三孔小凈距隧洞下穿既有鐵路施工開挖順序研究

趙建華

(江西公路開發總公司，江西 南昌 330038)

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三孔小凈距隧洞下穿既有鐵路施工開挖順序研究

趙建華

(江西公路開發總公司，江西 南昌 330038)

摘要：以下穿既有鐵路的三孔小凈距隧洞為工程背景，采用數值模擬分析方法研究了三孔隧洞不同施工開挖順序工況下的地表沉降、初期支護位移、圍巖塑性區和初期支護受力情況，并進行對比分析。研究結果表明：三洞并行工況最為不利；先行隧道錯開距離影響顯著；相同錯開距離條件下邊洞先行與中洞先行影響效應相當。綜合技術、經濟和工期要求，選用了邊洞先行20 m再開挖中洞的施工順序。

關鍵詞：隧洞；小凈距；三孔下穿；開挖順序；地表沉降

隨著各種基礎設施建設的開展，各種工程間近接施工相互影響越來越顯著[1-4]。其中多孔小凈距隧道(洞)下穿既有鐵路施工中，鐵路不中斷行車，隧道(洞)施工不可避免地會對既有鐵路路基產生擾動，從而影響到既有鐵路的安全運營和隧道(洞)自身施工安全。相鄰隧道(洞)的開挖施工必將產生相互影響，主要是后行隧洞開挖施工對先行隧洞的圍巖和支護結構的應力和變形產生不利影響[5-6]。為減少小凈距隧洞相互影響，開展不同施工順序的研究，從而選擇合理的開挖順序，將三孔小凈距隧洞的相互影響降至最低。

南水北調中線以隧洞方式下穿京九鐵路，隧洞斷面形式為分離式小凈距三孔暗挖隧洞。每孔斷面尺寸最大跨度為7.5 m，高9.95 m。每兩孔中間凈土柱寬度10 m。隧道拱頂至地面最小高度僅為1.69 m，距鐵路路肩高度為4.33 m。工程區域主要位于粉、細、中砂層。圍巖土體松散、自穩能力差、易坍塌，結構上方鐵路線列車行車頻繁，路基振動大，隧道開挖多次擾動有可能導致鐵路路基沉降超標，影響既有線設備的正常運營。針對既有鐵路運營安全及隧洞施工安全風險高的特點，施工過程中通過采用?500 mm超前管幕結合小導管注漿超前預支護技術、地層注漿加固技術、線路加固技術等輔助措施，成功解決了三孔小凈距隧洞下穿鐵路施工技術難題，保證了鐵路正常運營安全、隧洞施工安全和施工質量。

本研究采用數值模擬分析方法，優化三孔隧洞的施工開挖順序，從而降低施工擾動對既有鐵路的不利影響，保證隧洞結構穩定和鐵路運營安全。

1 計算模型、計算參數及計算工況

1.1 計算模型

根據工程實際情況，縱向沿三孔隧洞軸線方向取32 m，水平方向長100 m，垂直方向隧洞底部以下取15 m，上邊界按實際地表和路基面的自由邊界。模型左、右、前、后和下部邊界均施加法向約束，地表為自由邊界。圍巖土體采用實體單元，初期支護采用板單元。為對三孔小凈距隧洞施工開挖順序進行研究，對計算模型進行了簡化，在計算模型中未考慮地層加固和超前預支護(因加固及預支護措施均為對稱結構，簡化模型雖計算位移偏大，但不影響對隧洞施工順序的研究)。模型共劃分95 035個節點和125 461個單元。三維計算模型如圖1所示。

1.2 計算參數

圍巖采用摩爾—庫侖理想彈塑性模型，噴射混凝土采用彈性模型。各材料計算參數如表1所示。

1.3 計算工況

路基上部列車和軌道荷載取值，根據《鐵路路基設計規范》(TB10001—2005)規定，在路基頂面施加60 kN/m3的均布荷載，分布寬度7.06 m。隧洞采用兩臺階法施工，上下臺階高度分別為5.4 m、4.55 m，上下臺階錯開5 m，開挖一步支護一步，循環進尺1 m。對比工況如下：

