鐵路隧道小凈距上跨既有隧道的施工及影響分析

程 寧

（中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北 武漢 430063）

0 引言

近年來，隨著我國交通基礎設施投資的進一步加大，許多山區城市道路交通條件得到進一步改善。由于山區城市地形條件限制，適宜位置逐步被各項目建設使用，后續項目不可避免地與其產生空間交叉，隧道交叉的形式也較為普遍。受地形地質、空間距離、開挖斷面規模和施工方法、爆破振動等影響，小凈距隧道施工相互影響較為復雜，對建設各方都提出了較高的技術和管理要求。

眾多學者和技術人員對小凈距山嶺隧道上跨施工進行了研究。徐慧芬等[1]通過理論分析和數值模擬研究了雙向四車道高速公路隧道上跨既有鐵路隧道施工的爆破和開挖影響。王威[2]通過數值仿真結合現場監測，分析了交叉中隔壁法施工的大斷面隧道小凈距上跨既有盾構隧道的多個施工方案，并給出了優化建議。然而，小凈距山嶺隧道上跨近接施工十分復雜，有必要對其施工過程進行針對性研究，分析其影響規律，更好地指導工程設計和施工。本文以衢麗鐵路大荒田隧道上跨西竹玉公路市口隧道為工程依托，使用數值分析工具對山嶺隧道小凈距上跨既有隧道的施工工法可行性和對既有隧道的影響進行分析。

1 工程概況

新建衢麗鐵路松陽至麗水段大荒田隧道全長1414m，設計為時速200km客貨共線單洞雙線鐵路隧道。西竹玉公路市口隧道全長528m，設計為時速60km單洞兩車道隧道，公路等級為二級。大荒田隧道于DK4+964上跨市口隧道，公路隧道里程K7+354，公路與鐵路大里程方向平面交角123°，交叉段鐵路軌面標高178.695m，公路路面設計標高163.614m，結構凈距4.491m，平面位置關系見圖1（a）所示，橫斷面位置關系見圖1（b）所示。

圖1 新建大荒田隧道上跨市口隧道位置關系圖

交叉段洞身圍巖為微風化凝灰巖，埋深約65m，巖質較堅硬～堅硬，巖體較完整，節理裂隙不發育，節理面以陡傾角為主，少量緩傾角節理分布，結合好，巖體呈塊狀-塊碎狀鑲嵌結構，地下水不發育，圍巖等級為Ⅲ級。綜合考慮小凈距隧道的空間位置關系、施工和運營期影響，鐵路隧道采用曲墻帶底板結構，公路隧道采用雙層初支加鋼筋混凝土襯砌結構。

2 小凈距山嶺隧道上跨施工精細化數值模擬

小凈距上跨施工將使得圍巖和支護結構力學特性發生復雜變化，因此有必要對施工工法的可行性和對既有隧道的影響規律進行分析，對小凈距上跨隧道的設計方案和施工有重要意義。本文使用GTS NX對小凈距上跨隧道施工開展數值模擬，分析不同工法、不同進尺工況下上跨隧道施工對既有公路隧道的影響。

2.1 模型建立

根據工程經驗和各方研究，選取交叉點隧道前后各100m、頂部至地表、底部向下60m作為模型范圍，計算模型見圖2（a）和圖2（b）所示，模型四周和底部采用法向約束，上部為自由面。

圖2 小凈距山嶺隧道上跨模型圖

圍巖采用摩爾—庫倫實體單元、支護結構采用彈性實體單元，支護結構通過按照施工階段修改單元屬性實現。物理力學參數參考規范見表1所示。

表1 模型物理力學參數

根據工程經驗，鐵路隧道在Ⅲ級圍巖地段一般采用全斷面法和臺階法施工，模型模擬了全斷面法和臺階法施工進尺1m、2m、4m共計6種工況。

2.2 既有公路隧道變形分析

2.2.1 縱向變形分析

不同工況下既有公路隧道拱頂的縱向變形特征如圖3（a）所示，從圖中可以看出不同工況下縱向變形特征基本一致，呈單駝峰彎曲形狀；影響范圍基本在K7+325～K7+380之間的55m范圍內；整體上看縱向變形受工況影響程度是全斷面進尺4m＞全斷面進尺2m＞兩臺階進尺4m＞全斷面進尺1m＞兩臺階進尺2m＞兩臺階進尺1m。

