下穿鐵路的大跨度隧道支護形式適應性研究

楊建烽

(西南交通大學，四川成都 610031)

隨著我國交通的發展，國內各城市存在許多城市、城際交通互相穿越的工程[1]，線路立交下穿的交叉形式有助于交通環境與交通組織的管理，但也對既有結構的變形控制提出了挑戰。修建下穿結構時，考慮到經濟性與對穿越結構的變形控制難度，會比選不同形式的支護結構，選擇更利于下穿控制的支護形式[2-3]。因此，有必要分析采用不同支護形式修建下穿隧道對既有結構影響的變形規律，以此評估不同支護形式在下穿工程中的適應性。

1 工程概況

國內某擬建的軟巖地段修建地鐵出入線段下穿上方普速鐵路工程，普速鐵路的下穿節點里程為K35+385。本工程分別比選噴錨支護、整體式襯砌與復合式襯砌等支護形式，以此選擇下穿鐵路的大跨度隧道的合適支護形式。

大跨度隧道截面為三心圓加仰拱的形式，最大洞寬為15.7 m，最大洞高為12.3 m。新建工程所比選的隧道支護形式分別如表1所示。

表1 比選支護形式

2 建立模型

本文計算采用有限元計算軟件Midas GTS NX，計算模型(圖1)長寬高尺寸為80 m×120 m×70 m。隧道拱頂埋深22 m，鐵路路基高8.75 m。

采用實體單元模擬圍巖、隧道土體及路基，梁單元模擬鐵路鋼軌，桁架單元模擬錨桿，板殼單元模擬噴混及模筑混凝土。四周及底面設置法向位移邊界，頂部自由。

圖1 計算模型

2.1 圍巖參數

地勘報告所提供的土體物理力學參數見表2。

表2 圍巖物理力學參數

2.2 支護參數

本工程支護比選中采用了相同等級的錨桿、噴射與模筑混凝土，物理力學參數如表3所示。

表3 支護物理力學參數

3 模擬結果及分析

不同形式的隧道支護對下穿體系而言是不同路徑的卸載過程，會導致路基及軌道變形，因此通過分析路基變形及軌道的位移來評價支護的適應性。

3.1 隧道軸線上方變形分析

以開挖后的隧道軸線上方地表變形進行分析，可以體現隧道開挖對正上方地表變形的影響。各支護工況下開挖完成后地表變形曲線見圖2。

圖2 地表變形曲線

圖2中縱軸為地表沉降，橫軸為模型縱向距離，其中40 m附近為下穿節點。根據圖2看出，與自由平面地表不一樣的是，地表的鐵路路基對地表有加固作用，路基有使K35+385斷面下穿處地表變形減小的趨勢，使地表形成上拱，路基沉降在不同支護形式下約減小0.3～0.5 mm。另外根據沉降大小的比較，可以看出復合式襯砌對地表的影響是最小的，K35+385斷面處沉降為1.29 mm；噴錨支護與整體式支護影響接近，噴錨支護的下穿節點沉降為1.91 mm，整體式襯砌的沉降為1.93 mm。

3.2 施工后鐵軌變形分析

施工開挖后，鐵路路基上靠近先開挖方向的鐵軌變形最大，以其為研究對象分析影響。以復合式襯砌施作后的最大鐵軌變形(圖3)為例，可以看出下穿開挖對鐵路影響較大區域為K35+385斷面前后約50 m的范圍，下穿節點上方為最大沉降為1.31 mm，變形斜率最大范圍為前后距離20 m處，線路軌道最大10 m弦高低偏差為0.37 mm。

圖3 最大鐵軌變形(施作復合式襯砌)

根據各支護形式下的鐵軌變形曲線(圖4)可以看出施作不同形式的支護對上方軌道變形影響基本一致，上方軌道變形均呈U型曲線，最大變形及最大變形斜率基本相同，施作復合式襯砌對鐵軌變形影響較小，噴錨支護與整體式襯砌影響較大且相似。

3.3 施工過程鐵軌變形分析

以鐵軌K35+385處斷面為監測點，監測隨下穿開挖的鐵軌變形過程(圖5)，橫軸為隧道開挖距離。

圖4 各支護形式的最大鐵軌變形曲線

圖5 施工過程監測點變形曲線

由圖5可以看出，整個施工過程中復合式襯砌所造成的鐵軌變形均是最小的，但根據與最大變形的比值可以得知，噴錨支護形式達到最大變形的80 %、90 %是最早的，分別是開挖至56 m及64 m處，整體式襯砌落后2～4 m，復合式襯砌落后2～6 m。采取噴錨支護，鐵軌變形達到穩定的時間更早。

4 結論

本文通過模擬采用不同支護形式修建大跨度隧道對軌道的影響進行適應性分析，得出以下結論：

(1)鐵路路基對地表有加固作用，可使下穿處地表變形減小，且復合式襯砌對地表的影響最小。

(2)不同形式支護對軌道變形影響基本一致，最大變形及最大變形斜率的位置基本相同，施作復合式襯砌對鐵軌變形影響最小。

(3)采取噴錨支護，鐵軌變形穩定的時間最早，整體式襯砌次之，復合式襯砌最晚。

(4)綜合變形及穩定時間分析，支護成本接近時，復合式襯砌對此類大跨度下穿工程適應性更佳。