高速铁路隧道下穿既有高速公路路基沉降规律研究

张安睿

( 贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司　贵阳　550081)

高速铁路隧道下穿既有高速公路路基沉降规律研究

张安睿

( 贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司贵阳550081)

摘要依托成都-贵阳高铁大方隧道工程，对高速铁路隧道下穿既有高速公路路堤影响进行研究，通过三维建模计算了路面的沉降分布规律，并采用Peck公式对横向沉降进行拟合分析，二者吻合良好，通过计算得到地层损失率vl为2.8%，沉降槽宽度系数K为0.86。

关键词高铁隧道既有高速公路路基沉降规律数值模拟

随着我国铁路建设规模的不断扩大，导致大量新建铁路以隧道形式下穿既有公路。新建隧道下穿既有公路的施工不可避免地会对地层产生扰动，产生不同程度的地面沉降，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经济损失[1-2]。

本文以大方隧道为工程背景，对高速铁路隧道下穿既有高速公路路基的施工变形进行三维数值模拟研究，以研究高铁隧道施工对既有高速公路路基的影响。

1工程概况

1.1　工程简介

大方隧道位于成(都)-贵(阳)高铁大方-黔西区间，设计车速250 km/h，隧道全长7 130 m，为双线铁路隧道。隧道在D1K392+265～D1K392+380段下穿杭瑞高速公路遵义至毕节段K1771+722段高填方路基，高速公路为双向4车道高速公路，设计车速80 km/h，整幅路基宽度24.5 m。隧道中线与公路线路中线平面交角52°，二者相对位置关系见图1。

图1　大方隧道下穿杭瑞高速平面布置图

1.2　地质情况

隧道拱顶至公路堤脚6～18 m，拱顶距路面约26 m。D1K392+265～D1K392+307段位于粘土层中，粘土为硬塑至坚硬状，微含10～30%的碎石角砾，局部达40%，石质主要为灰岩、白云质灰岩、泥岩等，厚2～6 m；D1K392+307～D1K392+380段位于弱风化的灰岩层中，灰岩呈厚层、巨厚层至块状，岩质较坚硬。高速公路填筑路堤厚2～15 m，其中碎石约占50%，块石约占40%，其余为角砾和粘土。纵断面见图2。

图2　大方隧道下穿杭瑞高速纵断面图

1.3　支护设计

初期支护喷采用喷射28 cm厚C25混凝土，拱部采用直径22 mm组合中空锚杆，边墙采用直径22 mm普通砂浆锚杆，采用HW175型钢钢架(0.6 m/榀)及直径8 mm钢筋网(20 cm×20 cm)，系统锚杆长4 m，间距为1.2 m×1.0 m(环×纵)。二次衬砌在隧道拱部、边墙为55 cm厚C35钢筋混凝土，仰拱为65 cm厚C35钢筋混凝土。

D1K392+275～D1K392+300段洞顶高速公路路基坡脚采用直径76 mm钢管桩加固。D1K392+265～D1K392+300段采用40 m长直径108 mm双层大管棚。D1K392+300～D1K392+380段采用直径76 mm中管棚及直径42 mm小导管超前支护。

1.4　施工方法

采用CRD法施工，临时竖撑采用I20b型钢钢架，纵向间距0.6 m，拆撑时每循环长度不大于8 m。施工顺序依次为左上台阶、左下台阶、右上台阶、右下台阶。隧道开挖采用短进尺、弱爆破，隧道开挖后及时支护、封闭。

