鐵路隧道斜井近距離下穿公路隧道的影響及處治措施研究

唐銳，賴孝輝，丁堯，田寧

[摘要]以新建川藏鐵路康定2號隧道斜井近距離下穿在建G318線折多山公路隧道為依托工程，提出了隧道交叉段的影響范圍及相應(yīng)的工程措施，并采用數(shù)值模擬及現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析的方式進行了研究，驗證了隧道交叉段工程處治措施的有效性。結(jié)果表明：在交叉影響段加強隧道襯砌結(jié)構(gòu)參數(shù)、超前地質(zhì)預(yù)報及采取控制爆破等施工措施后，計算得到既有隧道沉降曲線呈漏斗狀，最大拱底沉降為-4.56 mm，現(xiàn)場實際監(jiān)測數(shù)據(jù)值與之接近，說明采取上述措施可以滿足斜井下穿施工期間既有公路隧道的結(jié)構(gòu)安全。

[關(guān)鍵詞]隧道工程； 立交隧道； 處治措施； 數(shù)值模擬； 監(jiān)控量測

[中國分類號]U452.2+6? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? [文獻標志碼]A

0引言

隨著我國西部大開發(fā)戰(zhàn)略的快速推進，公路、鐵路交通網(wǎng)逐漸向西部崇山峻嶺延伸［1］，線路受地形地貌以及地質(zhì)條件的制約，在部分段落公路、鐵路均選擇同一走廊帶，導(dǎo)致公路、鐵路隧道上下交叉的情況不斷增加，如福廈線大坪山鐵路隧道上穿既有公路隧道［2］;貴州省六盤水至鎮(zhèn)寧高速公路茨沖隧道下穿滬昆鐵路隧道工程［3］；貴廣鐵路四寨二號隧道下穿廈蓉高速公路瑞坡隧道工程［4］；重慶繞城高速公路施家梁隧道上跨遂渝鐵路新龍鳳隧道工程［5］；麗攀高速公路獅子石公路隧道上跨既有成昆鐵路渡口支線新莊隧道工程［6］等。

針對公路鐵路隧道近接交叉問題，諸多專家學(xué)者開展了大量的研究工作。王海龍等［7］結(jié)合數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測，探究了不同施工方法、不同夾層厚度、不同列車軸重下，新建隧道下穿既有重載鐵路隧道時，對既有隧道的襯砌位移和列車荷載動響應(yīng)的影響；賈寶新等［8］以草莓溝隧道下穿盤道嶺隧道為例，基于Peck公式推導(dǎo)得到了既有公路隧道路基沉降的解析解；張慶闖等［9］針對城市軌道交通中隧道線路交叉問題開展了系列研究，從施工方案、輔助技術(shù)、先期線路為后期線路的預(yù)留措施等方面提出了解決辦法。既有針對公路和鐵路隧道交叉問題已取得了諸多研究成果，但是隧址區(qū)的水文工程地質(zhì)條件以及隧道交叉情況均較為簡單。隨著隧道交叉口水文地質(zhì)條件日益復(fù)雜，近接施工距離越來越小以及隧道斷面的不斷增大，如何確保隧道交叉口施工安全仍然是擺在廣大隧道從業(yè)人員前的緊迫問題。

本文以川藏鐵路康定2號隧道斜井近距離下穿G318線康定折多山隧道為依托工程，擬對公、鐵路隧道交叉口問題開展深入研究。首先進行三維有限元數(shù)值模擬，研究鐵路隧道斜井下穿公路隧道對結(jié)構(gòu)安全的影響規(guī)律，在此基礎(chǔ)上提出相應(yīng)處治措施，并通過現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析驗證。本文研究成果可為今后類似工程設(shè)計提供參考。

1工程概況

1.1工程概況

在建折多山隧道為國道318線康定至新都橋段公路的控制性工程。如圖1所示，隧址區(qū)位于四川盆地西緣山地和青藏高原的過渡地帶，地形地貌復(fù)雜，自東向西總體地勢急劇抬升。折多山隧道全長8 427 m，最大埋深1 115 m，進口海拔3 762 m，出口海拔3 879 m［10］。

