新建城市隧道上跨既有高鐵隧道穩定性控制研究

李韞芃，劉凇源，郭愛鵬

(1.深圳市綜合交通設計研究院有限公司，廣東 深圳 518003；2.中國礦業大學(北京)力學與建筑工程學院，北京 100083；3.深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，北京 100083；4.廣東省城市交通隧道與地下結構勘察設計工程技術研究中心，廣東 深圳 518003)

1 引 言

1.1 采取措施

(1)采用微差分段爆破，減小爆破振動影響。

劉明高[1]在進行深圳雞公山隧道上跨既有廈深鐵路隧道工程施工時采用電子數碼雷管微差爆破，有效減少了爆破振動。李富濤[2]對麗龍高速塔石嶺隧道上跨新建衢州至寧德鐵路塔石嶺隧道工程的施工建議為：在人行通道以及車行通道的交叉口位置開挖階段采用弱爆破技術，與臨時搭建的鋼支架相配合，同時利用挖掘設備進行開挖作業。

(2)采用新型施工方法。

隗建波[3]在進行坂銀通道新建公路隧道上跨既有鐵路隧道工程的施工時使用雙側壁導坑法開挖，從而有效減小了開挖面積，降低了單次爆破的裝藥量。李璐[4]，張兆杰[5]，程剛[6]對巴中至萬源高速公路新建羊子嶺隧道上跨既有襄渝鐵路二線羊子嶺隧道工程的施工時建議采用機械和人工混合開挖的方式。袁潤濕[7]在大麗高速34合同段龍翔隧道上跨廣大鐵路浴龍山隧道、大麗鐵路新浴龍山隧道的工程中采用了“人工開挖，零爆破，零擾動，全破碎錘、挖掘機、風鎬鑿邊清洗界限”的施工方法進行施工作業。

同時，也需要開展超前地質預報以及對交疊段隧道既有鐵路的專項監控量測。胡貴松[8]在雞公山隧道上跨既有廈深鐵路隧道施工過程中，采用自動監測技術監測了廈深鐵路梅林隧道的爆破震動、襯砌結構內力、二襯收斂變形、襯砌裂縫發展、拱部沉降、軌道位移、隧道內軌道幾何狀態以及既有設備的運行狀態。

1.2 研究方法

國內眾多學者在采用上述控制措施時使用的研究方法各不相同，丁祥[9]采用經驗計算法和數值模擬方法分析上跨隧道路基爆破施工產生的振動對已有鐵路隧道產生的影響。張良[10]利用三維有限元軟件進行數值模擬分析，針對既有鐵路隧道受上方公路工程施工的影響進行分析。最終得出：工程施工對既有隧道的影響在安全范圍之內。王志杰[11]采用FLAC3D模擬分析了新建公路上跨已有鐵路隧道的襯砌安全系數以及應力云圖，結合現場監測數據，綜合評估了施工的安全性。由以上研究可知，數值模擬在研究復雜條件下的隧道結構安全性具有操作簡便、可靠性高、數據結果可視化等突出優勢。

2 工程概況

僑城東路某隧道于左線K1+689，右線K1+675上跨正在運營的廣深港高鐵羊臺山隧道(時速350 km單洞雙線)，左線與廣深港高鐵羊臺山隧道平面交叉角度為51°，右線平面交叉角為53°，廣深港高鐵羊臺山隧道與僑城東路隧道左、右線交叉點里程分別為GSGDK96+801、GSGDK96+756。3#隧道左右線與廣深港高鐵羊臺山隧道之間的結構凈距分別為27.976 m、27.596 m。

廣深港高鐵深圳北站至福田站段采用板式無砟軌道，設計時速350 km/h，運營時速300 km/h。交叉段廣深港高鐵段為羊臺山隧道，隧道全長4 759 m，采用鉆爆法施工，洞高12.74 m，洞寬14.86 m。隧道開挖輪廓14.1 m(寬)×10.39 m(高)，交叉區位于III級圍巖，隧道結構采用III級復合式襯砌：初期支護拱墻采用15 cm厚的C25噴混凝土，二次襯砌拱部采用40 cm厚的C30混凝土，仰拱采用55 cm厚的C30混凝土。

僑城東路某隧道左右線均采用礦山法施工，線路大致呈南北走向，為雙向六車道規模。右線隧道起訖里程RK1+584～RK2+364，長780 m，左線隧道起訖里程LK1+586～LK2+336，長750 m。3#隧道平面曲線半徑為1 850 m，洞內人字坡，坡度為4%。隧道初期支護以噴射混凝土、鋼筋網、錨桿、工字鋼為主要支護手段，二次襯砌采用抗滲鋼筋混凝土，整體式模板臺車澆筑。交叉段設計采用超前管棚支護，并采取徑向注漿。