圖3 公路隧道縱向變形

臺階法施工進尺1m工況下既有公路隧道拱頂的縱向變形特征如圖3（b）所示，從圖中可以看出，隨著鐵路隧道的施工，公路隧道縱向變形特征基本一致，呈單駝峰彎曲形狀；隨施工進行，公路隧道拱頂沉降變形逐漸增大，最大值位于交叉點附近為2.61mm；在掌子面施工至交叉點13m（鐵路隧道一倍洞徑）時，公路隧道變形不顯著；在掌子面施工至交叉點時，拱頂沉降值達到0.90mm；在掌子面施工至遠離交叉點13m時，拱頂沉降值達到2.42mm；在鐵路施工完成后，達到最大值；可以看出在交叉點前后的13m 范圍內的鐵路隧道施工對公路隧道拱頂沉降影響較大。

2.2.2 交叉斷面拱頂變形分析

選取交叉里程 K7+354處公路隧道襯砌拱頂作為觀察點，不同工況下其沉降變形隨掌子面與交叉點距離變化的關系如圖4所示。

圖4 公路隧道K7+354斷面拱頂沉降變形

從圖中可以看出拱頂沉降變形隨施工的進行不斷增加；在距離掌子面-13～13m變化較大，基本是鐵路隧道一倍洞徑；在距離交叉點-13m時，產生的沉降變形較小，但變化率大；在施工至交叉點過程中，迅速發展；在遠離交叉點13m時，基本達到最大值；全斷面法施工進尺4m時沉降最大值為4.94mm，臺階法施工進尺1m時沉降最大值為2.61mm，其他工況位于兩者之間；受工況影響程度與縱向變形分析一致。

2.3 既有公路隧道應力分析

選取交叉里程K7+354處公路隧道襯砌左側墻中心、右側墻中心、拱頂和仰拱中心作為觀察點，臺階法施工進尺1m工況下，最大主應力和最小主應力隨掌子面與交叉點距離變化的關系如圖5所示。從圖中可以看出，最大主應力和最小主應力在施工至距離掌子面-10～10m范圍內變化較大；仰拱中心點為逐漸減小；左側墻和右側墻中心點為逐步增大；拱頂先增加后減小，但最終基本與施工前保持一致。施工完成后各點最大主應力：拱頂-0.07MPa、左側墻-0.65MPa、右側墻-0.73MPa、仰拱中心0.89MPa；最小主應力：拱頂-3.75MPa、左側墻-7.12MPa、右側墻-7.27MPa、仰拱中心-3.09MPa。

圖5 公路隧道K7+354斷面應力

3 施工爆破影響分析

根據現有研究成果，當小凈距隧道處于中硬巖及以上時，除需要考慮新建隧道開挖引起的圍巖應力重分布造成的既有隧道變形問題之外，爆破施工引起的振動影響也需要考慮[3]。根據《爆破安全規程》[4]規定當保護對象類別是“交通隧道”時，振動速度要求為10～20cm∕s。隧道爆破頻率一般小于20Hz，考慮到公路隧道建成時間較新且使用雙層初支和鋼筋混凝土襯砌進行了加強支護，確定振動速度要求為15cm∕s。

爆破振動速度按照式（1）進行計算：

式中：

V——振動速度，cm∕s；

K、α——系數；

Q——最大單段裝藥量，kg；

R——震源至監測點距離，m。

一般鐵路隧道爆破施工Ⅲ級掏槽眼單孔裝藥量3.6kg；本項目鐵路隧道和公路隧道結構凈距最小為4.491m；交叉段洞身圍巖為微風化凝灰巖，K取50，α取1.5；計算得到振動速度10cm∕s，小于振動速度要求15cm∕s。

4 結束語

對新建衢麗鐵路大荒田隧道小凈距上跨西竹玉公路市口隧道施工進行數值模擬計算，得到以下結論：

（1）鐵路隧道采用臺階法和全斷面法施工，在進尺1m、2m和4m的工況下引起的公路隧道沉降變形都小于5mm；

（2）從對公路隧道沉降變形影響上看，K7+325～K7+380之間的55m范圍受影響較大；

（3）從施工過程上看，在施工至距離交叉點前后13m范圍內引起的沉降變形變化較大，在交叉點前后10m應力變化較大；

（4）從施工爆破分析上看，在交叉點最小間距時，爆破振動速度滿足要求。