川藏鐵路雅安至林芝段是川藏鐵路的重要組成部分。如圖2所示，擬建川藏鐵路康定2號隧道，全長20 792.86 m，最大埋深1 235 m。進口海拔3 220 m，出口海拔3 720 m。隧道設(shè)共置4座輔助坑道，其中1號斜井，長3 905 m［11］。

如圖3和圖4所示，受地形地貌以及地質(zhì)條件的制約，川藏鐵路康定2號隧道1號斜井下穿在建公路G318線折多山隧道，交角約58°，最小凈距約12 m，交叉概況見表1。

1.2地質(zhì)概況

隧址區(qū)位于四川盆地與青藏高原過渡的西南緣，山高坡陡，海拔在3 500～4 730 m之間，屬高山、極高山構(gòu)造剝蝕地貌區(qū)。地形地質(zhì)條件復(fù)雜，地質(zhì)構(gòu)造格局以南北向為主。不同構(gòu)造體系交叉復(fù)合，次級褶皺斷裂發(fā)育。公路折多山隧道洞身段以燕山晚期花崗巖為主［12］，交叉段位于花崗巖段落，如圖5所示。

鐵路康定2號隧道洞身段以石英砂巖、花崗巖、花崗質(zhì)糜棱巖巖為主［13］，交叉段位于花崗巖段落，如圖6、圖7所示。

1.3結(jié)構(gòu)參數(shù)

公路折多山隧道交叉段原設(shè)計采用Z4c型復(fù)合式襯砌。超前支護采用42 mm小導(dǎo)管；初期支護采用I14型鋼鋼架，間距1 m/榀，噴混凝土厚度20 cm；系統(tǒng)錨桿間距1.0 m×1.0 m；二襯襯砌厚度40 cm，采用C30混凝土，支護體系如圖8所示。

鐵路康定2號隧道斜井采用IV［I］型復(fù)合式襯砌。初期支護采用I18型鋼鋼架，間距0.8 m/榀，噴混凝土厚度40 cm；系統(tǒng)錨桿間距1.2 m×1.2 m；二襯襯砌厚度40 cm，采用C30鋼筋混凝土，支護體系如圖9所示。

2工程措施

2.1交叉影響段襯砌參數(shù)

根據(jù)摩爾-庫侖準則，取破裂角為45°+φ/2（φ為巖體內(nèi)摩擦角），即從隧道墻角處引與水平方向呈45°+φ/2的斜線，其縱向影響范圍按此斜線與既有隧道縱軸線交點以外再增加2D（D為隧道跨度）范圍考慮，2D是考慮破裂角以外地層變形波及的范圍（圖10、圖11、表2）。

對G318折多山隧道襯砌結(jié)構(gòu)參數(shù)進行加強：一般影響段落采用Z4a型襯砌及支護參數(shù)，噴混凝土厚度22 cm，錨桿單根長度2.5 m，間距0.8 m×1.2 m（環(huán)向×縱向），鋼筋網(wǎng)直徑6.5 mm，間距25 cm，鋼架采用I16型鋼鋼架，間距0.8 m/榀；二次襯砌采用C30鋼筋混凝土，厚度40 cm，采用構(gòu)造配筋。

交叉影響段落采用Z4a型加強襯砌及支護參數(shù)，噴混凝土厚度24 cm，錨桿單根長度2.5 m，間距0.8 m×1.2 m（環(huán)向×縱向），鋼筋網(wǎng)直徑6.5 mm，間距25 cm，鋼架采用全環(huán)I18型鋼鋼架，間距0.8 m/榀；二次襯砌采用C30鋼筋混凝土，厚度40 cm，采用構(gòu)造配筋。