表1　材料計算參數

(1)工況Ⅰ(三并)，三洞同時施工。

(2)工況Ⅱ(邊10)，邊洞先行10 m，再開挖中洞。

(3)工況Ⅲ(邊20)，邊洞先行20 m，再開挖中洞。

(4)工況Ⅳ(邊32)，邊洞先貫通，再開挖中洞。

(5)工況Ⅴ(中10)，中洞先行10 m，再開挖邊洞。

(6)工況Ⅵ(中20)，中洞先行20 m，再開挖邊洞。

(7)工況Ⅶ(中32)，中洞先貫通，再開挖邊洞。

2 地面沉降規律分析

不同工況隧洞施工開挖引起的地表沉降規律如圖2及表2所示。其中圖2(b)、圖2(c)各施工階段分別表示邊洞及中洞施工至路基中線位置時。

表2 各隧洞中線對應位置地表沉降值 mm

由圖2及表2可知：

(1)對于中洞先行工況，中洞上臺階開挖至監測斷面(路基中線)時地表已經發生部分沉降變形，隨施工不斷推進地表沉降不斷增加，在邊洞施工影響至此斷面前地表沉降曲線呈單峰形態。當中洞支護封閉時，邊洞已經開始施工而且其縱向空間效應已經影響到監測斷面地表沉降分布曲線，此時地表沉降曲線呈雙峰形態。中洞支護封閉后，中洞位置的地表沉降增加主要是邊洞施工的影響。隨邊洞施工的不斷推進，雙峰形態的地表沉降曲線的雙峰位置不斷外延，數值不斷增大，直至邊洞支護封閉后其增速放緩，至施工結束期間的地表沉降變化較小。

圖2 不同工況地表沉降分布

(2)對于邊洞先行工況，邊洞上臺階開挖至監測斷面(路基中線)時地表已經發生部分沉降變形，隨施工不斷推進地表沉降不斷增加，在中洞施工影響至此斷面前地表沉降曲線呈雙峰形態。當邊洞支護封閉時，中洞已經開始施工而且其縱向空間效應已經影響到監測斷面地表沉降分布曲線，此時地表沉降曲線呈三峰形態。邊洞支護封閉后，邊洞位置的地表沉降增加主要是中洞施工的影響，此時三峰形態曲線的兩側峰基本不變。隨中洞施工的不斷推進，三峰形態的地表沉降曲線的中峰數值不斷增大，直至中洞支護封閉后其增速放緩，至施工結束期間的地表沉降變化較小。

(3)三洞并行工況的三洞相互影響最大，其所引起的地表沉降值最大。

(4)邊洞先行三種工況相比三洞并行的地表沉降均有所降低，邊洞先行10 m、20 m、32 m三種工況相比三洞并行引起的地表沉降分別降低13.4%、22.7%、26.0%，從10 m到20 m降低效果更加明顯。邊洞先行20 m及32 m工況的地表沉降最大值位置均發生在中洞軸線位置，邊洞先行10 m工況三洞間相互影響更大，其最大值位置出現在x=±4.4 m處。

(5)中洞先行三種工況相比三洞并行的地表沉降均有所降低，中洞先行10 m、20 m、32 m三種工況相比三洞并行引起的地表沉降分別降低7.9%、22.6%、25.8%，從10 m到20 m降低效果更加明顯。中洞先行20 m及32 m工況的地表沉降最大值位置均發生在左右側近邊洞位置x=±11.0 m處，中洞先行10 m工況三洞間相互影響更大，其最大值位置出現在x=±8.75 m。

(6)地表沉降曲線均呈對稱分布，三洞并行及中洞先行工況最大值發生在左右兩側中洞與邊洞之間，邊洞先行最大值發生在中洞中線附近。

(7)對比同等先行距離的中洞先行工況和邊洞先行工況的地表沉降最大值，二者數值相當，邊洞先行略小；如以平均值對比，則邊洞先行工況優于中洞先行工況。

3 初期支護位移規律分析

不同施工開挖順序的各種工況條件下隧洞初期支護位移值如表3所示。由于初期支護位移的對稱性，將邊洞先行三種工況和中洞先行三種工況分別與三洞并行工況引起的初期支護位移進行對比分析，列為柱狀圖如圖3所示。

