山区单线铁路隧道下穿高速公路隧道影响分区研究

袁　竹， 陈　勇， 王　柱

(中铁二院工程集团有限责任公司土建二院, 四川 成都　610031 )



山区单线铁路隧道下穿高速公路隧道影响分区研究

袁竹， 陈勇， 王柱

(中铁二院工程集团有限责任公司土建二院, 四川 成都610031 )

摘要：随着基础建设的不断推进，不可避免产生大量立交工程，其中铁路隧道下穿高速公路隧道工程问题十分突出。以福建省中部某山区铁路设计为例，对山区铁路下穿高速公路隧道影响分区进行研究。主要研究内容和结论如下： 1)利用Midas GTS软件对不同净距和地质条件下铁路隧道下穿高速公路隧道施工进行数值试验，以高速公路隧道的沉降为判断准则，15 mm为判断阈值，得到基于几何近接度和地质情况的影响分区(强、弱、无)。通过影响分区图，可以将全线下穿高速公路隧道工点对号入座，以采用在相应分区内的经济合理的施工措施； 2)地层条件不同，其决定强弱影响的净距分界点也不同，随地层条件的恶化而逐渐增大，强、弱影响区分界理论最小净距为0.5D，最大净距为1.8D；弱、无影响区最小净距为1.3D，最大净距为2.8D。

关键词：单线铁路隧道； 高速公路隧道； 下穿； 数值试验； 几何近接度； 地质条件； 影响分区

0引言

随着国家交通工程建设的不断推进，不可避免产生大量立交工程，其中铁路隧道下穿高速公路隧道工程问题十分突出。在福建省中部某山区铁路的设计中，一共遇到下穿高速公路隧道的工点近15处，净距为10～100 m。在这些工点的设计中，如何划分其影响分区，并根据其影响大小给出不同强度的施工措施，从而保证设计的科学合理，意义十分重大。

在目前的研究中，日本对近接施工类问题作了较系统的论述，主要根据既有隧道与新建建筑物的净距，提出影响分区的概念(见表1)。

表1　影响分区概念

注：D为新建隧道外径值，即隧道衬砌外轮廓垂直高度，水平宽度中的最大值。

仇文革[1]提出了广义的地下工程近接施工的分类、分区、分区指标表达式、近接度与对策等级概念以及分区、分度准则，给出了研究和解决近接施工问题的普遍方法；通过深圳地铁2近距离平行、重叠和交错隧道的研究，得到基于2隧道净距的近接施工强影响区统一场。郑余朝[2]研究了三孔并行盾构隧道下穿铁路施工的力学行为和对策，得到了基于地表铁路沉降准则的影响分区。于鹤然等[3]通过数值模拟和回归分析方法对铁路双线立交隧道结构在不同净距和Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级围岩的上跨下穿情况进行了分析，对既有铁路隧道运营不受影响的最小净距给出了建议值。

之前的研究主要着重对近接工程净距的研究，对围岩级别也只是简单地以Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级分类[4-5]，对岩性的影响并无细致考虑。本文基于福建中部某山区铁路的设计，通过对隧道下穿高速公路隧道的数值模拟分析，通过几何近接度(S/D，S为2隧道间净距，D为新建隧道外径值)的变化及所处地层的变化(对围岩级别进行细分[6])得到多种工况下的高速公路隧道沉降值，通过统计力学方法得到基于这2个指标的影响分区，从而指导设计，并对相应影响区给出强度不同的工程措施。

1近接影响判断阈值及判断准则

判别准则及其相关阈值是对近接影响度和分区进行划分的根本，本文的近接影响判别主要根据下穿隧道施工造成既有高速公路隧道的路面沉降为准则。根据相关文献[7]，按照《公路隧道设计规范》破损阶段法进行结构截面检算。结果表明，当路面沉降超过15 mm时，既有隧道结构安全系数将不满足规范要求，故既有隧道路面沉降控制指标为15 mm。影响分区阈值标准如表2所示。

表2　影响分区阈值标准

2近接工程概况

铁路为单线电力牵引客货共线，旅客列车设计行车速度为160 km/h。隧道建筑限界根据“隧限-2A”绘制。单线铁路隧道支护参数如表3所示。

表3　单线铁路隧道支护参数

注： 直径单位为mm；*表示钢筋混凝土。

高速公路隧道行车速度为80 km/h，属于双向4车道，上下行分修。高速公路隧道支护参数如表4所示。

表4　高速公路隧道支护参数

注： 直径单位为mm；*表示钢筋混凝土。

3数值试验

数值试验采用岩土通用有限元程序Midas GTS进行。土体本构采用摩尔-库仑准则，根据弹塑性理论计算，模型上边界为自由边界，其余采用法向约束。计算考虑自重条件下的应力场。有限元计算模型见图1。

