鐵路樞紐地區復雜環境下隧道修建技術探討

趙全超

（中鐵二院工程集團有限責任公司，成都 610031）

1 引言

鐵路樞紐是在鐵路網點或網端，由兩條或以上干線、若干個車站、各種為運輸服務的設施及其聯絡線等所組成的整體[1]。隨著鐵路工程建設的快速發展，西部山區地形、地質條件復雜，樞紐范圍環境敏感性強，受控因素多，因此，線路進入樞紐范圍后，常采用不同速度目標值予以克服，故出現多條鐵路緊鄰、線間距小、隧道合分修等情況，對隧道設計提出了較高的要求。近幾年來，國內專家及學者對多洞并行同時施工的小凈距隧道、地鐵工程下穿既有構筑物的受力分析、變形影響做了大量的研究工作[2-5]，但鐵路樞紐地區敏感環境下隧道工程修建技術需進一步探索和研究。

本文結合云桂鐵路百色站疏解工程南角亭二號、三號隧道的設計，探討了鐵路樞紐地區隧道工程的設計思路及經驗[6]，為今后類似工程的設計及施工提供參考和借鑒。

2 工程背景及概況

云桂鐵路南寧至百色段于2015 年年底開通運營，云桂鐵路百色站疏解工程建設相對滯后，為減少對已建成的云桂鐵路正線工程的影響，避免后期緊鄰運營線施工等問題，百色站疏解工程南昆貨車右線上行聯絡線及南昆客車右線與云桂鐵路不可分修的線下工程應與正線工程同步建成。

2.1 鐵路線位相對關系

百色站疏解工程中南昆客車右線與云桂貨車右線間設置南昆貨車右線上行聯絡線（以下簡稱“聯絡線”），在已建成的云桂正線南角亭一號隧道隧址附近，位于云桂正線右側，鐵路線位平面相對關系如圖1 所示。

圖1 百色站疏解工程鐵路線位平面布置圖

2.2 隧道概況

既有云桂正線南角亭一號隧道，全長285 m，為200 km/h，預留250 km/h 條件客貨共線雙線隧道。

擬建南角亭二號隧道位于聯絡線上，全長277.54 m，按50 km/h 普通貨物運輸隧道設計，隧道最大埋深約42 m。全隧除進口40.55 m 位于半徑R=700 m 的右偏曲線上，其余均位于直線上；洞內縱坡依次為0‰/82.54 m、6‰/195 m。聯絡線中線與云桂正線左線中線線間距從18.68 m 漸變至61.46 m；根據站場布置要求，隧道進口LDK0+147.46～LDK0++310 段162.54 m設置安全線，為雙線隧道；出口LDK0+386～LDK0++425 段39 m 聯絡線與南昆客車右線線間距為9.53～6.28 m，合修為雙線隧道；其余76 m 為單線隧道。

擬建南角亭三號隧道位于南昆客車右線上，設計終點為NHYDK227+183.673（即聯絡線LDK0+386），全長253.673 m，按80 km/h 普通客車單線隧道設計，隧道最大埋深約40 m。全隧位于直線上，洞內縱坡為-3.95‰單面下坡。南昆客車右線NHYDK227+183.673～NHYDK227+222.808 段與聯絡線合修為雙線大跨隧道，按南角亭二號隧道拉通設計。

2.2.1 地形地貌及地表環境

隧址區隸屬丘陵剝蝕地貌，山體較緩，自然坡度25°～38°，坡面植被發育。隧道進口靠近324 國道、出口有村落分布，交通條件較好。

隧道進口段線路左側約40～70 m 處地表為百色市百色起義紀念公園，停車場、紀念碑、雕塑、紀念公園管理用房等建（構）筑物，地表環境較為復雜。

2.2.2 工程地質條件

隧區范圍內上覆第四系全新統坡殘積層（Q4dl+el）粉質黏土，下伏基巖為三疊系中統河口組下段（T2h1）泥質砂巖夾泥巖，覆土層及基巖全、強風化層厚度大，巖質較軟；巖層呈單斜狀、地質構造簡單。

3 隧道開挖穩定性模擬分析

擬建南角亭二號隧道進口LDK0+147.46～LDK0+189 段左側緊鄰既有云桂正線南角亭一號隧道，聯絡線與云桂正線左線中線線間距為18.68～20.84 m（凈巖柱為5.28～11.64 m），擬建、既有隧道相對位置關系詳見圖2。

圖2 南角亭一號、二號、三號隧道進口橫斷面位置關系圖

3.1 有限元模型建立

為避免擬建隧道開挖過程中，圍巖卸荷對既有隧道造成偏壓影響隧道結構安全，于兩隧之間設置隔離防護樁。本次選取南角亭二號隧道進口段（LDK0+155～LDK0+189 暗洞段，凈巖柱6.2～11.64 m）為研究對象，在充分模擬研究區域地形地質條件的基礎上，建立擬建、既有隧道及工程措施（隔離防護預加固樁）的整體三維有限元計算模型，運用三維非線性有限元法，開展擬建隧道開挖穩定性分析，確定隔離防護預加固措施的適應性，有限元模型洞口相對位置關系如圖3 所示。

