新建高鐵隧道近接下穿既有公路隧道施工方案研究

王國軍

（中鐵二院重慶勘察設計研究院有限責任公司，重慶400023）

0 引言

近年來，隨著城市地鐵的發展，傳統礦山法施工的鐵路隧道研究熱度逐漸下降。相較于地鐵盾構法施工而言，鐵路隧道的礦山法施工工序更為復雜，不同施工工法對于施工工期及工程成本的影響極大，且一般而言，國內項目工程設計及施工或多或少存在過度保守的問題，進而導致巨大的經濟損失，所以對于復雜工點的施工方案研究就顯得尤為重要。

針對新建隧道施工對既有鐵路（公路）隧道的影響已經有許多工程師或學者進行了研究。劉志強[1]依托成渝客專中梁山隧道上穿既有襄渝鐵路中梁山隧道，采用數值模擬的方法對其進行研究，研究結果表明，既有隧道在新建隧道開挖后呈現向上變形趨勢。唐旭[2]依托重慶三環路明月山隧道下穿既有滬蓉鐵路排花洞隧道，通過Flac3D對新建隧道采用CD法施工進行模擬研究，研究結果表明，采用CD法進行施工可以滿足既有隧道的運營要求。葉飛[3]依托福建省龍長高速隘嶺隧道下穿既有贛龍鐵路古城隧道，介紹了其新建隧道的施工工藝和施工工法，結果表明，采用CRD法進行施工可以滿足工程要求。袁竹[4]依托福建省內某鐵路隧道對山區鐵路下穿高速公路隧道影響進行了分區研究，并以公路隧道沉降變形15mm為閾值對影響區范圍進行了強、弱、無分區劃分。胖濤[5]依托貴廣鐵路四寨二號隧道下穿廈蓉高速公路瑞坡隧道，通過理論分析、數值模擬和現場監測的方法對其下穿影響進行了研究，最終確定既有隧道變形15mm為控制標準。鄭俊杰、雷位冰等[6-7]依托溫福鐵路琯頭嶺隧道下穿同三高速公路琯頭嶺，通過施工控制及現場監測的手段進行研究，結果表明，當掌子面推進至距隧道交叉點3～4倍洞徑時，應適當加強洞內監測，及時調整開挖方式及爆破方案，以確保施工安全。

上述研究成果大多驗證設計方案中工法的安全性，并未考慮設計方案是否可能導致潛在的經濟損失。或是通過某一控制參數對近接工程的影響程度進行分區，針對分區結果進行設計，但是針對不同的地層只利用一個參數對影響程度進行分區是否可靠則需要進一步研究。本文依托鄭（州）萬（州）高鐵重慶段巫山隧道下穿既有渝宜高速岳家嶺隧道工程，采用三維數值方法，研究中隔壁法、雙側壁導坑法兩種工法對既有隧道沉降的影響，同時根據工程進度、安全性及經濟性等方面綜合比選提出了最優的下穿施工方法，相關研究成果對類似工程具有借鑒價值。

1 工程概況

1.1 下穿段兩隧道相對位置關系

巫山隧道最大埋深約730m，全長16570.5m，設計時速為350km/h；岳家嶺隧道最大埋深215m，左線長1730m，右線長1749m，設計時速為80km/h，雙向四車道。巫山隧道出口段下穿滬蓉高速公路岳家嶺隧道左右線，夾角約85°，穿越長度分別為46m、32m；巫山隧道D1K60+935、D1K66+980與滬蓉高速公路岳家嶺隧道左右線交于ZK26+041、YK26+071，新建隧道拱頂距離岳家嶺隧道路面高差為17.3m、17.2m，在該段岳家嶺隧道埋深約203m、巫山隧道埋深約221m。巫山隧道下穿岳家嶺隧道段橫面圖如圖1所示，平面圖如圖2所示。

圖1 巫山隧道下岳家嶺隧道橫斷面

圖2 巫山隧道下穿岳家嶺隧道段平面圖

1.2 下穿段襯砌結構支護參數

Ⅳ級圍巖巫山隧道支護及襯砌參數：初支C25噴射混凝土32cm，臨支C25噴射混凝土25cm；Φ22中空注漿錨桿@100cm×100cm，L=400cm；雙層Φ8鋼筋網@20cm×20cm；初期支護I25a工字形鋼拱架支撐，縱向間距60cm；臨時支護I18工字形鋼拱架支撐，縱向間距60cm；拱墻C40模筑混凝土70cm，仰拱C40模筑混凝土80cm。