(a)

(b)

3.1计算参数

根据岩土勘察报告，不同围岩级别，不同岩性的地层力学参数如表5所示。建筑材料力学参数如表6所示。

3.2分析假定

1)铁路隧道和高速公路隧道处于同一套地层。

2)交叉角度仅对纵向影响范围有关系，铁路隧道与高速公路隧道的水平交角均按40°考虑。

3)为简化计算，不考虑埋深的影响，高速公路隧道埋深均按40 m考虑；同时通过对本线近接工点的统计，以占比最多的工点净距2D、序号G5地层参数为基准工况。

3.3计算工况

见表7。

3.4根据计算结果确定相关系数

根据3.3节计算得到的结果，由于只有沉降值受控制，故只对沉降的影响进行研究。根据近接影响判别准则的基本表达式Cij=Kijα0ijα1ijα2ijα3ijα4ijα5ij[1]，可以对各项系数进行确定；其中i表示第i种近接类型(上跨、下穿、平行等)，j表示第j种判别准则，Cij为第i种近接类型关于第j个判别准则的值。因为本文研究的对象明确，近接类型为下穿，采用既有高速公路隧道路面沉降为判别准则，故基本表达式可以简化为C=Kα0α1α2α3α4α5。

表5　岩土力学参数表

表6　建筑材料参数表

表7　计算工况设置

1)K为综合影响系数。实质为基准情况时的判别准则值，根据确定的基准(见以下各项)，即为G=7,S/D=1时的高低偏差矢度值，为13 mm,有K=13。

2)α0为几何近接度影响的修正系数。以地层序号G=5为基准，根据既有高速公路隧道路面沉降与几何近接度S/D的统计关系，可以得到如图2所示的回归公式。

既有高速公路隧道路面沉降与S/D统计关系为

U=103e-0.96(S/D)。

(1)

U与基准工况既有高速公路隧道路面沉降(13mm)的比值，即为影响修正系数，可得到影响修正系数

α0=7.92e-0.96(S/D)。

(2)

其中基准工况下，S/D=2时，应有α0=1，由此，式(2)可调整为

α0=7.92e-0.96(S/D)-0.16。

(3)

图2　高速公路隧道沉降值与S/D的统计关系

Fig. 2RelationshipbetweensettlementofexpresswaytunnelandS/D

3)α1为位置关系(角度)影响的修正系数。以水平交角均按40°考虑为基准，可取α1=1。

4)α2为施工方法影响的修正系数。若以本文研究的以上下台阶法为基准，则有α2=1。

5)α3为地质条件影响的系数。以S/D=2为基准，根据既有高速公路隧道路面沉降与G的统计关系，可以得到如图3所示的回归公式。

图3高速公路隧道路面沉降值与G(地层序号)的统计关系

Fig. 3RelationshipbetweensettlementofexpresswaytunnelandG(serialnumberofgeologicalcondition)

根据图3的回归公式，可得到

U=0.059G2+2.202G+1.428。

(4)

U与基准工况既有高速公路隧道路面沉降(13mm)的比值，即为影响修正系数，由此可得到影响修正系数

a3=0.005G2+0.169G+0.11。

(5)

其中当G=5,应有a3=1，由此，式(5)可调整为

a3=0.005G2+0.169G+0.03。

(6)

从而导出了a3与G的统计关系。

6)a4为既有结构物劣化程度影响的修正系数。本文研究考虑既有高速公路隧道均为正常使用，正常保养和巡检的结构，以此为基准，则有a4=1。

7)a5为对策措施影响的修正系数。以常规施工措施为基准，则有a5=1。

当其余各项影响系数都为基准情况时，将上述几个影响修正系数的统计公式和综合系数代入近接影响判别准则表达式，即可得到关于几何近接度和地质条件的最大沉降值

U=Ka0a3。

(7)

U=(103e-0.96(S/D)-2.08)(0.005G2+0.169G+0.03)。

(8)

3.5影响分区的确定

根据表2近接施工阈值标准，可得到关于几何近接度和埋深比的分区界线。

分区则为关于几何近接度S/D和地质情况G的几个点集：

{(S/D,G)|Kα0α3≥15}强影响区；

{(S/D,G)|5≤Kα0α3<15}弱影响区；

{(S/D,G)|Kα0α3<5}无影响区。

分区界线： U=Cijk(Cijk=5,15)。

(9)

分别将式(8)代入式(9)，即有：

(-0.96)。

(10)

于是可以得到沉降值为5mm和15mm时的关于S/D和G的2个控制方程，分别以S/D为横坐标，G为纵坐标作图，则可得到分别对应弱、无影响分区和强、弱影响分区界限的2条曲线。基于S/D和G(地层序号)的影响分区见图4。