3 上跨廣深港高鐵羊臺山隧道結構安全分析

3.1 規范與控制指標

根據《高速鐵路設計規范》可知，正線軌道靜態精度標準如表1所示。

表1 正線軌道靜態精度標準

《高速鐵路無砟軌道線路維修規則(試行)》規定，250(不含)～300 km/h軌道靜態幾何尺寸容許偏差如表2所示。

表2 軌道靜態幾何尺寸容許偏差

3.2 數值模型構建及分析

(1)數值模型構建

通過建立僑城東路隧道上跨廣深港高鐵隧道的數值計算模型對隧道位移，軌道變形，二襯受力進行安全分析。計算采用大型巖土有限元分析軟件midas GTS NX建立整體三維有限元模型進行數值分析。模型以垂直于僑城東路方向為x軸，僑城東路隧道方向為y軸，豎向為z軸建立計算坐標系。為充分考慮隧道開挖的影響范圍，且消除模型邊界效應，基于實際工程現場條件，確定模型邊界范圍以隧道開挖為中心點取3～5倍開挖洞徑，x向取140 m，y向取140 m，z向取為130 m。將地層簡化成5層均質土層，從地表往下分別為：粉質粘土，全風化、強風化、中風化、微風化中粒花崗巖。土體本構關系采用摩爾-庫倫準則。

物理力學指標根據《僑城東路北延通道工程-第一標段(工可階段勘察至詳勘)初步勘察階段巖土工程勘察報告》選取，如表3所示。

表3 巖體物理力學指標

為簡化計算，將管棚超前支護等施工輔助措施對土體參數的提高作用作為安全儲備，未考慮其預加固作用。選取混凝土彈性模量如表4所示。

表4 混凝土彈性模量

(2)既有隧道開挖擾動分析

①隧道變形分析

當單線隧道完成施工時，既有隧道的最大豎向變形為0.87 mm；當雙線隧道施工完成之后，既有隧道的最大累計變形為1.16 mm。小于本工程建議的隧道結構變形保護標準5 mm，滿足安全要求。

②軌道位移量分析

軌道的最大豎向變形為0.68 mm，小于高速鐵路正線無砟軌道高低位移控制值2 mm；軌道的最大軌向位移(水平位移)為0.08 mm，小于高速鐵路正線無砟軌道軌向位移控制值±1 mm，豎向變形及軌向位移均滿足規范規定的安全要求。

③既有鐵路二襯受力分析

二襯結構軸力值為5 745 kN，彎矩最大值為304.63 kN·m，經過計算二襯結果安全系數最小值為9.09，遠大于安全系數限值3.6。滿足安全要求。二襯受力表如表5所示。

表5 廣深港高鐵羊臺山隧道二襯結構

④路基位移量分析

由計算結果可知，當單線隧道完成施工時，路基的最大豎向變形為0.58 mm；僑城東路隧道雙線施工完成之后，路基的最大變形為0.82 mm，遠小于規范要求的15 mm，滿足安全要求。

3.3 爆破振速安全分析

根據《廣州局集團公司地方涉鐵工程建設管理辦法》(廣鐵科信發〔2019〕103號)相關規定，在鐵路線路路堤坡腳、路塹坡頂、鐵路橋梁外側起向外各1 000 m范圍內，以及在鐵路隧道上方中心線兩側各1 000 m范圍內，原則上不得從事露天采礦、采石或者爆破作業，特殊情況下確需從事的，須采取可靠安全防護措施。綜合《爆破安全規程》(GB6722—2014)，根據《鐵路工程爆破振動安全技術規程》(TB10313—2019)，結合類似工程的經驗，為確保運營高鐵隧道的安全運行，隧道安全運營控制振速取值2 cm/s。振動速度公式采用薩道夫斯基公式(1)。

(1)

表6 K，α取值

表7 爆破振速計算

根據計算結果可得，理論爆破振速控制在2 cm/s的范圍內。當起爆點距離隧道下方中心線直接距離為30 m處時，理論計算求得的爆破振速為1.74 cm/s，安全系數為1.15；當起爆點距離隧道下方中心線越遠，同樣起爆藥量下，爆破振速越小。

4 結 論

(1)僑城東路北延通道施工對廣深港高鐵隧道的影響滿足規范要求的控制限值，對高鐵隧道的結構安全與運營安全影響較小：廣深港羊臺山隧道結構最大變形值1.16 mm；廣深港羊臺山隧道二襯結構軸力值為5 745 kN，彎矩最大值為304.63 kN·m，安全系數最小值為9.09，遠大于安全系數限值3.6；廣深港羊臺山隧道路基的最大變形為0.82 mm；廣深港羊臺山隧道軌道的最大軌向位移為0.08 mm；軌道的最大豎向變形為0.68 mm。均小于本工程控制建議值。

(2)計算得出最大爆破裝藥量為6.21 kg。當起爆點距離隧道下方中心線越遠，同樣起爆藥量下，爆破振速越小。

(3)新建隧道應加強現場施工監測量測，嚴格控制地表沉降及爆破振速。在新建隧道施工前應對已有的高鐵隧道進行一次全面檢測，了解既有隧道的結構現狀，若已產生隧道病害，應先采取相應措施整治病害、再行爆破施工；施工期及觀察期可采用自動化監測儀器對既有隧道結構沉降、爆破振速及結構凈空收斂等進行監測。