高速鐵路隧道下穿既有高速公路路基沉降規(guī)律研究

張安睿

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

高速鐵路隧道下穿既有高速公路路基沉降規(guī)律研究

張安睿

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

摘要依托成都-貴陽高鐵大方隧道工程，對高速鐵路隧道下穿既有高速公路路堤影響進行研究，通過三維建模計算了路面的沉降分布規(guī)律，并采用Peck公式對橫向沉降進行擬合分析，二者吻合良好，通過計算得到地層損失率vl為2.8%，沉降槽寬度系數(shù)K為0.86。

關(guān)鍵詞高鐵隧道既有高速公路路基沉降規(guī)律數(shù)值模擬

隨著我國鐵路建設(shè)規(guī)模的不斷擴大，導致大量新建鐵路以隧道形式下穿既有公路。新建隧道下穿既有公路的施工不可避免地會對地層產(chǎn)生擾動，產(chǎn)生不同程度的地面沉降，從而對鐵路施工和周邊環(huán)境的安全產(chǎn)生不利影響，嚴重的會造成既有公路路面破壞，引起較大的安全事故和造成較大經(jīng)濟損失[1-2]。

本文以大方隧道為工程背景，對高速鐵路隧道下穿既有高速公路路基的施工變形進行三維數(shù)值模擬研究，以研究高鐵隧道施工對既有高速公路路基的影響。

1工程概況

1.1　工程簡介

大方隧道位于成(都)-貴(陽)高鐵大方-黔西區(qū)間，設(shè)計車速250 km/h，隧道全長7 130 m，為雙線鐵路隧道。隧道在D1K392+265～D1K392+380段下穿杭瑞高速公路遵義至畢節(jié)段K1771+722段高填方路基，高速公路為雙向4車道高速公路，設(shè)計車速80 km/h，整幅路基寬度24.5 m。隧道中線與公路線路中線平面交角52°，二者相對位置關(guān)系見圖1。

圖1　大方隧道下穿杭瑞高速平面布置圖

1.2　地質(zhì)情況

隧道拱頂至公路堤腳6～18 m，拱頂距路面約26 m。D1K392+265～D1K392+307段位于粘土層中，粘土為硬塑至堅硬狀，微含10～30%的碎石角礫，局部達40%，石質(zhì)主要為灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、泥巖等，厚2～6 m；D1K392+307～D1K392+380段位于弱風化的灰?guī)r層中，灰?guī)r呈厚層、巨厚層至塊狀，巖質(zhì)較堅硬。高速公路填筑路堤厚2～15 m，其中碎石約占50%，塊石約占40%，其余為角礫和粘土。縱斷面見圖2。

圖2　大方隧道下穿杭瑞高速縱斷面圖

1.3　支護設(shè)計

初期支護噴采用噴射28 cm厚C25混凝土，拱部采用直徑22 mm組合中空錨桿，邊墻采用直徑22 mm普通砂漿錨桿，采用HW175型鋼鋼架(0.6 m/榀)及直徑8 mm鋼筋網(wǎng)(20 cm×20 cm)，系統(tǒng)錨桿長4 m，間距為1.2 m×1.0 m(環(huán)×縱)。二次襯砌在隧道拱部、邊墻為55 cm厚C35鋼筋混凝土，仰拱為65 cm厚C35鋼筋混凝土。

D1K392+275～D1K392+300段洞頂高速公路路基坡腳采用直徑76 mm鋼管樁加固。D1K392+265～D1K392+300段采用40 m長直徑108 mm雙層大管棚。D1K392+300～D1K392+380段采用直徑76 mm中管棚及直徑42 mm小導管超前支護。

1.4　施工方法

采用CRD法施工，臨時豎撐采用I20b型鋼鋼架，縱向間距0.6 m，拆撐時每循環(huán)長度不大于8 m。施工順序依次為左上臺階、左下臺階、右上臺階、右下臺階。隧道開挖采用短進尺、弱爆破，隧道開挖后及時支護、封閉。

