中川隧道下穿天巉公路施工方法研究

丁礼建

（中铁十九局集团有限公司 北京 100000）

中川隧道下穿天巉公路施工方法研究

丁礼建

（中铁十九局集团有限公司 北京 100000）

新建铁路隧道下穿既有公路时，既要保证新建铁路隧道施工安全，又要使公路保持运营状态，不产生较大的沉降，因此合理的选择施工方法，对隧道支护结构的安全以及公路路面沉降控制具有很重要的意义。巉以中川隧道下穿天公路工程为工程背景，结合国内外研究成果和国家现有规程，采用数值模拟的方法得出最优的施工方法。

下穿 隧道 施工方法 路面沉降 数值模拟

1 引言

随着我国经济的发展，铁路建设规模不断扩大，从而大量新建铁路以隧道形式下穿既有公路，新建铁路隧道下穿既有公路的施工不可避免地会对地层产生扰动，必然会产生不同程度的地表沉降，从而对铁路施工和周边环境的安全产生不利影响，严重的会造成既有公路路面破坏，引起较大的安全事故和造成较大的经济损失。因此，科学制定新建铁路隧道下穿既有公路施工方法，以减轻、消除和避免由于施工引起地表沉降的不利影响以及保证支护结构的安全性是十分必要的。

目前，国内外学者对隧道开挖引起的地表沉降进行了大量的研究，通过采用经验公式法，模型试验法、现场测试法、数值模拟法等进行了沉降变形研究，取得了很多有价值的研究成果[1-5]。本文结合中川隧道下穿天巉公路的实际情况，通过数值模拟采用不同的施工方法对地表下沉量的影响，得出最优的施工方法，为同类工程施工提供借鉴。

2 工程概况

天巉公路（甘肃天水至巉口）是国道主干线连云港至霍尔果斯的组成路段，于2001年12月建成通车，全长193.14 km，全线按二级汽车专用公路标准设计，道路全宽12 m，控制最高时速80 km。在天水境内共有80多km。隧道于IDK851＋950～IDK852＋040暗挖下穿天巉公路，隧道覆土厚度6.07 m，平面夹角38°34’18”。本段隧道采用V-XC-Ⅱ衬砌断面，采用三台阶临时仰拱法。全断面设Ⅰ22a型钢钢架，间距1榀/0.6 m，一次衬砌采用C35格栅钢架混凝土，钢格栅间距0.6 m；本段洞身拱部150°设三环A108管棚超前支护，下穿公路段管棚长50 m，两侧影响段管棚长30 m，环向间距30 cm，外插角0～2°；管棚间内插A42超前小导管，L=3.5 m，环向间距0.3 m，外插角10°～15°，纵向搭接不小于1 m。隧道断面图见图1所示。

图1 隧道断面图

3 隧道施工公路路面沉降标准

新建铁路大量出现下穿既有公路的交叉工程，隧道施工沉降将影响公路行车安全，所以必须要控制下穿公路隧道施工沉降。

由于隧道的施工会引起地表位移和变形，这种施工变形可在较短的时间内使得地表在一定范围内形成不均匀沉降凹槽，对公路路面功能及运营安全会产生较大影响。若不均匀沉降变形过大，沥青路面将产生路面裂缝；混凝土路面将产生面板断裂、纵向贯穿裂缝或接缝碎裂；或影响乘客舒适程度。

公路路面平整一般以平整度和舒适度来衡量，一般将汽车的行驶平顺性作为汽车舒适性的主要评价指标，汽车行驶平顺性主要是指乘客在汽车行驶过程中不会因车身震动而引起不舒适和疲劳的感觉，或能保证货物在运载过程中的完整无损，根据公路规范舒适度要求的纵断面设计竖曲线半径和换算3 m尺间隙如表1所示。我国规范规定不同等级公路水泥混凝土路面和沥青混凝土路面养护标准的平整度要求如表2所示。其中，以路面舒适度对路面不均匀沉降指标要求最严。

