新建高速公路隧道下穿既有鐵路隧道施工影響分析

文章以新建高速公路隧道下穿既有鐵路隧道施工為研究背景，采用FLAC3D有限差分軟件進行三維數值仿真模擬，主要分析了新建高速公路隧道下穿施工對既有鐵路隧道二次襯砌結構內力、位移變形的影響，以及近接施工條件下新建隧道設計和施工工法選擇的合理性，分析結果指導施工取得了較好的效果，可為類似工程提供借鑒。

公路隧道; 鐵路隧道; 近接; 下穿; 結構受力; 結構變形

U452.2+6B〗

[定稿日期]2021-04-27

[作者簡介]鐘彥之（1990～），男，碩士，主要從事隧道及地下結構設計工作。

隨著經濟的發展，現代化交通路網不斷完善、地下工程飛速發展，新建隧道遇到既有隧道的幾率越來越大，如何有效地保障新建隧道開挖對既有隧道的影響在可控范圍內尤為重要。近年來國內許多專家學者對新建隧道下穿既有隧道進行了研究，如仇文革[1]闡明了地下工程近接施工的力學原理，提出了近接影響分區理論，總結了典型案例處置措施;黃波[2]重點分析了鐵路隧道下穿既有高速公路隧道如何進行施工控制;李勝義等[3]通過對回龍灣鐵路隧道下穿公路隧道施工監控量測，提出了穿越施工的總體方案和風險控制的原則;馬紅星[4]、楊云[5]等研究了雙線鐵路隧道下穿施工中大管棚施工控制和爆破施工控制措施。

1 工程概況

西南地區新建高速公路隧道在修建過程以近50 °角度斜交方式下穿既有鐵路隧道（表1），下穿處豎向凈距約24.6 m，兩者空間位置關系如圖1所示。經調查下穿段既有鐵路隧道有兩種襯砌類型，分別為Ⅳ級復合型襯砌和V級復合型襯砌，支護參數如表1所示。為減弱下穿施工對既有排花洞鐵路隧道的影響，下穿段新建隧道擬采用V級加強襯砌和CD法施工，保障短進尺、強支護，控制該段地層沉降，下穿段公路隧道支護設計如圖2所示。

2 下穿施工過程數值模擬

2.1 模型建立

模型計算采用有限差分計算軟件，建立三維實體模型。考慮到新建高速公路隧道下穿既有鐵路隧道段埋深約為240 m，為簡化模型，采用在在模型的頂面上施加等效荷載，來模擬實際的埋深，因此計算中所采用的模型尺寸為：長（X向）×寬（Y向）×高（Z向）=150 m×175 m×130 m，如圖3所示。

計算模型中，采用位移邊界條件，土體模型的頂面為相應的等效荷載，底面為豎向約束，四周為法向約束。

2.2 計算參數選取

結合項目地勘報告和隧道設計相關規范，考慮最不利工況，假定下穿段鐵路隧道處地層為Ⅴ級圍巖，兩端為Ⅲ級圍巖，模型所取土層深度范圍內的巖土層計算參數選取如表2所示，結構計算參數如表3所示。

2.3 工法模擬

為有效地控制下穿段圍巖變形，減小圍巖松動范圍，擬采用CD法進行下穿段的施工，并嚴格控制二次襯砌與掌子面距離，要求不大于30 m;左右幅隧道不同時開挖，待一幅二次襯砌施做完成之后再開挖另一幅。CD法示意圖如圖4所示，施工過程工法仿真模擬示意圖5所示。

2.4 典型計算工況

為更好地分析下穿段新建高速公路隧道施工對既有鐵路隧道的影響，結合施工工法工序，提取了八個典型工況作為研究對象，如表4所示。

3 計算結果分析

3.1 既有鐵路隧道二次襯砌結構內力變化分析

按照表4典型工況分別提取下穿段既有鐵路隧道二次襯砌最小主應力和最大主應力，如表5所示。

隨著新建高速公路隧道的施工，排花洞隧道二次襯砌結構最小主應力值由10.78 MPa，增加至11.63 MPa，且均為壓應力，最大壓應力值發生在二次襯砌結構的墻腳處;最大主應力值由0.45 MPa增加至0.52 MPa，且均為拉應力，最大拉應力值發生在二次襯砌結構的拱腳處。