根据图4可得到相应近接工点所处的影响分区。地层条件的不同，其决定强弱影响的净距分界点也不同，随地层条件的恶化而逐渐增大。理论上，强、弱影响区分界最小净距为0.5D，最大净距为1.8D；弱、无影响区最小净距为1.3D，最大净距为2.8D。基于S/D和G的影响区分界见表8。

图4　基于S/D和G(地层序号)的影响分区图

围岩级别强影响区分界弱影响区分界Ⅱ0.5D1.3DⅢ0.7D～1.2D1.7D～2.1DⅣ1.4D～1.6D2.3D～2.5DⅤ1.6D～1.8D2.6D～2.7D

4各影响区施工对策

为了减小铁路隧道施工对高速公路隧道路面沉降的影响，由于高速公路隧道使用年限不长，均为正常使用，正常保养和巡检的结构，所以主要着眼于对新建铁路隧道采取对策，并对中间地层进行加固。通过对同类工程归纳总结[8-11]，各影响区内拟采用措施如下。

4.1强影响区措施

1)台阶法(临时仰拱)施工，采用双层φ108管棚超前支护，外插φ42小导管超前支护并超前周边注浆，开挖后径向注浆(洞周3～5 m)。

2)管棚环向设置范围为拱墙180°，为增加管棚的刚度和强度，均加设钢筋笼。

3)初期支护采用全环I20b型钢钢架0.6 m/榀。

4)采用非爆开挖。

4.2弱影响区措施

1)台阶法(临时横撑)施工，采用单层φ108管棚，环向间距0.4 m，外插φ42小导管超前支护，开挖后局部径向注浆(洞周3～5 m)。

2)管棚环向设置范围为拱墙180°。

3)采用控爆开挖，爆破震动速度不大于10 cm/s。

4.3无影响区

为保证施工及高速公路隧道运营的安全，根据相关研究成果，当S/D<5时，在下穿施工期间，需对既有隧道的爆破震动速度进行控制，爆破震动速度不大于10 cm/s，同时根据实际监测数据，调整施工的措施。

5结论与建议

1)利用Midas GTS软件对不同几何近接度和地质条件下铁路隧道下穿高速公路隧道施工进行数值模拟，以高速公路隧道的路面沉降为判断准则，15 mm为判断阈值，得到基于几何近接度和地质情况的强、弱、无影响分区。地层条件的不同，其决定强弱影响的净距分界点也不同，随地层条件的恶化而逐渐增大。理论上，强、弱影响区分界最小净距为0.5D，最大净距为1.8D；弱、无影响区最小净距为1.3D，最大净距为 2.8D。

2)由于围岩分级的复杂性，本文对围岩等级的细分以及参数的选取都存在一定的片面性，分析所采用的假定跟实际工点有一定出入，研究成果尚缺乏实际监测数据的支撑。

3)之前近接工程的分区研究主要着重对几何近接度的研究，对围岩级别也只是简单地以Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级分类，对岩性的影响并无细致考虑。本文采用数值试验方法，通过隧道几何近接度的变化、所处地层的变化(对围岩级别进行细分)得到多种工况下的高速公路隧道路面沉降值，通过统计方法得到基于这2个指标的影响分区。

4)通过影响分区图，可以将全线下穿高速公路隧道工点对号入座，以采用在相应分区内的经济合理的施工措施，也可供岩性相似的同类工程参考。

5)由于岩土工程数值分析的局限性，不可预见因素较多，进一步的研究应收集不同几何近接度和地质条件下近接工点的实际监测数据验证基于数值试验影响分区的合理性。

参考文献(References)：

[1]仇文革.地下工程近接施工力学原理与对策研究[D].成都： 西南交通大学,2003.(QIU Wenge. The study on mechanics principle and countermeasure of approaching excavation in underground works[D]. Chengdu: Southwest Jiaotong University,2003.(in Chinese))

[2]郑余朝. 三孔并行盾构隧道近接施工的影响度研究[D].成都： 西南交通大学，2007.(ZHENG Yuchao. Study on the influence degree of adjacent construction of three parallel shield tunnels[D]. Chengdu: Southwest Jiaotong University,2007.(in Chinese))

[3]于鹤然，周晓军，胡鸿运.铁路立体交叉隧道相互影响阈值[J].土木建筑与环境工程，2014，36(3): 44-51.(YU Heran,ZHOU Xiaojun,HU Hongyun. Influence threshold analysis on railway over-cross tunnels[J]. Journal of Chongqing Jianzhu University, 2014，36(3): 44-51.(in Chinese))