Ⅳ級圍巖岳家嶺公路隧道支護及襯砌參數：C20噴射混凝土26cm；Φ25中空注漿錨桿@100cm×100cm，L=300cm；雙層Φ6鋼筋網@20cm×20cm；I18工字形鋼拱架支撐，縱向間距150cm；C25模筑混凝土40cm。

Ⅳ級圍巖岳家嶺公路隧道2#車行橫洞支護及襯砌參數：C25噴射混凝土12cm；雙層Φ6鋼筋網@20cm×20cm；C25模筑混凝土30cm。

Ⅳ級圍巖岳家嶺公路隧道緊急停車帶支護及襯砌參數：C20噴射混凝土24cm；Φ22中空注漿錨桿@120cm×75cm，L=350cm；雙層Φ6鋼筋網@20cm×20cm；I16工字形鋼拱架支撐，縱向間距75cm；C25模筑混凝土45cm。

2 隧道下穿施工方案比選研究

由于整個鐵路隧道處于圍巖較破碎地區，所以在設計階段將此處下穿區域的施工工法設計為雙側壁導坑法，但因工期緊張，且后續現場揭示圍巖情況相對較好，故嘗試在此作出施工工法變更，將原有雙側壁導坑法施工變更為上臺階中隔壁法施工，雙側壁導坑法和CD法施工工序圖如圖3所示。

圖3 CD法和雙側壁導坑法施工工序圖

2.1 數值模型

采用有限差分軟件Flac3d建立數值計算模型，模型計算范圍取值為：模型頂部取至岳家嶺隧道拱頂以上40m，沿公路隧道左右邊界向外擴展30m，模型掘進方向計算長度為120m。模型上表面為自由面，其余面均約束其法向位移，上表面施加自由面至地表范圍的巖體自重荷載。

在模擬計算中，用8節點6面體實體單元模擬圍巖及大管棚、系統錨桿及臨時錨桿加固區，用殼單元模擬初期支護、臨時支護。雙側壁導坑法與中隔壁法模型中，公路隧道的相關參數一致，區別僅為巫山隧道的施工方法不同，雙側壁導坑法和中隔壁法巫山隧道支護結構數值模型如圖4、圖5所示。

圖4 雙側壁導坑法巫山隧道支護結構模型圖

圖5 中隔壁法巫山隧道支護結構模型圖

中隔壁法施工模擬過程如下：一個全斷面中分4個臺階分步開挖，圍巖循環開挖進尺按3m進行，初期支護緊跟掌子面施工，循環進尺與開挖進尺同步。除第一個施工臺階外，其余臺階均滯后上一個臺階3m開挖，各臺階空間關系見圖6。

圖6 中隔壁（CD）法各個臺階掌子面空間關系

雙側壁導坑法隧道施工模擬過程如下：一個全斷面中分10個臺階分步開挖，循環開挖進尺按3m進行，初期支護緊跟掌子面施工，循環進尺按3m進行。除第一個施工臺階外，其余臺階均滯后上一個臺階3m開挖，各臺階空間關系見圖7。

圖7 雙側壁導坑法各個臺階掌子面空間關系

2.2 計算參數

根據巫山隧道設計圖，同時參考《公路隧道設計規范》（JTG 3370.1—2018）[8]及《鐵路隧道設計規范》（TB 10003—2016）[9]選取圍巖及襯砌物理力學參數取，詳見表1。

表1 圍巖及支護力學參數

3 計算結果及分析

3.1 計算結果評價標準

岳家嶺公路隧道襯砌素混凝土的安全系數根據《公路隧道設計規范》（JTG 3370.1—2018）的相關規定，采用表2中最小安全系數進行評價。

表2 公路隧道襯砌強度最小安全系數表

巫山隧道不同工法的初期支護的安全系數根據《鐵路隧道設計規范》（TB 10003—2016）相關規定，采用表3中最小安全系數進行評價。臨時支護最小安全系數限值為不小于1.0。

表3 鐵路隧道初期支護強度最小安全系數表

由于國內大部分工程沉降控制標準不統一，而且現階段隧道下穿公路隧道的沉降標準大多借鑒北京、深圳等地鐵施工經驗，以30mm作為控制標準，部分已經公開發表的文獻[10]調研表明，類似工程也有采用15mm為沉降限制的，本次評估采用路面沉降限制15mm為控制標準。

3.2 結構內力分析

根據工程特點，在既有岳家嶺隧道主洞及車行橫洞選擇3個斷面；在巫山隧道初期支護交叉點及兩公路隧道下方區域選擇3個斷面。上述各個斷面與公路隧道及鐵路隧道的位置關系見圖8，通過分析上述研究斷面的內力及安全系數結果，評估巫山隧道施工對既有隧道的影響，計算結果如表4所示。

