洞及車行橫洞選擇3個(gè)斷面；在巫山隧道初期支護(hù)交叉點(diǎn)及兩公路隧道下方區(qū)域選擇3個(gè)斷面。上述各個(gè)斷面與公路隧道及鐵路隧道的位置關(guān)系見圖8，通過分析上述研究斷面的內(nèi)力及安全系數(shù)結(jié)果，評(píng)估巫山隧道施工對(duì)既有隧道的影響，計(jì)算結(jié)果如表4所示。

圖8 研究斷面在整體模型中的位置關(guān)系

表4 下穿后岳家?guī)X隧道結(jié)構(gòu)受力計(jì)算結(jié)果表

表5 參數(shù)優(yōu)化后中隔壁法臨時(shí)支護(hù)安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果表

計(jì)算結(jié)果表明，從岳家?guī)X隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力來看，采用中隔壁法進(jìn)行下穿段施工和使用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法進(jìn)行下穿段施工，岳家?guī)X隧道襯砌結(jié)構(gòu)安全性均能滿足評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。從經(jīng)濟(jì)性角度綜合考慮來看，認(rèn)為在此工點(diǎn)中隔壁法更優(yōu)于雙側(cè)壁導(dǎo)坑法。從巫山隧道施工期間襯砌結(jié)構(gòu)受力來看，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法初期支護(hù)及臨時(shí)支護(hù)最小安全系數(shù)均能滿足規(guī)范要求；中隔壁法初期支護(hù)最小安全系數(shù)滿足規(guī)范要求，但是臨時(shí)支護(hù)最小安全系數(shù)低于規(guī)范要求，故在實(shí)際施工過程中應(yīng)對(duì)中隔墻進(jìn)行加強(qiáng)，將原設(shè)計(jì)I18單層型鋼鋼架優(yōu)化為I25a單層型鋼鋼架或I18雙層型鋼鋼架，優(yōu)化后巫山隧道臨時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)安全系數(shù)如表5所示。

3.3 岳家?guī)X隧道沉降變形分析

巫山隧道采用CD法下穿岳家?guī)X隧道時(shí)，隧道下穿后，導(dǎo)致既有公路隧道沿縱向發(fā)生不均勻沉降（圖9），巫山隧道與岳家?guī)X隧道交叉點(diǎn)沉降最大，公路隧道左線ZK26+041斷面處沉降最大值7.6mm，公路隧道右線YK26+071斷面（對(duì)應(yīng)于緊急停車帶擴(kuò)大斷面）處沉降最大值7.8mm。岳家?guī)X隧道左右線路面沉降變形曲線如圖10、圖11所示。

圖9 中隔壁法下穿后隧道路面豎向位移云圖

圖10 中隔壁法下穿后隧道左線路面縱向沉降曲線

圖11 中隔壁法下穿后隧道右線路面縱向沉降曲線

巫山隧道采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法下穿岳家?guī)X隧道時(shí)，隧道下穿后，導(dǎo)致既有公路隧道沿縱向發(fā)生不均勻沉降（圖12），公路隧道左線ZK26+041斷面處沉降最大值7.3mm，公路隧道右線YK26+071斷面（對(duì)應(yīng)于緊急停車帶擴(kuò)大斷面）處沉降最大值7.5mm。岳家?guī)X隧道左右線路面沉降變形曲線如圖13、圖14所示。

圖12 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法下穿后隧道路面豎向位移云圖

圖13 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法下穿后隧道左線路面縱向沉降曲線

圖14 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法下穿后隧道右線路面縱向沉降曲線

圖15 岳家?guī)X隧道監(jiān)控?cái)嗝娉两底冃吻€

岳家?guī)X隧道從2019年12月10日起在隧道ZK26+041和YK26+071附近處設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)。由圖15可知，左線沉降變形最大值為7.4mm，右線沉降變形最大值為8.7mm。實(shí)測(cè)結(jié)果與數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果接近，說明數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果可以預(yù)示實(shí)際情況下岳家?guī)X隧道變形特性。

從沉降變形計(jì)算結(jié)果來看，中隔壁法施工和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工下穿在岳家?guī)X隧道結(jié)構(gòu)變形控制中均能滿足工程要求，且沉降控制效果相差不大。從經(jīng)濟(jì)層面來看，在巫山隧道下穿岳家?guī)X隧道施工中，中隔壁法優(yōu)于雙側(cè)壁導(dǎo)坑法。

4 結(jié)論

本文依托鄭萬高鐵重慶段巫山隧道下穿渝宜高速岳家?guī)X隧道，通過三維數(shù)值計(jì)算對(duì)下穿段施工工法進(jìn)行了優(yōu)化，主要結(jié)論如下：

（1）通過三維數(shù)值計(jì)算，得出了中隔壁法施工和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工下穿后岳家?guī)X隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力和安全系數(shù)，計(jì)算結(jié)果表明，兩種工法施工后岳家?guī)X隧道襯砌結(jié)構(gòu)均能滿足運(yùn)營要求；

（2）通過三維數(shù)值計(jì)算，發(fā)現(xiàn)采用中隔壁法施工和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，公路隧道路面最大沉降分別為7.8mm和7.5mm，兩種工法沉降控制效果相差不大，且均能滿足工程需求；

（3）數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法初期支護(hù)及臨時(shí)支護(hù)最小安全系數(shù)均能滿足規(guī)范要求；中隔壁法初期支護(hù)最小安全系數(shù)滿足規(guī)范要求，但是臨時(shí)支護(hù)最小安全系數(shù)低于規(guī)范要求。若考慮工期需要而采用中隔壁法施工時(shí)，有必要對(duì)臨時(shí)中隔墻參數(shù)進(jìn)行加強(qiáng)，將臨時(shí)中隔墻改為雙層I18型鋼鋼架或采用I25a型鋼鋼架；

（4）現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)沉降變形結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果接近。從工期、經(jīng)濟(jì)等因素綜合考慮來看，中隔壁法在本工點(diǎn)更為適用。