2數(shù)值模擬

2.1　計算模型建立

采用軟件進行建模計算，建模的原則是建立與實際工程相一致的模型，探求施工作業(yè)對既有高速公路的影響，以指導施工進行。考慮模型邊界效應(yīng)的影響，模型計算規(guī)模為：沿高速公路縱向為110 m，隧道下邊界取40 m，隧道縱向為100 m，模型節(jié)點數(shù)為38 352，單元數(shù)為35 871，計算模型見圖3。由于梁單元的作用機理與超前管棚的類似，殼單元作用機理與支護類似，因此，采用梁單元模擬超前管棚，采用殼單元模擬初期支護和二次襯砌。建模時，需同時考慮隧道的支護設(shè)計參數(shù)和施工參數(shù)，計算時，圍巖消除和襯砌施作有序進行。

a)整體模型b)局部放大

圖3三維數(shù)值計算模型

2.2　計算參數(shù)選取

圍巖和襯砌結(jié)構(gòu)的物理力學指標參考規(guī)范和詳勘報告取值。初期支護中型鋼拱架的作用采用等效方法予以考慮，即將型鋼拱架的彈性模量折算給噴射混凝土，采用式(1)計算。

(1)

式中:E為折算后彈性模量；E0，Ac分別為噴射混凝土的彈性模量和面積；Eg,Ag分別為鋼拱架的彈性模量和面積。

二襯中鋼筋的作用也采用上述方法進行等效計算。系統(tǒng)錨桿、小導管注漿加固等施工輔助措施簡化為厚度為3 m的加固層。各計算參數(shù)見表1。

表1　圍巖及支護結(jié)構(gòu)的材料參數(shù)表

3計算結(jié)果與分析

圖4為三維計算的位移計算結(jié)果，隧道拱頂?shù)淖畲笪灰萍s為20 mm，高速公路路面的最大沉降為9.2 mm，位置在拱頂正上方，兩側(cè)位移隨著距隧道軸線的水平距離的增加逐漸減小。

a)　隧道拱頂上方豎向位移圖

b)　高速公路路面位移圖

Peck[3]在1969年提出的隧道開挖產(chǎn)生的地表沉降經(jīng)驗公式，廣泛應(yīng)用于地表沉降變形的分析中，見式(2)。

(2)

式中：S(x)為地表距離隧道中心線距離x處的地表沉降,mm；Smax為隧道中心線上的地表沉降,mm；其中：i為地表沉降槽寬度,m，i=Kz0，K為沉降槽寬度系數(shù)，z0為隧道軸線深度,m；vl為地層損失率；A為開挖面積,m2。

圖5為高速公路路面橫向沉降計算結(jié)果和與Peck公式的擬合結(jié)果，路面橫向沉降計算結(jié)果與Peck曲線擬合良好，測定系數(shù)R2為0.998。通過計算可得，地層損失率vl為2.8%，沉降槽寬度系數(shù)K為0.86。為有效地控制路面變形[4]，隧道各步驟開挖完成后應(yīng)及時封閉成環(huán)，CRD法工序轉(zhuǎn)換復雜，初期支護全斷面閉合成環(huán)時間長，施工過程中應(yīng)加強對洞內(nèi)及地表沉降變形監(jiān)測，嚴格控制地表變形。

圖5　路面沉降計算結(jié)果

4結(jié)語

本文通過三維模型計算，研究了高速鐵路隧道施工下穿既有高速公路路基的變形情況。通過模擬得到了路面的沉降規(guī)律，路面的最大沉降為9.2 mm，路面沉降橫向分布與Peck曲線吻合良好，可以采用Peck經(jīng)驗公式對施工期間其他位置的沉降進行預測。

參考文獻

[1]朱正國,黃松,朱永全.鐵路隧道下穿公路引起的路面沉降規(guī)律和控制基準研究[J].巖土力學,2012,33(2):558-563.

[2]張建國,王明年,劉大剛,等.海底隧道淺埋暗挖段 CRD 法不同施工工序比較[J].巖石力學與工程學報,2007(S2):3639-3645.

[3]PEC R B.Deep excavations and tunnelling in soft ground[C]. Proc. 7th Int. Conf. Soil Mechanics Foundation Engineering. Mexico City. State of the Art Volume,1969：225-290.

[4]婁國充.鐵路隧道下穿既有路基沉降規(guī)律及控制標準研究[D].北京:北京交通大學,2012.

Study of Surface Settlement Rule and for High-speed

Railway Tunnel Undercrossing Roadbed of Existing Highway

ZhangAnrui

(Guizhou Province Transportation Planning Survey and Design Institute Co.,Ltd., Guiyang 550081, China)

Abstract：Roadbed of existing highway affected by high-speed railway tunnel was studied based on the project of Dafang tunnel of Chengdu-Guiyang high-speed railway. Road surface settlement rule was gained by 3-D modeling. Transverse surface settlement was good fit of Peck figure. Strata loss rate (vl=2.8%) and width coefficient of settlement tank (K=0.86) were gained by calculation.

Key words:high-speed railway tunnel; roadbed of existing highway; settlement rule; numerical simulation

收稿日期：2015-08-18

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.06.019