3.2 既有鐵路隧道二次襯砌結構變形分析

按照表5典型工況提取下穿段既有鐵路隧道研究斷面處豎向位移與水平位移，并繪制結構水平位移、豎向位移隨著新建隧道開挖產生的變化趨勢圖，分別如圖6、圖7所示。

由圖6、圖7可以看出，隨著新建高速公路隧道的逐步開挖，既有鐵路隧道二次襯砌結構的豎向位移和水平位移逐漸增大，待二次襯砌結構變形穩定后，豎向位移最大值為5.234 mm，水平位移最大值為0.277 mm。

3.3 新建公路隧道結構內力分析

按照表4典型工況分別提取下穿段新建公路隧道二次襯砌最小主應力和最大主應力，如圖8和圖9所示。

由圖8、圖9可以看出，新建隧道施工完畢后二次襯砌結構應力主要集中在隧道襯砌結構的墻腳及仰拱處。最大主應力峰值出現在隧道二次襯砌結構仰拱處，其值可以達到0.78 MPa;最小主應力峰值出現在隧道二次襯砌結構墻腳處，其值可以達到10.79 MPa。

3.4 新建公路隧道結構變形分析

按照表4典型工況分別提取下穿段新建公路隧道初期支護豎向位移和水平位移，如圖10和圖11所示。

由圖10、圖11可以看出，新建高速公路隧道初期支護施工完畢后支護結構位移主要集中在隧道支護結構的拱頂及墻腰處。最大豎向位移出現在隧道支護結構拱頂處，其值可以達到10.07 cm;最大水平位移出現在隧道支護結構墻腰處，其值可以達到4.24 cm。

4 結論與建議

4.1 結論

本文運用數值仿真分析軟件，結合項目復雜環境，建立三維數值模型，重點分析了新建公路隧道下穿鐵路隧道施工影響以及新建高速公路隧道自身襯砌結構安全性，并得出以下結論與建議：

（1）既有鐵路隧道二次襯砌結構壓應力值最大值發生在支護結構的墻腳處，拉應力最大值發生在二次襯砌結構的拱腳處，滿足TB 10003-2016《鐵路隧道設計規范》及日本鐵路隧道近接施工指南中關于既有隧道有不影響隧道功能的損傷時的要求。

（2）既有鐵路隧道二次襯砌結構的豎向位移和水平位移逐漸增大，待二次襯砌結構變形穩定后，豎向位移最大值為5.234 mm，水平位移最大值為0.277 mm，滿足鐵運（2006）146號《鐵路線路維修規程》中關于軌道靜態幾何尺寸容許偏差管理值規定，且為弱影響。

（3）修建過程新建隧道初期支護結構豎向位移最大值發生在拱頂處，其值為10.07 cm，水平位移最大值發生在墻腰處，其值為4.24 cm，滿足V級圍巖加強襯砌預留變形量12 cm的要求。

4.2 建議

（1）開展既有隧道狀況調查。建議在新建隧道施工前，對既有鐵路隧道進行結構調查，如襯砌開裂、漏水、接縫情況、有無空洞、凈空斷面等，對既有隧道本身進行評價。

（2）加強現場監控量測。通過數值模擬分析，可知新建隧道左、右幅下穿施工對既有鐵路隧道的影響為弱影響，但為保證鐵路運營安全，應在隧道平面投影交叉點前后各50 m范圍，加強既有隧道及新建隧道監控量測，監測隧道位移變化情況。

（3）加強爆破振動測試。建議在新建隧道下穿施工影響范圍內，及時對既有鐵路隧道結構進行爆破振動測試，及時反饋優化爆破設計方案，嚴格控制爆破振動速度，建議將監測點處襯砌結構振動速度控制在5～10 cm/s以內，且火車通過時嚴禁爆破。

（4）加強管理及聯系。下穿施工過程，施工單位應加強內部管理，做好隧道超前支護工作，并提前同鐵路管護部門聯系，遵從鐵路有關規定。

參考文獻

[1] 仇文革. 地下工程近接施工力學原理與對策的研究[D].成都：西南交通大學，2003.

[2] 黃波.鐵路隧道下穿既有高速公路隧道施工控制分析[J].建筑技術開發，2020，47（15）：47-48..

[3] 李勝義.鐵路隧道近距離下穿在建公路隧道的施工控制技術[J].鐵道建筑技術，2020（5）：121-124.

[4] 馬紅星.雙線鐵路隧道下穿既有高速公路的施工技術[J].設備管理與維修，2019（20）：160-161.

[5] 楊云.淺談鐵路隧道下穿既有高速公路隧道施工的控制技術[J].低碳世界，2017（4）：235-236.

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