2.2超前地質(zhì)預(yù)報

鐵路隧道斜井施工期間加強超前地質(zhì)預(yù)報工作。交叉段超前地質(zhì)預(yù)報采用C2級，即采用地質(zhì)調(diào)查分析、遠距離物探、近距離物探，必要時采用鉆孔驗證。交疊段超前地質(zhì)預(yù)報除對不良地質(zhì)進行核實和驗證外，還應(yīng)重點對既有結(jié)構(gòu)物位置進行核實和驗證。

2.3施工與爆破控制

新建隧道斜井交叉段采用環(huán)形開挖留核心土法施工，施工中嚴格遵守“短進尺，少擾動，快封閉，勤量測”的原則，嚴格控制循環(huán)進尺和爆破震動速度。開挖逐榀進尺，最大臨界震動速度不應(yīng)大于2.5 cm/s。

2.4監(jiān)控量測

2.4.1隧道洞內(nèi)觀察

鐵路隧道斜井開挖施工后，應(yīng)由專人對既有G318公路折多山隧道進行觀察，觀察的內(nèi)容包括：墻壁有無松動情況，墻壁有無新增滲水或漏水點，原有滲水或漏水點水量是否增大，墻壁有無凸起現(xiàn)象，墻壁上有無新增裂紋或裂縫，原有裂紋或裂縫是否有增大趨勢等，逐一進行記錄，并及時反饋給主管工程師。監(jiān)測頻率為2～3次/d。

2.4.2周邊位移量測

量測既有隧道襯砌斷面的收斂情況，包括量測拱頂下沉、凈空水平收斂以及底板鼓起。拱頂下沉量測、凈空水平收斂量測及底板鼓起應(yīng)在同一量測斷面內(nèi)進行，并采用相同的量測頻率。交叉段布設(shè)3個斷面，即上跨處和上跨前后10 m處，每個斷面布置1～3個測點，測點設(shè)在拱頂中心或其附近。

2.4.3爆破震速監(jiān)測

每次隧道內(nèi)開挖作業(yè)。均由監(jiān)測單位進行數(shù)據(jù)采集及分析，嚴格將開挖震速控制在設(shè)計要求范圍之內(nèi)，并根據(jù)開挖震速監(jiān)測參數(shù)合理調(diào)整開挖方式，確保既有高速隧道運營安全。

3數(shù)值模擬

3.1計算模型

數(shù)值模擬采用有限差分軟件FLAC3D進行，根據(jù)鐵路隧道斜井與折多山隧道的實際交叉情況，建立三維模型，如圖12、圖13所示。計算模型采用MIDAS GTS NX 軟件進行三維建模，再導(dǎo)入FLAC3D進行開挖模擬計算。模型總體尺寸為長×寬×高=129.5 m×180 m×112.1 m。鐵路折多山隧道斜井毛洞凈高9.6 m，凈寬9.5 m，洞頂至模型邊界62.5 m，洞底至模型邊界40 m，邊墻至模型兩側(cè)邊界約59 m，滿足4～5倍洞徑要求。公路折多山隧道毛洞凈寬12.38 m，凈高9.71 m，主洞和平導(dǎo)間距為38 m，公路隧道底部距鐵路折多山隧道斜井頂部12 m。采用彈塑性本構(gòu)模型及Mohr-Coulomb強度準則，圍巖與襯砌結(jié)構(gòu)采用三維實體單元模擬，錨桿采用Cable單元模擬。

3.2計算參數(shù)

計算參數(shù)根據(jù)鐵路康定2號隧道工程地質(zhì)勘察資料、G318折多山隧道工程地質(zhì)勘察資料、TB 10003-2016《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》和JTG 3370.1-2018《公路隧道設(shè)計規(guī)范.第一冊.土建工程》綜合對比選取，如表3所示。

3.3邊界條件及監(jiān)測點布置

模型前、后、左、右及底部5個邊界均施加位移約束，頂部為自由表面。為了密切監(jiān)控隧道施工過程中隧道交叉口變形情況，布設(shè)了如圖14、圖15所示的位移測點。

