安紫高速跨越既有高鐵隧道跨線方案比選

楊　洪

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司　貴陽　550081)

安紫高速跨越既有高鐵隧道跨線方案比選

楊洪

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司貴陽550081)

摘要擬建安紫高速橫跨既有山嵐橋高鐵隧道，不同的跨線方案對(duì)下方既有隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不同影響。基于Midas/GTS有限元軟件進(jìn)行建模計(jì)算，分析了4種跨線橋方案運(yùn)營荷載對(duì)高鐵隧道結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明，運(yùn)營期荷載作用下對(duì)隧道周圍地層應(yīng)力的影響和隧道應(yīng)力影響由大到小依次為擴(kuò)大基礎(chǔ)40 m中跨方案、路基方案、37 m樁基礎(chǔ)40 m單跨方案、37 m樁基礎(chǔ)40 m中跨方案。結(jié)合前期施工揭露的地質(zhì)情況、對(duì)隧道的影響、施工方案和工期要求的分析，提出了不同的方案選擇建議。

關(guān)鍵詞跨線方案既有高鐵隧道有限元計(jì)算

隨著我國交通設(shè)施建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，出現(xiàn)了許多橋隧相交的情況。對(duì)于新建橋梁跨越既有隧道的情況，橋梁的荷載(包括施工期荷載和運(yùn)營期荷載等)不同對(duì)既有隧道的影響也不同。

Benton等[1]從最小凈距樁和群樁2個(gè)方面分別就樁施工和加載對(duì)隧道變形的影響進(jìn)行了分析研究。F. C. Schroeder等[2]針對(duì)樁與隧道不同的相對(duì)位置關(guān)系，研究了群樁的加載階段對(duì)隧道變形產(chǎn)生的影響。閆靜雅等[3]采用有限元方法模擬分析了樁基礎(chǔ)荷載對(duì)鄰近已有隧道的影響，考慮了鉆孔灌注樁施工過程的影響。練健飛[4]模擬了樁基礎(chǔ)施工過程對(duì)隧道的影響。樓曉明等[5]采用群樁基礎(chǔ)共同作用的分析方法，對(duì)某高層建筑鉆孔灌注樁基礎(chǔ)跨越地鐵隧道線可能帶來的影響進(jìn)行了計(jì)算分析。路平等[6]研究了立交橋樁基礎(chǔ)施工及運(yùn)營期對(duì)既有隧道的影響，分析了單個(gè)承臺(tái)樁基礎(chǔ)及考慮多個(gè)承臺(tái)樁基礎(chǔ)疊加效應(yīng)對(duì)鄰近既有隧道的影響規(guī)律。從以上調(diào)研可知，在進(jìn)行跨線橋的設(shè)計(jì)和施工時(shí)，需考慮其對(duì)既有隧道的影響。

本文依托擬建高速公路跨越既有高速鐵路隧道工程實(shí)例，采用Midas/GTS有限元程序分別分析了不同跨線方案運(yùn)營期荷載對(duì)既有高鐵隧道的影響，并結(jié)合工程施工可行性和工期節(jié)點(diǎn)的要求，給出不同的推薦方案。

1工程概況

1.1　工程簡(jiǎn)介

擬建的貴州省赤水至望謨高速公路安順至紫云段是《貴州省高速公路網(wǎng)規(guī)劃》的“五縱”的中段，起于安順市東面的貓貓洞，與已建的普定至安順高速公路安順北環(huán)線徑向相接，止于紫云縣城東北的沙子哨，全長(zhǎng)55.813 km，采用雙向4車道高速公路山區(qū)標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)。

安紫高速在安順市西秀區(qū)七眼橋鎮(zhèn)石龍灣村與滬昆鐵路客運(yùn)專線貴陽至昆明段山嵐橋隧道交叉，交叉情況見表1，二者相互位置關(guān)系、典型斷面見圖1。山嵐橋隧道D2K787+230~D2K787+625段圍巖級(jí)別為III級(jí)，采用臺(tái)階法開挖，設(shè)置IIIb型復(fù)合襯砌，襯砌拱墻厚40 cm，仰拱厚50 cm，襯砌設(shè)計(jì)見圖2。

表1　安紫高速與山嵐橋隧道相交情況

圖1　隧道與地表高速公路縱向

圖2　復(fù)合式襯砌設(shè)計(jì)圖(單位：cm)

高速公路路面設(shè)計(jì)高程與既有隧道拱頂之間最小距離為25.626 m，跨線方案有路堤或跨線橋等，不同方案對(duì)既有高鐵隧道的影響不同。根據(jù)其他工程實(shí)例，提出2種方案，即：路基跨線方案和橋跨線方案，其中橋跨線方案包括擴(kuò)大基礎(chǔ)跨線橋、樁基礎(chǔ)跨線橋方案，分別是擴(kuò)大基礎(chǔ)40 m中跨方案、37 m樁基礎(chǔ)40 m中跨方案和37 m樁基礎(chǔ)40 m單跨方案。