圖8 研究斷面在整體模型中的位置關系

表4 下穿后岳家嶺隧道結構受力計算結果表

表5 參數優化后中隔壁法臨時支護安全系數計算結果表

計算結果表明，從岳家嶺隧道襯砌結構受力來看，采用中隔壁法進行下穿段施工和使用雙側壁導坑法進行下穿段施工，岳家嶺隧道襯砌結構安全性均能滿足評價標準。從經濟性角度綜合考慮來看，認為在此工點中隔壁法更優于雙側壁導坑法。從巫山隧道施工期間襯砌結構受力來看，雙側壁導坑法初期支護及臨時支護最小安全系數均能滿足規范要求；中隔壁法初期支護最小安全系數滿足規范要求，但是臨時支護最小安全系數低于規范要求，故在實際施工過程中應對中隔墻進行加強，將原設計I18單層型鋼鋼架優化為I25a單層型鋼鋼架或I18雙層型鋼鋼架，優化后巫山隧道臨時支護結構安全系數如表5所示。

3.3 岳家嶺隧道沉降變形分析

巫山隧道采用CD法下穿岳家嶺隧道時，隧道下穿后，導致既有公路隧道沿縱向發生不均勻沉降（圖9），巫山隧道與岳家嶺隧道交叉點沉降最大，公路隧道左線ZK26+041斷面處沉降最大值7.6mm，公路隧道右線YK26+071斷面（對應于緊急停車帶擴大斷面）處沉降最大值7.8mm。岳家嶺隧道左右線路面沉降變形曲線如圖10、圖11所示。

圖9 中隔壁法下穿后隧道路面豎向位移云圖

圖10 中隔壁法下穿后隧道左線路面縱向沉降曲線

圖11 中隔壁法下穿后隧道右線路面縱向沉降曲線

巫山隧道采用雙側壁導坑法下穿岳家嶺隧道時，隧道下穿后，導致既有公路隧道沿縱向發生不均勻沉降（圖12），公路隧道左線ZK26+041斷面處沉降最大值7.3mm，公路隧道右線YK26+071斷面（對應于緊急停車帶擴大斷面）處沉降最大值7.5mm。岳家嶺隧道左右線路面沉降變形曲線如圖13、圖14所示。

圖12 雙側壁導坑法下穿后隧道路面豎向位移云圖

圖13 雙側壁導坑法下穿后隧道左線路面縱向沉降曲線

圖14 雙側壁導坑法下穿后隧道右線路面縱向沉降曲線

圖15 岳家嶺隧道監控斷面沉降變形曲線

岳家嶺隧道從2019年12月10日起在隧道ZK26+041和YK26+071附近處設置監測點。由圖15可知，左線沉降變形最大值為7.4mm，右線沉降變形最大值為8.7mm。實測結果與數值模擬計算結果接近，說明數值模擬計算結果可以預示實際情況下岳家嶺隧道變形特性。

從沉降變形計算結果來看，中隔壁法施工和雙側壁導坑法施工下穿在岳家嶺隧道結構變形控制中均能滿足工程要求，且沉降控制效果相差不大。從經濟層面來看，在巫山隧道下穿岳家嶺隧道施工中，中隔壁法優于雙側壁導坑法。

4 結論

本文依托鄭萬高鐵重慶段巫山隧道下穿渝宜高速岳家嶺隧道，通過三維數值計算對下穿段施工工法進行了優化，主要結論如下：

（1）通過三維數值計算，得出了中隔壁法施工和雙側壁導坑法施工下穿后岳家嶺隧道襯砌結構受力和安全系數，計算結果表明，兩種工法施工后岳家嶺隧道襯砌結構均能滿足運營要求；

（2）通過三維數值計算，發現采用中隔壁法施工和雙側壁導坑法施工，公路隧道路面最大沉降分別為7.8mm和7.5mm，兩種工法沉降控制效果相差不大，且均能滿足工程需求；

（3）數值計算結果表明，雙側壁導坑法初期支護及臨時支護最小安全系數均能滿足規范要求；中隔壁法初期支護最小安全系數滿足規范要求，但是臨時支護最小安全系數低于規范要求。若考慮工期需要而采用中隔壁法施工時，有必要對臨時中隔墻參數進行加強，將臨時中隔墻改為雙層I18型鋼鋼架或采用I25a型鋼鋼架；

（4）現場監測沉降變形結果與數值模擬結果接近。從工期、經濟等因素綜合考慮來看，中隔壁法在本工點更為適用。