圖3 隧道進口相對位置關系

3.2 巖土物理力學參數指標

巖土物理力學參數指標如表1 所示。

表1 巖土物理力學參數指標

3.3 隧道開挖穩定性分析

3.3.1 分析工況組合

為研究臨近隧道開挖的相互影響，本次僅對擬建南角亭二號隧道進口暗洞段的位移變化情況進行模擬分析（擬建南角亭三號隧道距離既有隧道相對較遠，不做分析），分析工況組合如表2 所示。

表2 有限元分析工況組合

3.3.2 各工況位移變化分析結果

工況一分析結果如圖4 和圖5 所示：左洞施工完成，未施作預加固樁之前，右洞毛洞開挖。

圖4 工況一右洞水平位移圖

圖5 工況一右洞豎向位移圖

工況二分析結果如圖6～圖9 所示：左洞施工完成，施作預加固樁完成后，右洞毛洞開挖。

圖6 工況二右洞水平位移圖

圖7 工況二右洞豎向位移圖

圖8 工況二預加固樁水平位移圖

圖9 工況二預加固樁豎向位移圖

各組合工況下計算結果對比見表3。

表3 位移變化情況分析結果

從表3 分析結果來看，擬建南角亭一號隧道開挖過程中對洞周地層位移存在一定的影響，需采取必要的隔離防護措施確保既有隧道及地表敏感構筑物的安全。

4 擬建隧道主要工程措施

4.1 隔離防護措施

根據隧道開挖穩定性分析結果，擬建南角亭二號隧道LDK0+155～LDK0+189 暗洞段覆土層及泥質砂巖夾泥巖，全、強風化層厚度大，巖質較軟，為避免對既有隧道及地表構筑物造成破壞，于本段聯絡線中線左側6 m 處設置一排鉆孔灌注樁進行隔離防護，樁直徑1.25 m，樁間距2.0 m，樁長23 m。

4.2 施工監測及施工工序要求

4.2.1 爆破要求及施工監測

1）隧道進口LDK0+147.46～LDK0+185 段采用非爆破開挖，必要時結合地質條件采用控制爆破；LDK0+185～LDK0+310段采用控制爆破，以既有南角亭一號隧道為保護對象，根據GB 6722—2014《爆破安全規程》相關要求，本段允許爆破振動速率不得大于10 cm/s。

2）施工過程中除開展必要的洞內拱頂沉降、邊墻收斂變形、隧底沉降等監測外，由于隧道緊鄰既有隧道，且進口段地表附近有百色起義紀念公園管理用房設施、紀念碑、雕塑等敏感構筑物，同時應重點開展對既有鐵路及地表構筑物的沉降及變形監控量測。

4.2.2 施工工序要求

1）洞口明洞段施工時，應先做好洞口截排水設施、隔離防護預加固樁等措施，再進行明洞段開挖，并及時做好洞口邊仰坡防護，再進行暗洞施工。

2）為避免圍巖應力重分布的相互影響，南角亭二號隧道先行施工，待開挖并完成初期支護封閉成環后，再進行南角亭三號隧道施工。后開挖隧道掌子面應滯后先開挖隧道掌子面不小于50 m，并加強對初期支護的監控量測。

3）出口合修段施工完畢后，進行分修段施工。兩線同時施工時，應加強施工和爆破工序管理，當一線爆破開挖并完成初期支護后，方可進行另一線爆破作業。

5 結論

結合云桂鐵路百色站疏解工程南角亭二號、三號隧道工程的設計，認識到鐵路樞紐地區小凈距隧道設計及施工的技術難點和安全控制因素，得到如下主要結論。

1）為降低擬建隧道施工對既有工程及敏感構筑物的安全風險，通過數值模擬計算分析，除加強隧道自身的支護措施、襯砌結構外，采取隔離防護預加固措施對隧道的變形位移控制效果明顯。

2）本文重點闡述了隔離防護措施、施工監測及施工工序要求，可為類似工程的設計施工人員提供參考和借鑒。考慮到鐵路樞紐線位布置及既有工程分布的復雜性，還應結合工程實際，充分研究隧道限界及內輪廓、合分修方案比選等。

3）鐵路樞紐地區隧道工程近站區、市區，周邊環境敏感復雜。一般情況下，隧道埋深淺、穿越風化層及土層厚度大，緊鄰（上跨、下穿）既有鐵路工程、構筑物等，對隧道工程設計和施工具有較大的挑戰。