表1 舒适度要求及换算3 m尺间隙

表2 规范平整度养护质量标准

朱正国[6]等根据公路运营安全平整度要求，揭示了公路维修标准平整度与隧道施工路面最大沉降值的关系，应用正交数值试验方法，提出了不同等级公路路面允许的隧道施工沉降值，公路路面允许最大沉降值如表3所示。

表3 公路路面允许最大沉降值 mm

4 开挖方法比选

采用ANSYS软件，运用地层结构法进行分析。地层采用实体单元（solid45）模拟，支护结构采用壳单元（shell63）模拟。本文中地层结构模型中岩体材料假定为均质各向同性，岩体材料应力——应变关系为完全弹塑性，选用D-P模型，不考虑地下水的影响。模型中荷载为围岩和衬砌自重，不考虑动载影响。本文拟采用两台阶，两台阶临时仰拱，三台阶，三台阶临时仰拱四种方法进行数值模拟，四种方法比选出一种最优的施工方法。

4.1 有限元模型建立及结算结果分析

4.2 支护计算参数

地层及支护计算参数根据地质报告取值。地层和支护的计算参数如表4所示。

表4 隧道围岩的物理力学指标

图3 地层结构模型

图4 支护结构模型

4.3 计算模型

本文中地层结构模型中岩体材料假定为均质各向同性，岩体材料应力-应变关系为完全弹塑性，选用D-P模型，不考虑地下水的影响。模型中荷载为围岩和衬砌自重，不考虑动载影响。（注：本文中地层结构模型采用的本构关系及其假定均相同，以后不再赘述）模型的计算范围X=100 m，Y=40 m，Z=80 m，计算范围大于3倍的洞跨，满足要求。围岩采用实体单元（solid45）模拟，支护结构采用壳单元（shell63）模拟，建立地层模型如图3所示（图中黑色部分为天巉公路），支护结构模型如图4所示。模型开挖进尺为2 m，台阶长度为4 m。

4.4 结算结果

（1）地层沉降。使用不同开挖方法，在各施工部时的地表沉降曲线见图5～图8所示。

图5 两台阶法地表沉降曲线

图6 两台阶临时仰拱法地表沉降曲线

图7 三台阶法地表沉降曲线

图8 三台阶临时仰拱法地表沉降曲线

三台阶临时仰拱法地表沉降最大值为6.306 mm，这种施工方法对地表沉降的影响最小。中川隧道为双线隧道，天巉公路按一级公路沥青路面，根据表3，在埋深6.07 m的情况下路面允许最大沉降值为42 mm，可知计算结果满足要求。

（2）支护结构位移。选取公路与隧道相交处隧道断面为观测断面，支护结构拱顶下沉量，底部隆起，洞边收敛情况如表5所示。

表5 最大位移值 mm

当采用三台阶临时仰拱施工时，拱顶下沉量、底部隆起、洞边收敛均为最小值。结合地表沉降情况，可以得出使用三台阶临时仰拱法施工时，地表沉降量最小，支护结构变形量最小，所以建议使用三台阶临时仰拱法施工。

（3）支护安全性评价。本文选取隧道与栈桥相交叉断面作为研究断面，通过有限元软件ansys提取了支护结构的内力，并进行了安全系数计算。结构的安全系数如表6所示。

通过使用有限元软件ansys对隧道施工过程进行模拟，分别采用两台阶法、两台阶临时仰拱法、三台阶法以及三台阶临时仰拱法对隧道进行施工过程模拟，结果表明当采用三台阶临时仰拱施工时，支护结构以及地表沉降量均为最小，而且安全系数符合要求。所以建议采用三台阶临时仰拱法进行隧道的施工。

