鐵路隧道下穿高速公路匝道沉降分析

張宇輝

(遼寧省交通規劃設計院)

鐵路隧道下穿高速公路匝道沉降分析

張宇輝

(遼寧省交通規劃設計院)

隨著中國經濟的飛速發展，對交通運輸運力擴大的需求越來越迫切，我國的公路、鐵路等交通工程到建設也逐漸進入高潮。交通線路的大規模建設必然需要面對新建線路與既有線路交叉的問題。其中，新建隧道穿越既有工程時對其產生的影響尤為突出。本文以金普鐵路三十里堡隧道下穿沈大高速公路匝道工程為依托，借助數值計算分析新建隧道對既有匝道產生的影響。

下穿;匝道;數值模擬;沉降

1 工程概況

大連市金州新區至普灣新區城際鐵路工程三十里堡鐵路隧道沿沈大高速公路東側鋪設，本項目在DK28+345～DK28+515處暗挖下穿沈大高速三十里堡互通式立交三處匝道，線路與匝道交叉點距三十里堡收費站距離為200 m。本文摘取下穿點隧道拱頂覆蓋層最淺的C匝道進行分析，下穿地段隧道穿越地層主要為粉質粘土，局部存在砂層。匝道為5 m寬單行道，交角為95°，隧道結構頂距匝道路面高度為7.2 m。隧道內輪廓采用五心圓拱頂曲墻斷面，復合式襯砌結構，單孔結構內凈寬9.30 m，結構內凈高7.65 m，毛洞最大開挖跨徑11.2 m。立交區匝道填料為山皮土，匝道邊坡坡率為1∶1.75。

2 主要參數

(1)結構設計

隧道穿過Ⅵ級圍巖地區，對已有設計結果采用有限元程序分析驗算，確保結構安全經濟，設計時綜合考慮各種因素，擬定隧道支護參數見表1。

表1 三十里堡隧道支護結構參數表

超前支護:拱部180度范圍采用雙排小導管超前支護并預注漿加固底層，規格為Φ42×3.25 mm(外徑×壁厚)的普通水煤氣花管，首排外插角度30°，環向間距300 mm，縱向布距2.0 m一環，長3.5m，第二排外插角度15°，環向間距300 mm，縱向布距0.5 m一環，長1.6 m，采用小導管注漿加固地層。在暗挖段兩個斷頭部分各5 m范圍內，導管水平打入，首排和第二排環向間距300 mm，縱向布距5.0 m一環，長6 m。

初期支護及二次襯砌背后采用二次壓漿。初期支護背后采用水泥漿液或水泥砂漿，注漿孔沿拱部及邊墻布設，環向間距:拱部2 m，邊墻3 m，縱向間距3 m，梅花形布置，注漿深度為初支背后0.5 m，注漿終壓0.5 MPa。防水板與內襯結構之間(拱部)應采用后注漿處理，在灌注內襯混凝土時，應預埋注漿管，環向間距3 m，縱向間距5 m，按梅花形布置，漿液采用高強無收縮水泥漿液，注漿終壓0.2 MPa。

(2)力學參數

①巖土層力學計算參數

表2 計算用巖土層力學參數表

表3 計算用支護結構力學參數表

3 施工過程模擬

3.1 計算模型

采用FLAC3D建立地層結構模型，隧道走向與匝道走向按正交考慮，模型范圍沿隧道縱向40 m，匝道中線位于20 m處，路面距地表2.2 m;橫向73.2 m，隧道至邊界距離約是其洞徑的3倍，高約46m，隧道至下邊界距離約是其洞徑的3倍;車輛載荷按照12 kPa考慮。

圖1 平面位置關系(單位:m)

圖2 三維模型圖

3.2 計算原理

(1)有限單元法地層結構材料的本構關系及單元選取:各巖土層均采用彈塑性模型，三維實體單元，屈服準則采用Mohr－Coulomb準則;初期支護采用彈性模型，實體單元;臨時支撐采用彈性模型，殼單元。

(2)模型中將注漿及二次襯砌作為安全儲備，未將其加入模型中。

(3)初始地應力的計算只考慮初始自重應力，未考慮構造應力。

(4)根據結構特性和計算精度要求劃分單元，模型劃分單元數量:28 746個。

3.3 計算過程

對隧道施工過程的模擬按照CRD法考慮，即按照隧道斷面左上部→左下部→右上部→右下部的順序對土體進行開挖，左上部與左下部臺階步距為4 m，左下部與右上部臺階布距為12 m，右上部與右下部臺階步距為4 m，每循環開挖進尺2 m，初期支護及臨時支撐滯后掌子面2個循環施做，二次襯砌均作為安全儲備，在整個計算過程中暫不考慮。

模型具體步序如下。

1－20:隧道左上臺階開挖;

3－22:隧道左上臺階支護，隧道左上臺階架設臨時支撐;

3－22:隧道左下臺階開挖;

5－24:隧道左下臺階支護，隧道左下臺階架設臨時支撐;

9－28:隧道右上臺階開挖;

11－30:隧道右上臺階支護，隧道右上臺階架設臨時支撐;

13－32:隧道右下臺階開挖;

15－34:隧道右下臺階支護。

3.4 計算結果及分析

隧道模型共設34施工步，模型計算模擬結果如下:

圖3 模型豎向位移云圖

圖4 路面沉降曲線圖

由模型豎向位移云圖可見，隧道施工明顯引起上方匝道及土層的沉降。對隧道軸線上方匝道路面中心點A點沉降變化繪制沉降曲線，如圖4所示，累計沉降量為17.87 mm，其中施工步0～5步，施工尚未對匝道產生明顯影響，累計沉降量僅為0.2 mm;施工步5～10步，左上臺階施工至匝道下方，沉降量逐步增大，累計沉降量為1.7 mm;施工步10～15步，左上臺階與左下臺階相繼施工下穿匝道，沉降量明顯增大，累計沉降量達到11.44 mm;施工步15～30步，隧道左側上、下臺階已穿越匝道，右側上、下臺階相繼穿越匝道，沉降趨勢較前一階段雖有所放緩但沉降量增量仍較為明顯，累計沉降量為17.38 mm;施工步30～34步，各臺階掌子面都已遠離匝道，匝道沉降趨于穩定，累計沉降量為17.87 mm。

由各施工階段引起匝道沉降量變化結果可見，左上臺階下穿匝道時，由于原始地層受到施工擾動，產生應力釋放與重分配，導致上方匝道沉降量增加9.74 mm，占總沉降量的54.5%;右側臺階相繼穿過匝道時亦導致匝道沉降量增加5.94 mm，占總沉降量的33%。隧道下穿匝道施工過程中應采取相應工程措施以減小匝道的沉降量。

4 結語

借助數值模擬的方法，量化分析了隧道施工過程對上方匝道產生的影響，由分析結果可見施工前及施工過程中必須采取合理的工程措施控制匝道的沉降。針對本工程，建議在隧道下穿匝道施工前，可采取地面注漿等措施對地層預加固。

［1］ 關寶樹.隧道工程施工要點集［M］.北京:人民交通出版社，2003.

［2］ 朱永平.隧道穩定性位移判別準則［J］.中國鐵道科學，2001，(6):81－84.

［3］ 韓煊，劉赪煒，Jamie R.Standing.隧道下穿既有線的案例分析與沉降分析方法［J］.土木工程學報，2012，(1):134－141.

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2015－03－11