鐵路隧道下穿京藏高速公路施工地表沉降控制

王忠雙

鐵路隧道下穿京藏高速公路施工地表沉降控制

王忠雙

摘 要：以中川鐵路工程九合二號隧道下穿高速公路為工程背景，建立數值分析模型進行計算，對高速公路地表安全性進行綜合性分析。結合理論公式和數值計算結果，提出下穿高速公路隧道工法優選指標，從多屬性多目標決策角度給出下穿公路隧道圍巖穩定分析及工法優選的一般準則。

關鍵詞：鐵路隧道；下穿公路；地表沉降

隨著城市和道路建設的不斷發展，后續工程往往需下穿一些建筑物或道路、鐵路等工程。新建隧道下穿既有公路的施工不可避免會對地層產生擾動，必然會產生不同程度的地面沉降，從而對施工和周邊環境的安全產生不利影響。

利用數值分析方法研究新建下穿隧道施工方案對既有高速公路的影響，并探討不同開挖方案下新建隧道圍巖穩定性及公路地表沉降變形規律，為近接隧道施工提供一定指導。

1 工程概況

九合二號隧道下穿高速公路段（見圖1）施工里程：HYK6+917—HYK7+017，Ⅴ級圍巖，長100m，埋深僅8．0m，表層為人工填土，其下為Ⅲ級硬土。設計在隧道斷面最大跨以上采用一環φ159mm管棚支護，長度65m，環向間距0．2m，I20、I22雙層鋼拱架全封閉，間距0．5m，縱向采用鋼筋連接，同時設置超前小導管及鎖腳錨桿。設計建議采用雙側壁導坑法施工，隨時觀測圍巖變形，調整施工方案。為確保安全，施工時對高速公路進行單側封閉、兩次疏導交通的方案。為盡早開放交通，施工時采用三臺階法，局部爆破和機械開挖相結合，并建立數值分析模型，分析控制路面的橫縱向沉降。

2 數值模型構建

分析表明，在均質彈性無限域中開挖的圓形洞室，由于荷載釋放而引起的洞周介質應力和位移的變化，在5倍洞徑范圍外將<1%，3倍洞徑外約<5%。本次計算模型水平寬度取為隧道跨度120m，垂直方向隧道下部距離為洞高的5倍，隧道上方計算模型取為高速公路路面，數值計算幾何模型見圖2。

巖體采用實體單元進行模擬。三維數值模型計算網格和開挖體的計算網格見圖3，劃分單元總數85840，節點總數91553。

計算過程中對2種開挖方案進行計算模擬（見圖4），包括：（1）上下臺階法開挖；（2）三臺階臨時橫撐法開挖。模型水平左、右兩側邊界施加x向位移約束，縱向前、后兩側邊界施加y向位移約束，底部邊界施加z向位移約束，頂部為自由表面。

圖1 九合二號隧道下穿公路段示意圖

圖2 數值計算幾何模型

圖3 數值計算網格模型

圖4 九合二號隧道下穿高速公路數值計算開挖工法

目前確定數值計算中圍巖力學參數應用較多的是工程經驗法：一種是將巖石參數做適當折減來選取巖體參數；一種是把圍巖分類，然后按巖體級別給出相應參數。以《鐵路隧道設計規范》作為主要依據，圍巖分類也是依據鐵路隧道設計規范而定。

3 隧道開挖引起的地表沉降計算

3.1 橫向地表沉降計算

沉降變形在空間上表現為隨著開挖其沉降槽不斷向前推進，沉降槽曲線表現為類似于正態分布的Gauss曲線，Peck認為地層沉降主要由地層損失所造成，橫向沉降Peck曲線近似描述為：式中：w（x）為距離隧道中心軸線為x處的地表沉降值，mm；x為距隧道中心線的距離，m；i為地表沉降槽寬度系數，自隧道中心至沉降曲線反彎點的距離；wmax為隧道中心線處的最大沉降量，mm。

其中：

式中：i為地表沉降槽寬度系數，沉降槽大體寬度的一半可以取為2．5i；H為隧道拱頂覆蓋層厚度；R為隧道等效半徑；φ為地層摩擦角。

計算可得，i=8．87、wmax≈Vi/2．5i=5．38，Peck曲線可表示為：

隧道開挖后地表沉降曲線見圖5。

根據Peck公式，下穿隧道開挖后地表圍巖沉降最大值應約為5．38mm，影響范圍在隧道中線左右20m范圍內，作為施工控制標準。

經施工期間觀測，三臺階臨時橫撐法開挖地表沉降控制較好，經研究決定改變施工方法，在左半幅二次襯砌施工完成后，右半幅隧道施工改為上下臺階法。2種工法隧道上覆巖層不同深度處的地表實際沉降曲線分布見圖6。

（1）圖6中D1、D2、D3、D4、D5分別為行車道中斷面距離地表0、2m、4m、6m、8m的橫向沉降曲線。隨著上覆巖層位置距離隧道拱頂位置不同，隧道最大沉降值也逐漸減小，2種開挖方案下隧道拱頂的最大沉降值都在1mm以下，滿足隧道開挖穩定性的位移控制標準。

（2）隧道上覆巖層產生了一定程度的隆起，這主要是由于管棚在掌子面推進過程中產生的反向彎矩造成的，這在管棚彎矩動態變化規律中可以得到驗證。

圖5 隧道開挖后地表橫向沉降曲線

（3）隧道地表沉降值基本可控制在1mm以內，滿足上部地表高速公路穩定性及安全性的控制要求。

3.2 縱向地表沉降計算

經過對監控量測數據進行處理，得到隧道上覆巖層不同深度處的縱向沉降曲線分布（見圖7）。

（1）圖7中D1、D2、D3、D4、D5分別為線路中線斷面距離地表0、2m、4m、6m、8m的縱向沉降曲線。分析可知，隨著上覆巖層位置距離隧道拱頂位置不同，隧道最大沉降值也逐漸減小。在隧道縱向沉降值隨上覆巖層厚度的增加沉降也逐漸明顯。2種開挖方案下隧道在高速公路部分的最大沉降都在2mm以內，滿足隧道開挖對地表高速公路穩定性的位移控制標準要求。

（2）隧道在遠離高速公路的山體段沉降明顯，位移值在12mm左右。分析可能是巖石節理發育不同引發的。

4 結論

（1）通過九合二號隧道下穿高速公路隧道下沉理論與實際對比，橫向沉降影響范圍基本在隧道中線左右20m范圍，驗證了Peck公式的實用性。

（2）由于管棚超前支護及鋼架、錨桿和襯砌的支撐作用，沉降值遠小于Peck公式的預測值。說明開挖過程中所采取的支護措施有效可靠。

（3）根據分析觀測結果及時調整施工方法，在確保高速公路安全前提下，有效加快了施工進度。

（4）不封閉交通情況下地面荷載較為復雜，通過上述沉降觀測數值，也可嘗試在不封閉交通情況下的隧道開挖新工法。

5 參考文獻

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王忠雙：中國鐵建大橋工程局集團有限公司，高級工程師，天津，300300

責任編輯 高紅義

中圖分類號：U45

文獻標識碼：A

文章編號：1672-061X（2015）05-0037-03