1.2　工程地質(zhì)條件

隧址覆蓋土層為第四系全新統(tǒng)坡洪積層(Q4dl+pl)、坡殘積層(Q4dl+el)，隧道下伏基巖為三疊系下統(tǒng)谷腳組白云巖(T1g1)。紅黏土(Q4dl+pl)呈硬塑狀，厚2～8 m，分布于本段溝槽中，具有弱~中等膨脹性。紅黏土(Q4dl+el)呈硬塑～堅(jiān)硬狀，厚0～3 m，分布于丘緩坡，具有弱~中等膨脹性。白云巖(T1g1)厚層狀構(gòu)造，隱晶結(jié)構(gòu)，節(jié)理裂隙較發(fā)育，充填方解石脈，巖溶較發(fā)育。工程范圍內(nèi)地下水甚微。

2數(shù)值模擬

為了得到不同跨線方案運(yùn)營荷載對(duì)既有隧道的影響，采用Midas/GTS有限元程序構(gòu)建二維數(shù)值模型對(duì)其進(jìn)行計(jì)算分析，模型見圖3。模型中，圍巖和基礎(chǔ)均采用2D平面應(yīng)變單元模擬，由于既有隧道襯砌為整體結(jié)構(gòu)，可以采用梁?jiǎn)卧M隧道初期支護(hù)和二次襯砌。考慮橋梁跨度和邊界對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，計(jì)算模型長(zhǎng)取190 m，高鐵隧道左側(cè)距模型邊界取77.7 m，右側(cè)取97.7 m，底部取45 m，左側(cè)、右側(cè)和底部邊界條件為固定邊界。計(jì)算參數(shù)見表2。

通過調(diào)整樁基礎(chǔ)位置和上部網(wǎng)格的尺寸，并賦予不同的計(jì)算參數(shù)，即可對(duì)不同的跨線方案進(jìn)行模擬。

a)路基方案b)擴(kuò)大基礎(chǔ)40mc)37 m樁基礎(chǔ)40 md)37 m樁基礎(chǔ)40 m

中跨方案中跨方案單跨方案

圖3　Midas/GTS軟件計(jì)算模型圖

3模擬結(jié)果分析

圖4為4種方案運(yùn)營荷載作用下的豎直方向的應(yīng)力分布。

a)路基方案b)擴(kuò)大基礎(chǔ)40 mc)37 m樁基礎(chǔ)40 md)37 m樁基礎(chǔ)40 m

中跨方案中跨方案單跨方案

圖4不同方案豎直方向的應(yīng)力

由計(jì)算結(jié)果可知，各跨線方案對(duì)隧道周圍應(yīng)力的影響由大到小依次為擴(kuò)大基礎(chǔ)40 m中跨方案、路基方案、37m樁基礎(chǔ)40 m單跨方案、37 m樁基礎(chǔ)40 m中跨方案。

表3為運(yùn)營階段荷載作用下既有隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力的計(jì)算結(jié)果，表中軸力以壓為負(fù)，彎矩以外側(cè)受拉為負(fù)。由表3可見，不同跨線方案在運(yùn)營期荷載作用下，對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力影響由大到小依次為擴(kuò)大基礎(chǔ)40 m中跨方案、路基方案、37 m樁基礎(chǔ)40 m單跨方案、37 m樁基礎(chǔ)40 m中跨方案，與隧道周圍應(yīng)力變化計(jì)算結(jié)果一致。另外，通過計(jì)算，不同跨線方案作用下襯砌安全系數(shù)均大于3.6，滿足規(guī)范要求。

表3　不同方案計(jì)算結(jié)果對(duì)比

4施工方案可行性分析

由以上計(jì)算分析可知，運(yùn)營期荷載作用不是選取何種方案的決定性因素，因此，將分析工期成本對(duì)方案選擇的影響。

對(duì)于樁基礎(chǔ)跨線橋方案，樁基成孔施工方法，對(duì)旋挖鉆成孔、水磨鉆成孔2種方案進(jìn)行分析。

(1) 旋挖鉆成孔。該段地層為中風(fēng)化白云巖，石質(zhì)堅(jiān)硬，巖層完整，實(shí)地驗(yàn)證，使用旋挖鉆機(jī)鉆不動(dòng)該種巖石。

(2) 水磨鉆成孔。采用水磨鉆法開挖成孔，方法簡(jiǎn)單，進(jìn)度很慢。以37 m樁基為例，按每天0.5 m進(jìn)尺考慮，每一根樁基礎(chǔ)挖樁時(shí)間需要至少74 d；受場(chǎng)地狹窄影響，分2次循環(huán)，一次開挖4根樁基礎(chǔ)，開挖時(shí)間需要148 d，全部樁基礎(chǔ)完成需要150 d，可能不滿足對(duì)工期時(shí)間節(jié)點(diǎn)的要求。

以上2種施工方法的分析，雖然水鉆法施工對(duì)客專隧道基本沒影響，但工期長(zhǎng)，存在超出原定時(shí)間節(jié)點(diǎn)的風(fēng)險(xiǎn)。