3.4模擬計算過程

考慮現(xiàn)場施工進度，公路折多山隧道按照既有工程考慮。通過在FLAC3D中進行開挖模擬計算，研究鐵路折多山隧道斜井施工至近接段時，對既有公路折多山隧道的影響。

在數(shù)值模擬中，首先進行初始地應(yīng)力的計算，然后進行公路折多山隧道的開挖及支護，最后將模型位移清零，進行鐵路折多山隧道斜井的開挖及支護，數(shù)值模型的模擬計算過程具體：計算初始地應(yīng)力場—開挖公路折多山隧道及其平導(dǎo)，并施作初支及二襯—位移清零—開挖鐵路折多山隧道斜井開挖模擬并施做支護結(jié)構(gòu)。

3.5數(shù)值模擬計算結(jié)果

在交叉位置處，公路折多山隧道襯砌豎向位移隨鐵路隧道斜井施工過程的變化曲線如圖16所示?？梢钥闯?，隨鐵路隧道斜井逐步開挖穿越公路隧道下方，公路隧道襯砌發(fā)生整體沉降。當鐵路隧道斜井開挖至一般影響段后，既有隧道襯砌逐漸發(fā)生明顯沉降；斜井開挖至交叉影響段后，既有隧道襯砌沉降快速發(fā)展；斜井穿越交叉區(qū)域后，既有隧道沉降逐步收斂。其中最大沉降發(fā)生于拱底處，其次為拱腳、拱腰、拱肩及拱頂。

進一步提取斜井下穿公路隧道施工過程中，既有隧道在交叉斷面處襯砌各部位的最大沉降如表4所示?？梢钥闯觯扔兴淼涝诮徊鏀嗝嬉r砌最大沉降為拱底處的-4.56 mm，在采取襯砌加強措施后，既有隧道沉降得到有效控制。

提取鐵路隧道斜井施工過程中，公路隧道襯砌豎向位移云圖如圖17所示。

由圖17（a）～圖17（c）可知，當鐵路隧道斜井掌子面距與公路隧道正洞交叉處-26 m以前時，公路折多山隧道襯砌結(jié)構(gòu)附加沉降最大值不到-1 mm，增長緩慢，在此范圍外斜井施工對公路隧道的擾動很小。距公路隧道左、右洞交叉處前后各28 m內(nèi)為鐵路折多山隧道斜井施工的影響范圍，影響段落長度約100 m。

由圖17（d）～圖17（j）可知，當斜井施工掌子面距正洞交叉處-6 m時，公路折多山隧道襯砌附加沉降增至2.46 mm；當斜井掌子面施工至與右洞交叉處時，公路折多山隧道襯砌附加沉降最大值達到3.16 mm；當斜井掌子面距右洞交叉處14 m、34 m、46 m時，公路折多山隧道的附加沉降最大值分別為3.75 mm、4.26 mm、4.38 mm；當斜井掌子面距右洞交叉處54 m、74 m時，公路折多山隧道的附加沉降最大值分別為4.44 mm、4.53 mm；當斜井施工完成時，公路折多山隧道的附加沉降最大值為4.59 mm。

鐵路隧道斜井施工完成后，公路折多山隧道左右洞拱底沉降曲線如圖18、圖19所示。其特征基本一致，均呈漏斗狀特征，與斜井交叉處沉降值最大，分別為右洞-4.59 mm，左洞-4.42 mm。

4監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

為了進一步驗證采用的交叉口加強段襯砌支護參數(shù)與施工工法的合理性，在數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上開展了現(xiàn)場測試。洞內(nèi)水平收斂量及拱底沉降測點的監(jiān)測元件均同斷面布置。洞內(nèi)水平收斂量測及拱頂沉降面間距5～20 m，水平收斂量、拱底沉降測點如圖20所示。