2数值模拟

2.1　计算模型建立

采用软件进行建模计算，建模的原则是建立与实际工程相一致的模型，探求施工作业对既有高速公路的影响，以指导施工进行。考虑模型边界效应的影响，模型计算规模为：沿高速公路纵向为110 m，隧道下边界取40 m，隧道纵向为100 m，模型节点数为38 352，单元数为35 871，计算模型见图3。由于梁单元的作用机理与超前管棚的类似，壳单元作用机理与支护类似，因此，采用梁单元模拟超前管棚，采用壳单元模拟初期支护和二次衬砌。建模时，需同时考虑隧道的支护设计参数和施工参数，计算时，围岩消除和衬砌施作有序进行。

a)整体模型b)局部放大

图3三维数值计算模型

2.2　计算参数选取

围岩和衬砌结构的物理力学指标参考规范和详勘报告取值。初期支护中型钢拱架的作用采用等效方法予以考虑，即将型钢拱架的弹性模量折算给喷射混凝土，采用式(1)计算。

(1)

式中:E为折算后弹性模量；E0，Ac分别为喷射混凝土的弹性模量和面积；Eg,Ag分别为钢拱架的弹性模量和面积。

二衬中钢筋的作用也采用上述方法进行等效计算。系统锚杆、小导管注浆加固等施工辅助措施简化为厚度为3 m的加固层。各计算参数见表1。

表1　围岩及支护结构的材料参数表

3计算结果与分析

图4为三维计算的位移计算结果，隧道拱顶的最大位移约为20 mm，高速公路路面的最大沉降为9.2 mm，位置在拱顶正上方，两侧位移随着距隧道轴线的水平距离的增加逐渐减小。

a)　隧道拱顶上方竖向位移图

b)　高速公路路面位移图

Peck[3]在1969年提出的隧道开挖产生的地表沉降经验公式，广泛应用于地表沉降变形的分析中，见式(2)。

(2)

式中：S(x)为地表距离隧道中心线距离x处的地表沉降,mm；Smax为隧道中心线上的地表沉降,mm；其中：i为地表沉降槽宽度,m，i=Kz0，K为沉降槽宽度系数，z0为隧道轴线深度,m；vl为地层损失率；A为开挖面积,m2。

图5为高速公路路面横向沉降计算结果和与Peck公式的拟合结果，路面横向沉降计算结果与Peck曲线拟合良好，测定系数R2为0.998。通过计算可得，地层损失率vl为2.8%，沉降槽宽度系数K为0.86。为有效地控制路面变形[4]，隧道各步骤开挖完成后应及时封闭成环，CRD法工序转换复杂，初期支护全断面闭合成环时间长，施工过程中应加强对洞内及地表沉降变形监测，严格控制地表变形。

图5　路面沉降计算结果

4结语

本文通过三维模型计算，研究了高速铁路隧道施工下穿既有高速公路路基的变形情况。通过模拟得到了路面的沉降规律，路面的最大沉降为9.2 mm，路面沉降横向分布与Peck曲线吻合良好，可以采用Peck经验公式对施工期间其他位置的沉降进行预测。

参考文献

[1]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.

[2]张建国,王明年,刘大刚,等.海底隧道浅埋暗挖段 CRD 法不同施工工序比较[J].岩石力学与工程学报,2007(S2):3639-3645.

[3]PEC R B.Deep excavations and tunnelling in soft ground[C]. Proc. 7th Int. Conf. Soil Mechanics Foundation Engineering. Mexico City. State of the Art Volume,1969：225-290.

[4]娄国充.铁路隧道下穿既有路基沉降规律及控制标准研究[D].北京:北京交通大学,2012.

Study of Surface Settlement Rule and for High-speed

Railway Tunnel Undercrossing Roadbed of Existing Highway

ZhangAnrui

(Guizhou Province Transportation Planning Survey and Design Institute Co.,Ltd., Guiyang 550081, China)

Abstract：Roadbed of existing highway affected by high-speed railway tunnel was studied based on the project of Dafang tunnel of Chengdu-Guiyang high-speed railway. Road surface settlement rule was gained by 3-D modeling. Transverse surface settlement was good fit of Peck figure. Strata loss rate (vl=2.8%) and width coefficient of settlement tank (K=0.86) were gained by calculation.

Key words:high-speed railway tunnel; roadbed of existing highway; settlement rule; numerical simulation

收稿日期：2015-08-18

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.06.019