表6 不同施工方法支护结构安全系数

5 车辆荷载对隧道结构的影响

5.1 车辆荷载

按照汽车-Ⅰ级、一级公路最大荷载，车辆荷载如图9所示。根据上文结论，本文拟采用三台阶临时仰拱开挖方法，模拟单车荷载在不同位置时，对隧道开挖的影响。

图9 车辆荷载图示

图10 车辆在栈桥边缘图示

图11 车辆在隧道正上方图示

本文选取车辆在栈桥边缘处及在隧道正上方进行模拟，来确定单车荷载是否会对隧道施工造成影响。通过有限元计算软件ansys进行建模，有限元模型如图3所示，支护模型如图4所示。在此我们将车辆的集中荷载转化为了均布荷载，分布在车辆所占有的面积上，车辆荷载转化为均布荷载大小为25 338 N/m2，如图10、图11所示，图中红色箭头位置代表车辆位置。

5.2 结算结果分析

（1）地表沉降。车辆在不同位置时，在各施工部时的地表沉降曲线见图12、图13所示。

图12 车辆在栈桥边缘时地表沉降曲线

图13 车辆在隧道正上方时地表沉降曲线

车辆在栈桥边缘和在隧道正上方时地表沉降变化不大。当车辆荷载作用在栈桥边缘时，车辆作用一侧地表沉降量略大，但不明显。当车辆在隧道正上方时地表最大沉降量为6.317 mm小于表中规定的42 mm，所以可以得出结论地表沉降量满足规范要求。

（2）支护结构位移。选取隧道与公路交叉段隧道断面为监测断面。支护结构拱顶下沉量，底部隆起，洞边收敛情况如表7所示。

表7 最大位移值 mm

（3）支护安全性评价。结构的安全系数如表8、表9所示。

表8 车辆在栈桥边界支护结构安全系数

表9 车辆在隧道正上方支护结构安全系数

由表7可知，车辆荷载在隧道边缘和隧道正上方时，支护结构的位移变化不大，由表8、表9可知，车辆荷载对结构的安全系数影响也不大，且地表沉降量满足规范要求。所以可以得出结论采用三台阶临时仰拱法施工，可以忽略单车荷载的影响。

6 结论

（1）通过计算制定出了公路路面允许最大沉降值标准。

（2）通过模拟两台阶法、两台阶临时仰拱法、三台阶法和三台阶临时仰拱法四种施工方法，得出地表沉降、支护结构位移及安全系数，可以得出结论使用三台阶临时仰拱法施工地表沉降量最小，安全系数满足规范要求，故建议采用三台阶临时仰拱法施工。

（3）通过模拟车辆在隧道上方不同位置对隧道结构的影响，可以得出结论车辆在隧道正上方要比车辆在栈桥边缘对隧道结构的影响要大，但相比不考虑车辆荷载的情况，可以说车辆对隧道结构的影响很小，所以可以不考虑车辆荷载对隧道结构的影响。

[1]孙玉永,周顺华,宫全美.软土地区盾构掘进引起的深层位移场分布规律[J].岩石力学与工程学报,2009,28(3):500～506

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[5]吕培林,周顺华.软土地区盾构隧道下穿铁路干线引起的线路沉降规律分析[J].中国铁道科学,2007,28(2):12～16

[6]朱正国,黄松,朱永全.铁路隧道下穿公路引起的路面沉降规律和控制基准研究[J].岩土力学,2012,33(2):558～563

Research on the Construction Method of Zhongchuan Tunnel under the Tianyan Highway

DING Li-Jian
(China Railway 19th Bureau Group Co., Ltd Beijing 100000 China )

In the construction of a new rail tunnel under the existing highway, not only the tunnel construction safety but also the operational status of the highway should be ensured and excessive pavement subsidence is not allowed. Therefore, a reasonable construction method is very important to ensure the safety of tunnel supporting structure and road surface subsidence control. In this paper, based on the Zhongchuan tunnel under the Tianyan highway and combined with the existing research results and national norms at home and abroad, the optimal method of construction is provided through numerical simulation.

under cross tunnel construction method pavement subsidence numerical simulation

U455.4

A

1673-1816(2014)01-0032-07

2013-11-24

丁礼建（1971-），男，辽宁大石桥人，学士，高工，研究方向隧道工程。