斜井下穿公路隧道施工過程中，交叉里程附近公路隧道拱底沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)見表5及圖21、圖22。由現(xiàn)場監(jiān)控量測數(shù)據(jù)可知，在公路隧道與鐵路隧道斜井交叉點里程附近，公路隧道右洞最大拱底沉降為-8.32 mm，平均值為-5.68 mm，略大于數(shù)值模擬值-4.56 mm；左洞最大拱底沉降為-6.81 mm，平均值為-4.65 mm，與數(shù)值模擬值-4.42 mm接近。說明采取本文提出的加強措施后，斜井下穿公路隧道時，公路隧道襯砌處于安全狀態(tài)。

5結(jié)論

本文以新建川藏鐵路康定2號隧道斜井近距離下穿在建G318線折多山公路隧道為工程實例，提出了隧道交叉段影響范圍及相應(yīng)的處治措施，并采用數(shù)值模擬及現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析的方式進行了研究，驗證了隧道處治效果。主要結(jié)論：

（1）對隧道交叉影響段采取的主要工程措施為：按影響段落加強襯砌參數(shù)、加強超前地質(zhì)預(yù)報、施工控制爆破等，可有效保障隧道結(jié)構(gòu)安全。

（2）通過數(shù)值模擬研究，鐵路隧道斜井下穿公路隧道時，公路隧道在交叉里程出呈整體沉降趨勢，且最大沉降位于拱底處。沿公路隧道方向，其拱底沉降曲線呈漏斗狀，交叉處沉降值最大，分別為右洞-4.59 mm、左洞-4.42 mm。

（3）在實際施工過程中，受施工條件、工藝的影響，現(xiàn)場實際監(jiān)控量測數(shù)據(jù)表明，交叉里程附近，公路隧道右洞拱底沉降平均值為-5.675 mm，左洞拱底沉降平均值為-4.65 mm，與數(shù)值模擬值相近。表明采取所述工程措施后，鐵路隧道斜井下穿期間，公路隧道處于安全狀態(tài)。

參考文獻

［1］唐銳，李世琦，王俊，等.富水斷裂帶隧道涌水突泥災(zāi)害機制及處治技術(shù)研究［J］.地下空間與工程學(xué)報，2021，17（4）：1264-1272+1290.

［2］趙東平，王明年.小凈距交叉隧道爆破振動響應(yīng)研究［J］.巖土工程學(xué)報，2007（1）：116-119.

［3］袁良遠，唐春海，朱加雄，等.高速公路隧道下穿既有鐵路隧道控制爆破技術(shù)［J］.工程爆破，2016，22（1）：64-67.

［4］胖濤.鐵路隧道小角度斜交下穿公路隧道設(shè)計探討［J］.隧道建設(shè)，2013，33（7）：573-578.

［5］龔倫 .上下交叉隧道近接施工力學(xué)原理及對策研究［D］.成都：西南交通大學(xué)，2007.

［6］程剛，陳貴紅.新建公路隧道對既有鐵路隧道的影響及處治措施探討［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2013，50（2）：139-144.

［7］王海龍，董捷，武志輝，等.隧道近接施工對上部既有重載鐵路隧道安全穩(wěn)定性影響研究［J］.鐵道學(xué)報，2020，42（6）：102-111.

［8］賈寶新，孫傲，陳浩，等.基于Peck公式鐵路隧道下穿既有公路隧道路基沉降規(guī)律分析［J］.公路，2018，63（7）：318-323.

［9］張慶闖，戴志仁，時亞昕，等.新建隧道近接穿越既有運營地鐵隧道關(guān)鍵技術(shù)［J］.鐵道工程學(xué)報，2020，37（6）：58-63+91.

［10］四川省交通運輸廳公路規(guī)劃勘察設(shè)計研究院有限公司. G318線折多山隧道施工圖設(shè)計文件［R］.2007.

［11］中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司.新建川藏鐵路雅安至林芝段康定2號隧道施工圖設(shè)計文件［R］. 2021.

［12］四川省交通運輸廳公路規(guī)劃勘察設(shè)計研究院有限公司. 折多山隧道初步勘察階段工程地質(zhì)勘察報告［R］. 2017.

［13］中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司.新建川藏鐵路雅安至林芝段康定2號隧道工程地質(zhì)勘察報告［R］. 2021.