高速鐵路隧道下穿既有高速公路路基沉降規律研究

張安睿

( 貴州省交通規劃勘察設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律研究

張安睿

( 貴州省交通規劃勘察設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K為0.86。

關鍵詞高鐵隧道既有高速公路路基沉降規律數值模擬

隨著我國鐵路建設規模的不斷擴大，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生擾動，產生不同程度的地面沉降，從而對鐵路施工和周邊環境的安全產生不利影響，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-黔西區間，設計車速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段K1771+722段高填方路基，高速公路為雙向4車道高速公路，設計車速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%，石質主要為灰巖、白云質灰巖、泥巖等，厚2～6 m；D1K392+307～D1K392+380段位于弱風化的灰巖層中，灰巖呈厚層、巨厚層至塊狀，巖質較堅硬。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(20 cm×20 cm)，系統錨桿長4 m，間距為1.2 m×1.0 m(環×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。考慮模型邊界效應的影響，模型計算規模為：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，模型節點數為38 352，單元數為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計參數和施工參數，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3三維數值計算模型

2.2　計算參數選取

圍巖和襯砌結構的物理力學指標參考規范和詳勘報告取值。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。各計算參數見表1。

表1　圍巖及支護結構的材料參數表

3計算結果與分析

圖4為三維計算的位移計算結果，隧道拱頂的最大位移約為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生的地表沉降經驗公式，廣泛應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，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果和與Peck公式的擬合結果，路面橫向沉降計算結果與Peck曲線擬合良好，測定系數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及時封閉成環，CRD法工序轉換復雜，初期支護全斷面閉合成環時間長，施工過程中應加強對洞內及地表沉降變形監測，嚴格控制地表變形。

圖5　路面沉降計算結果

4結語

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