挖方段施工過程揭示的圍巖及地質(zhì)情況與設(shè)計(jì)資料相符。所開挖的挖方路塹段未發(fā)現(xiàn)溶洞和風(fēng)化槽等現(xiàn)象，開挖巖石為中風(fēng)化石灰?guī)r，石質(zhì)堅(jiān)硬，巖體完整，節(jié)理、裂隙不發(fā)育，路塹高邊坡、山嵐坡隧道的穩(wěn)定有地質(zhì)保證。石方爆破控制、高邊坡預(yù)裂爆破效果好，對(duì)鐵路山嵐坡隧道的影響也小，山嵐橋隧道最大振速穩(wěn)定，小于10 cm/s，滿足要求；拱頂下沉、洞周收斂等數(shù)據(jù)顯示隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，無明顯變化。

從理論結(jié)構(gòu)受力分析、爆破開挖的地質(zhì)情況看，跨線橋結(jié)構(gòu)類型安全系數(shù)高、存在可優(yōu)化、分析的空間。從保證聯(lián)調(diào)聯(lián)試時(shí)間、將對(duì)隧道的影響降到最低的角度看，不干擾、少干擾、干擾時(shí)間短是對(duì)隧道的最大保護(hù)，是對(duì)高鐵安全的最大保障，因此，應(yīng)該綜合選擇一種干擾少、安全系數(shù)高的上跨結(jié)構(gòu)類型。

綜合以上，安紫高速在保證將對(duì)滬昆客專的影響降低到最小的基礎(chǔ)上，應(yīng)綜合對(duì)比考慮以下建議。

(1) 采用路基方案，優(yōu)點(diǎn)是對(duì)隧道干擾少、地質(zhì)安全有保障，未降低安全系數(shù)，且可以保證工期節(jié)點(diǎn)。

(2) 采用擴(kuò)大基礎(chǔ)跨線橋方案，優(yōu)點(diǎn)是對(duì)隧道干擾影響較少，未降低安全系數(shù)，也可以保證工期節(jié)點(diǎn)。

(3) 采用37 m樁基礎(chǔ)40 m中跨跨線橋方案，需延長(zhǎng)項(xiàng)目工期。

5結(jié)語

本文采用Midas/GTS有限元程序?qū)Π沧细咚倥c山嵐橋隧道交叉段不同跨線橋方案進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)果表明，運(yùn)營期荷載作用下對(duì)隧道周圍應(yīng)力和隧道應(yīng)力的影響，由大到小依次為擴(kuò)大基礎(chǔ)40 m中跨方案、路基方案、37 m樁基礎(chǔ)40 m單跨方案、37 m樁基礎(chǔ)40 m中跨方案。結(jié)合前期施工揭露的地質(zhì)情況、對(duì)隧道的影響、施工方案和工期要求的分析，提出了不同的方案選擇建議。

參考文獻(xiàn)

[1]BENTON L J, PHILLIPS A. Behaviour of two tunnels beneath a building on piled foundations[C].Proceedings of the International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering (Vol 2). Florence,1991:665-668.

[2]SCHROEDER F C, POTTS D M, ADDENBROOKE T I. The influence of pile group loading on existing tunnels[J]. Géotechnique,2004,54(6):351-362.

[3]閆靜雅,張子新,黃宏偉,等.樁基礎(chǔ)荷載對(duì)鄰近已有隧道影響的有限元分析[J].巖土力學(xué),2008,29(9):2508-2514.

[4]練健飛.某地鐵上蓋建筑樁基礎(chǔ)對(duì)地鐵隧道影響分析[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào),2008(21):102-102.

[5]樓曉明,金志靖.鉆孔灌注樁基礎(chǔ)對(duì)緊鄰地鐵隧道產(chǎn)生豎向附加應(yīng)力和變形的計(jì)算分析[J].巖土力學(xué),1996,17(3):48-53.

[6]路平,鄭剛.立交橋樁基礎(chǔ)施工及運(yùn)營期對(duì)既有隧道影響的研究[J].巖土工程學(xué)報(bào),2013,35(S2):923-927.

Comparisons of Line-cross Schemes of Anshun-Ziyun

Highway Project Cross Existing High-speed Railway Tunnel

YangHong

(Guizhou Communications Planning Survey and Design Institute, Guiyang 550001, China)

Abstract：The An-Zi highway project crosses existing Shanlanqiao high-speed railway tunnel and line-cross schemes may have different effects on existing tunnel underneath. Operation period load effects of two flyover schemes and a subgrade scheme on the tunnel are analyzed based on Midas/GTS finite element software. The result shows that decreasing order of effects on ground stress and tunnel structure stress is flyover scheme with spread foundation, subgrade scheme, flyover scheme with 37 m-depth pile and 40m span, and flyover scheme with 37 m-depth pile and 40 m-midspan. According to uncovered geological conditions and the analysis of effect on tunnel, construction program and period costs, proposals of schemes selection are gained.

Key words:line-cross schemes; existing high-speed railway tunnel; finite element calculation

收稿日期：2015-09-12

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.06.015