表3 不同施工開挖順序工況隧洞初期支護位移 mm

由表3及圖3知，不同工況條件下，初期支護位移具有與地表沉降相同的規律，即無論是中洞先行還是邊洞先行，相比三洞并行所引起的初期支護位移均有不同程度的降低。先行10 m比先行20 m初期支護位移下降更為明顯。對比同等先行距離的中洞先行工況和邊洞先行工況的位移最大值，二者數值相當，邊洞先行工況略優于中洞先行工況。

4 不同施工開挖順序的圍巖塑性區分布

圖4為不同施工開挖順序工況條件下圍巖塑性區分布。

由圖4可知，不同施工開挖順序的圍巖塑性區均分布在邊墻及仰拱部位。邊洞先行三種工況的最大塑性區范圍發生在中洞邊墻部位，其值為2.56～2.59 m，最大塑性主應變7.65×10-3～7.76×10-3，邊洞最大塑性區范圍均為2.14 m。中洞先行三種工況的最大塑性區范圍發生在邊洞邊墻部位，其值為2.41～2.45 m，最大塑性主應變為7.93×10-3，中洞最大塑性區范圍為2.13～2.15 m。

圖3 隧洞初期支護位移對比

5 不同施工開挖順序的支護應力分布

由數值模擬分析可知，邊洞先行20 m及中洞先行20 m兩種工況初期支護應力相差不大。邊洞先行20 m工況最大主應力(拉應力)3.077 MPa，最小主應力(壓應力)2.200 MPa；中洞先行20 m工況最大主應力(拉應力)3.031 MPa，最小主應力(壓應力)2.203 MPa。壓應力均未超過材料的容許應力，拉應力超出材料的容許應力，需要鋼架加強及地層加固等輔助措施改善支護結構受力。

6 結束語

(1)三洞并行的地表沉降、圍巖塑性區、初期支護位移和應力最大，小凈距隧道間相互影響最大，對施工安全和結構穩定最不利。

(2)邊洞或中洞先行工況條件下，先行隧洞錯開距離影響較為顯著，錯開距離越長，對隧洞施工越有利。錯開距離20 m與10 m的效果對比更為顯著，20 m以上效果不顯著。

(3)相同錯開距離條件下邊洞先行與中洞先行對比可知，圍巖塑性區范圍、地表沉降、初期支護位移及應力數值相當。

綜合施工經濟性、便利性和工期的要求，選用邊洞先行20 m工況，即左、右邊洞先行20 m，再開挖中洞，左右洞也可適當錯開4～5 m距離以減少小凈距隧道的相互影響。

圖4 不同施工開挖順序的圍巖塑性分布

參考文獻

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收稿日期：2016-03-16

作者簡介：趙建華(1963—)，男，高級工程師，主要從事土木工程技術管理工作907024686@qq.com

DOI：10.13219/j.gjgyat.2016.04.002

中圖分類號：U455

文獻標識碼：B

文章編號：1672-3953(2016)04-0007-05

A Study of the Excavation Sequence for a Three-Pipe Small-Spaced Tunnel Under-Crossing an Existing Railway

Zhao Jianhua

(The Jiangxi Highway Development Corporation,Nanchang 330038,China)

Abstract:With the project of a three-pipe small-spaced tunnel of an existing railway as the engineering background,the ground surface settlement, the displacement in the initial supporting,the plastic sections of the surrounding rock,and the forced situations of the initial supporting are compared and analyzed in the condition of different excavation sequences for the 3-pipe tunnel.The research results show that the construction situation of three tunnels parallel to each other is found to be the most unfavorable.The effect of the distance between the preceding tunnel and the following tunnels is remarkable.On the condition that the distance between the preceding tunnel and the following tunnels remains the same, either the side tunnel or the mid-tunnel precedes,the influential effects remain unchanged. After the requirements in technology,economy and construction duration are comprehensively considered,the excavation sequence of the side tunnels 20 m preceding the mid-tunnel is adopted for the project.

Key words:tunnel;small-spaced;three-pipe tunnel under-crossing;excavation sequence;ground surface settlement