铁路隧道下穿京藏高速公路施工地表沉降控制

王忠双

铁路隧道下穿京藏高速公路施工地表沉降控制

王忠双

摘 要：以中川铁路工程九合二号隧道下穿高速公路为工程背景，建立数值分析模型进行计算，对高速公路地表安全性进行综合性分析。结合理论公式和数值计算结果，提出下穿高速公路隧道工法优选指标，从多属性多目标决策角度给出下穿公路隧道围岩稳定分析及工法优选的一般准则。

关键词：铁路隧道；下穿公路；地表沉降

随着城市和道路建设的不断发展，后续工程往往需下穿一些建筑物或道路、铁路等工程。新建隧道下穿既有公路的施工不可避免会对地层产生扰动，必然会产生不同程度的地面沉降，从而对施工和周边环境的安全产生不利影响。

利用数值分析方法研究新建下穿隧道施工方案对既有高速公路的影响，并探讨不同开挖方案下新建隧道围岩稳定性及公路地表沉降变形规律，为近接隧道施工提供一定指导。

1 工程概况

九合二号隧道下穿高速公路段（见图1）施工里程：HYK6+917—HYK7+017，Ⅴ级围岩，长100m，埋深仅8．0m，表层为人工填土，其下为Ⅲ级硬土。设计在隧道断面最大跨以上采用一环φ159mm管棚支护，长度65m，环向间距0．2m，I20、I22双层钢拱架全封闭，间距0．5m，纵向采用钢筋连接，同时设置超前小导管及锁脚锚杆。设计建议采用双侧壁导坑法施工，随时观测围岩变形，调整施工方案。为确保安全，施工时对高速公路进行单侧封闭、两次疏导交通的方案。为尽早开放交通，施工时采用三台阶法，局部爆破和机械开挖相结合，并建立数值分析模型，分析控制路面的横纵向沉降。

2 数值模型构建

分析表明，在均质弹性无限域中开挖的圆形洞室，由于荷载释放而引起的洞周介质应力和位移的变化，在5倍洞径范围外将<1%，3倍洞径外约<5%。本次计算模型水平宽度取为隧道跨度120m，垂直方向隧道下部距离为洞高的5倍，隧道上方计算模型取为高速公路路面，数值计算几何模型见图2。

岩体采用实体单元进行模拟。三维数值模型计算网格和开挖体的计算网格见图3，划分单元总数85840，节点总数91553。

计算过程中对2种开挖方案进行计算模拟（见图4），包括：（1）上下台阶法开挖；（2）三台阶临时横撑法开挖。模型水平左、右两侧边界施加x向位移约束，纵向前、后两侧边界施加y向位移约束，底部边界施加z向位移约束，顶部为自由表面。

图1 九合二号隧道下穿公路段示意图

图2 数值计算几何模型

图3 数值计算网格模型

图4 九合二号隧道下穿高速公路数值计算开挖工法

目前确定数值计算中围岩力学参数应用较多的是工程经验法：一种是将岩石参数做适当折减来选取岩体参数；一种是把围岩分类，然后按岩体级别给出相应参数。以《铁路隧道设计规范》作为主要依据，围岩分类也是依据铁路隧道设计规范而定。

3 隧道开挖引起的地表沉降计算

3.1 横向地表沉降计算

沉降变形在空间上表现为随着开挖其沉降槽不断向前推进，沉降槽曲线表现为类似于正态分布的Gauss曲线，Peck认为地层沉降主要由地层损失所造成，横向沉降Peck曲线近似描述为：式中：w（x）为距离隧道中心轴线为x处的地表沉降值，mm；x为距隧道中心线的距离，m；i为地表沉降槽宽度系数，自隧道中心至沉降曲线反弯点的距离；wmax为隧道中心线处的最大沉降量，mm。

其中：

式中：i为地表沉降槽宽度系数，沉降槽大体宽度的一半可以取为2．5i；H为隧道拱顶覆盖层厚度；R为隧道等效半径；φ为地层摩擦角。

计算可得，i=8．87、wmax≈Vi/2．5i=5．38，Peck曲线可表示为：

隧道开挖后地表沉降曲线见图5。

根据Peck公式，下穿隧道开挖后地表围岩沉降最大值应约为5．38mm，影响范围在隧道中线左右20m范围内，作为施工控制标准。

经施工期间观测，三台阶临时横撑法开挖地表沉降控制较好，经研究决定改变施工方法，在左半幅二次衬砌施工完成后，右半幅隧道施工改为上下台阶法。2种工法隧道上覆岩层不同深度处的地表实际沉降曲线分布见图6。

（1）图6中D1、D2、D3、D4、D5分别为行车道中断面距离地表0、2m、4m、6m、8m的横向沉降曲线。随着上覆岩层位置距离隧道拱顶位置不同，隧道最大沉降值也逐渐减小，2种开挖方案下隧道拱顶的最大沉降值都在1mm以下，满足隧道开挖稳定性的位移控制标准。

（2）隧道上覆岩层产生了一定程度的隆起，这主要是由于管棚在掌子面推进过程中产生的反向弯矩造成的，这在管棚弯矩动态变化规律中可以得到验证。

图5 隧道开挖后地表横向沉降曲线

（3）隧道地表沉降值基本可控制在1mm以内，满足上部地表高速公路稳定性及安全性的控制要求。

3.2 纵向地表沉降计算

经过对监控量测数据进行处理，得到隧道上覆岩层不同深度处的纵向沉降曲线分布（见图7）。

（1）图7中D1、D2、D3、D4、D5分别为线路中线断面距离地表0、2m、4m、6m、8m的纵向沉降曲线。分析可知，随着上覆岩层位置距离隧道拱顶位置不同，隧道最大沉降值也逐渐减小。在隧道纵向沉降值随上覆岩层厚度的增加沉降也逐渐明显。2种开挖方案下隧道在高速公路部分的最大沉降都在2mm以内，满足隧道开挖对地表高速公路稳定性的位移控制标准要求。

（2）隧道在远离高速公路的山体段沉降明显，位移值在12mm左右。分析可能是岩石节理发育不同引发的。

4 结论

（1）通过九合二号隧道下穿高速公路隧道下沉理论与实际对比，横向沉降影响范围基本在隧道中线左右20m范围，验证了Peck公式的实用性。

（2）由于管棚超前支护及钢架、锚杆和衬砌的支撑作用，沉降值远小于Peck公式的预测值。说明开挖过程中所采取的支护措施有效可靠。

（3）根据分析观测结果及时调整施工方法，在确保高速公路安全前提下，有效加快了施工进度。

（4）不封闭交通情况下地面荷载较为复杂，通过上述沉降观测数值，也可尝试在不封闭交通情况下的隧道开挖新工法。

5 参考文献

[1]韩煊，李宁．Peck公式在我国隧道施工地面变形预测中的适用性分析[J]．岩土力学，2007，28(1)：23-28，35．

[2]张玉军，刘谊平．上下行隧道立交处稳定性的有限元计算[J]．岩土力学，2002，23(4)：511-515．

[3]黄朱林．复杂城市地下立交施工力学行为研究[D]．成都：西南交通大学，2007．

[4]贾莲，张晋毅．近距离平行隧道开挖的三维有限元数值分析[J]．现代隧道技术，2006，43(1)：7-11．

王忠双：中国铁建大桥工程局集团有限公司，高级工程师，天津，300300

责任编辑 高红义

中图分类号：U45

文献标识码：A

文章编号：1672-061X（2015）05-0037-03