鐵路隧道淺埋下穿高速公路沉降控制技術研究

胡慶龍、李力、丁嘯宇

（中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055）

0 引言

近年來，隨著我國交通建設的快速發展，新建隧道下穿既有建（構）筑物的案例越來越多[1]。受工程條件限制，下穿工程規模越來越大，條件越來越復雜，超淺埋、長距離下穿既有建（構）筑物的情況越來越多。對于鐵路隧道淺埋下穿高速公路的情況，嚴格做好控制公路路面的沉降工作是施工重點[2]。采用大管棚超前支護及對隧道周邊注漿加固可有效降低高速公路路基沉降[3-4]。為了更好地控制下穿施工過程中高速公路路面沉降及保證邊坡穩定，需要編制合理的監控量測方案，選擇恰當的施工方法，確保下穿建（構）筑物的施工安全[5]。

1 工程概況

1.1 工程基本情況

某新建鐵路為國家Ⅰ級鐵路，雙線，設計速度為160km/h，滿足雙層集裝箱運輸條件。該鐵路某隧道長3803m，在DK233+907—DK233+977 段下穿包茂高速公路，交叉角度85°，下穿處隧道洞頂至路基面距離為18m。

1.2 工程地質

隧道開挖范圍地層為古近系六吜組礫巖，圍巖較破碎，以泥質膠結為主，局部硅質膠結，膠結不均勻，層間結合較差，地質構造復雜，為Ⅴ級圍巖。鐵路隧道與包茂高速交叉關系如圖1、圖2 所示。

圖1 某鐵路隧道下穿G65 包茂高速平面示意圖

圖2 某鐵路隧道下穿G65 包茂高速縱斷面示意圖

古近系六吜組礫巖，黃褐色，礫狀結構，塊狀構造，節理裂隙發育，母巖為砂巖，全風化層厚2～12m，原巖結構基本被破壞，巖芯呈土柱狀，手捏易碎，巖土施工等級為Ⅲ級；強風化層厚15.3～50.2m，巖芯較破碎，呈碎塊狀，錘擊易碎，巖土施工等級為Ⅳ級；弱風化層巖芯較完整，多呈柱狀，錘擊聲啞易碎，飽和單軸抗壓強度為21MPa，巖土施工等級為Ⅳ級。

1.3 隧道襯砌支護設計

某鐵路隧道下穿包茂高速段設計為Ⅴ級圍巖，采用復合式襯砌，初期支護噴射C25 混凝土厚28cm，二次襯砌采用C35 鋼筋混凝土拱墻厚55cm，仰拱厚60cm。采用φ108 管棚超前支護，超前預注漿（5m 加固圈）改善圍巖，應用機械開挖法施工。隧道襯砌斷面如圖3 所示。

2 路面沉降監測方案

2.1 測點布置

鐵路隧道下穿包茂高速公路地段，應在隧道開挖前布設地表沉降觀測點，且地表沉降觀測點應與隧道內測點布置在同一斷面里程[6]。

2.1.1 縱向間距

地表沉降觀測點的縱向間距可按表1 取值。

表1 地表沉降測點縱向間距

鐵路隧道下穿包茂高速段，隧道埋深H0=18m，隧道開挖高度H=12.29m，隧道開挖寬度B=13.29m。按照表1 縱向測點間距設置為10～15m，縱向間距如圖4 所示。洞內測點布置應與地表沉降測點在同一里程。

圖4 測點布置示意圖（縱向間距）

2.1.2 橫向間距

公路路面沉降監測點橫向間距，距離隧道中心線20m 以內設置為2m，20m 以外設置為5m，如圖5 所示。邊坡范圍沉降監測點布置在邊坡平臺上，間距為5m，如圖6 所示。

圖5 測點布置示意圖（公路路面橫斷面）

圖6 測點布置示意圖（邊坡平臺橫斷面）

2.2 監測頻率

根據《鐵路隧道監控量測技術規程》（Q/CR 9218—2015）的規定，按照距開挖面距離及位移速度確定監控量測頻率（見表2、表3）。

表2 按距開挖面距離確定監控量測頻率

表3 按位移速度確定監控量測頻率

鐵路隧道下穿包茂高速段，隧道開挖寬度B=13.29m。按照表2 及表3，B 按14m 計算，得出不同里程段落監控量測頻率（見表4）。

表4 監控量測頻率統計表

包茂高速路基沉降控制值參照《城市軌道交通工程監測技術規范》（GB 50911—2013）中9.3.4，即高速公路路基沉降累計值不大于10mm，變化速率不大于3mm/d[7]。

沉降控制預警分級標準參照《城市軌道交通工程監測技術規范》（GB 50911—2013）9.1.4 相關內容[7]，具體如表5 所示。

3 不同施工工法對路面沉降的影響的數值模擬

采用MIDAS GTS 軟件進行三維建模，對CRD法、三臺階法、三臺階預留核心土法對公路路面沉降量的影響進行分析。

3.1 參數取值

計算采用的巖土力學參數根據東華山隧道設計圖中的規定，結合一般經驗選取，具體如表6 所示。

表6 材料參數取值表

3.2 有限元模擬

3.2.1 開挖模型

開挖模型如圖7、圖8、圖9 所示。

圖7 CRD 法模型圖

圖8 三臺階法模型圖

圖9 三臺階預留核心土法模型圖

3.2.2 洞內變形對比

CRD 法、三臺階法、三臺階預留核心土法模型，隧道洞內變形情況如圖10、圖11、圖12 所示，對比情況如表7 所示。

表7 CRD 法、三臺階法、三臺階預留核心土法隧道洞內變形對比表

圖10 CRD 法洞內變形圖

圖11 三臺階法洞內變形圖

圖12 三臺階預留核心土法洞內變形圖

3.2.3 公路路面沉降對比

公路路面沉降對比如圖13、圖14、圖15 所示。

圖13 CRD 法路面沉降量為1.34mm

圖14 三臺階法路面沉降量為1.75mm

4 結論

以某鐵路隧道下穿包茂高速為工程背景，結合相關規范提出新建鐵路隧道淺埋下穿高速公路施工沉降控制標準。采用有限元仿真軟件探究CRD 法、三臺階法、三臺階預留核心土法對公路路面沉降量的影響。通過有限元仿真結果與現場監測數據的對比，驗證計算的準確性。獲得如下主要結論：

第一，結合該工程實際情況以及相關規范，提出該工程下穿高速公路施工時，路面沉降累計值不大于10mm，變化速率不大于3mm/d。

第二，CRD 法拱頂沉降為1.5mm，三臺階法拱頂沉降為1.87mm，三臺階預留核心土法拱頂沉降為1.63mm。在控制拱頂沉降方面CRD 法較為合適。

第三，CRD 法拱底隆起為2.24mm，三臺階法拱底隆起為2.59mm，三臺階預留核心土法拱底隆起為1.41mm。因三臺階預留核心土法初支封閉成環時間最短，在控制拱頂沉降方面效果較好。

第四，CRD 法路面沉降為1.34mm，三臺階法路面沉降為1.75mm，三臺階預留核心土法路面沉降量1.38mm。在控制路面沉降方面CRD 法較為合適。

第五，為嚴格控制高速公路路面沉降，減少鐵路隧道施工對公路運營的影響，采用CRD 法進行隧道下穿高速公路段施工。