[4]李玉峰,雷明峰,鲁贵卿,等. 不同因素对立体交叉隧道施工的影响规律分析[J].现代隧道技术,2014，51(1): 117-123.( LI Yufeng,LEI Mingfeng,LU Guiqing,et al. Analysis of factors affecting intersected tunnel construction[J]. Modern Tunnelling Technology,2014，51(1): 117-123.(in Chinese))

[5]张玉军，刘谊平． 上下行隧道立交处围岩稳定性的有限元计算[J]．岩土力学，2002，23(4): 511-515.(ZHANG Yujun,LIU Yiping. 3D finite element analysis for stability of surrounding rockmass at grade separation section of up tunnel and down tunnel[J].Rock and Soil Mechanics, 2002，23(4): 511-515.(in Chinese))

[6]王明年，陈炜韬，刘大刚，等.公路隧道岩质和土质围岩统一亚级分级标准研究[J].岩土力学，2010，31(2): 547-552.(WANG Mingnian, CHEN Weitao, LIU Dagang，et al. Study of unified standard of rocky and soil surrounding rock sub-classification in road tunnels[J]. Rock and Soil Mechanics,2010，31(2): 547-552.(in Chinese))

[7]胖涛. 铁路隧道小角度斜交下穿公路隧道设计探讨[J].隧道建设,2013,33(7): 573-578.(PANG Tao. Case study on design of a railway tunnel crossing underneath an existing highway tunnel with a small angle [J]. Tunnel Construction, 2013，33(7): 573-578.(in Chinese))

[8]刘新荣,王吉明,郭子红,等. 新建立交隧道施工对既有隧道影响的模型试验[J].重庆大学学报(自然科学版)，2012,35(12): 84-92.(LIU Xinrong,WANG Jiming,GUO Zihong,et al. Model test of influence of excavating new interchange tunnel on existing tunnel[J]. Journal of Chongqing University(Natural Science Edition), 2012,35(12): 84-92.(in Chinese))

[9]雷位冰.温福铁路琯头岭隧道下穿公路隧道施工技术[J]. 地下空间与工程学报，2007，3(4): 758-764.(LEI Weibing. Construction technology for Wenfu railway Guantouling tunnel under crossing the highway tunnel[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2007，3(4): 758-764.( in Chinese))

[10]袁溢. 新建铁路隧道下穿既有运营隧道的设计与施工[J].铁道标准设计，2014，58(6): 98-101.(YUAN Yi. Design and construction for a new railway tunnel crossing below an existing operational railway tunnel[J]. Railway Standard Design, 2014，58(6): 98-101.(in Chinese))

[11]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.(LOU Guochong. Study on the settlement and controlling criteria of existing embankment during railway tunnel construction underpassing by conventional method[D]. Beijing: Beijing Jiaotong University,2012.(in Chinese))

Study on Influence Zoning of Single-track Railway Tunnel Under-passing Expressway Tunnel at Mountainous Areas

YUAN Zhu, CHEN Yong， WANG Zhu

(ChinaRailwayEryuanEngineeringGroupCo.,Ltd.,Chengdu610031,Sichuan,China)

Abstract:With the development of infrastructure, large amounts of interchange projects appear inevitably. The railway tunnel under-passing expressway tunnel is prominent. Taking the design of a railway in mountain area of central Fujian province as an example, the influence zoning of single-track railway tunnel under-passing expressway tunnel is studied. The study contents and conclusions are as follows: 1) The numerical experiment of railway tunnel under-passing expressway tunnel is carried out by means of Midas GTS under different clear distances and geological conditions. The influenced zones,i.e. strongly influenced zone, weakly influenced zone and non-influenced zone,are abtained based on geometric adjacent degree and geological conditions and by using the settlement of expressway tunnel of 15 mm as a reference. The economical and rational construction countermeasure for every working point can be chose according to the influence zoning diagram. 2) The clear distance increases gradually with the deterioration of ground conditions. The demarcation point of strongly influenced zone and that of weakly influenced zone are 0.5D-1.8D theoretically; and the separating point of weakly influenced zone and that of non-influenced zone are 1.3D-2.8D theoretically.

Keywords:single-track railway tunnel; expressway tunnel; under passing; numerical experiment; geometric adjacent degree; geological conditions; influence zoning

中图分类号：U 45

文献标志码：A

文章编号：1672-741X(2016)02-0164-06

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2016.02.007

作者简介：第一 袁竹(1985—)，男，四川乐山人，2010年毕业于西南交通大学，地下工程与隧道工程专业，硕士，工程师，现主要从事地下工程与隧道工程设计工作。E-mail: yuanzhu 204@foxmail.com。

收稿日期：2015-11-03; 修回日期: 2015-12-10