新建超浅埋下穿既有多线铁路隧道修建方案优化分析

朱招庚

(中铁二院工程集团有限责任公司地铁院，四川成都 610031)

新建超浅埋下穿既有多线铁路隧道修建方案优化分析

朱招庚

(中铁二院工程集团有限责任公司地铁院，四川成都 610031)

新建超浅埋下穿隧道对既有线路有着很大程度的影响，针对厦门高崎互通下穿工程铁路隧道的合修和分修两种方案，比较两种方案开挖后的结构力学行为、开挖产生的地表和地中位移以及断面塑性变形等方面对此工程的施工方法进行优化比选。结果表明：两种方案在施工过程中初期支护都能满足强度要求并且在矩形隧道四角围岩处产生拉应力区；合修方案的塑性区要略大于分修方案；分修方案虽然最大位移稍大于合修方案但在控制地表位移方面发挥更好作用。最终得出分修方案要优于合修方案的结论。

超浅埋； 下穿既有铁路； 修建方案； 结构力学行为

对于隧道建设而言，选择适当的修建方式是极其重要的。隧道修建方式由隧道的断面形状、尺寸、当地的地质水文情况、施工工法等多种因素共同决定[1-5]。

目前为止，采用单洞双线方案的有武广、郑西客运专线隧道，而德国铁路标准规定长隧道和特长隧道只采用双洞单线方案。钟新[6]从投资、结构、风险等多个方面对成兰线隧道的合、分修方案进行论证，得出分修方案适于复杂地质地段、总长较长且辅助坑道选择困难的隧道；合修方案适用于工程地质条件较好，且辅助坑道设置条件良好的隧道。朱勇[7]通过对地形、地质条件、辅助坑道设置状况等8个方面进行比较，得出云屯堡隧道宜采用合修方案修建的结论。刘鹏[8]从隧道施工风险、工期、运营维护、工程投资等方面入手，对壁板坡隧道的分合修方案选择条件进行了论证和研究。赵勇[9]在既有工程基础上对特长隧道选择单洞双线或双洞单线时方案比较进行分析。王梦恕[10]在总结大量工程成功经验和失败教训的基础上提出单双线隧道选择原则。周林峰[11]从初期投资、运营通风、工期、施工风险和运营风险、防灾救援等方面分析卡米垭隧道合修、分修方案，推荐采用分修方案。可见，分、合修方案的确定对隧道建设、当地环境、施工成本等多方面有着重大的影响。

高崎互通连接线下穿铁路隧道埋深极浅，最小覆土厚度仅3m左右，隧道下穿段铁路有3～4条股道交错设置，段内有特殊性岩土其中淤泥质砂、淤泥质土，条件复杂。本文从开挖后的结构力学行为、开挖产生的地表和地中位移以及断面塑性变形等方面，对高崎互通下穿铁路隧道的分修、合修方案进行比选和研究。

1 工程概况

1.1 概况

高崎互通连接线下穿隧道工程分为下穿铁路隧道与下穿公路隧道两部分。其中下穿铁路隧道埋深极浅，最小覆土厚度仅3m左右，隧道下穿段铁路有3～4条股道交错设置，分别为鹰厦铁路正线(电气化铁路)、车站牵出线、专用线，平面布置十分复杂，铁路与拟建下穿隧道交角较小，影响范围最长达107m。

1.2 建模参数及计算条件

本次计算采用平面模型计算。合修方案建模时，隧道顶部以上覆土为3m，隧道底部以下为30m，左右边界都离隧道中线100m。分修方案建模时，隧道顶部以上覆土为3m，隧道底部以下为30m，左右边界都离两隧对称轴线100m。两种方案计算时，都约束左右边界的水平位移，约束下边界的竖向位移，上边界为自由边界。计算模型网格划分见图1。

图1 模型网格划分

本次计算所采用的计算参数具体见表1。

2 超浅埋隧道合修、分修方案比选优化

2.1 初期支护内力及安全系数

初期支护控制点分布见图2，最终状态内力和安全系数见表2、表3。

表1 围岩及支护参数

图2 控制点布置

由计算结果分析可知：合修方案和分修方案在施工过程中初期支护都满足强度要求。

2.2 地表沉降及地中位移

隧道施工引起的地表沉降具体见图3。

图3 地表沉降槽(单位：mm)

表2 合修方案最终状态合修方案初支内力和安全系数

表3 分修方案最终状态分修方案初支内力和安全系数

由图3可知：合修方案最大地表沉降为1.9cm，发生在隧道中线的地表处。分修方案最大地表沉降为1.5cm，发生在位于两隧正中的地表处。从控制地表位移的角度上看，分修方案比合修方案好。

2.3 塑性区发展情况

围岩塑性区发展情况具体见图4。

图4 围岩塑性区分布

由图4分析可知：总体上看，合修方案和分修方案塑性区都很小，都在2m以内，在洞室周围分布较为均匀，中壁端头附近发展较深，说明中壁发挥了承载作用；从局部上分析，合修方案塑性区略大于分修方案。

2.4 围岩位移场

围岩的位移场分布情况见图5。

图5 围岩位移场云图

由位移云图5可以看出：合修方案和分修方案的围岩最大位移都发生在左右边墙的下部，最大分别为2.43cm和3.21cm。对于分修方案，两隧道间的土体受施工影响大，因此，控制该部分土体的位移是控制地表位移的关键。

2.5 围岩应力场

围岩的应力场分布情况见表4及图6。

表4 围岩拉应力分布情况

图6 围岩应力场云图

由图6及表4分析，可知：合修方案和分修方案在矩形隧道四角处围岩处产生拉应力区，这与最小安全系数最小值发生的位置是吻合的；此外，合修方案在顶底板中央也是拉应力主要分布区。

3 结论

运用数值计算方法对本下穿铁路的合修和分修两种方案进行隧道施工安全性对比分析，通过比较两种方案开挖后的结构力学行为和开挖产生的地表和地中位移，可以得到如下结论：

(1)合修方案最小安全系数3.2，出现在左隧道的左下角和右隧道的右下角；分修方案最小安全系数为3.0，出现在隧道的右下角。因此，合修方案和分修方案在施工过程中初期支护都能满足强度要求。

(2)合修方案的最大地表沉降为1.9cm，分修方案最大地表沉降为1.5cm从控制地表位移的角度上，分修方案优于合修方案。

(3)合修方案和分修方案塑性区都很小，在开挖区外2m以内，在洞室周围分布较为均匀，中壁端头附近发展较深，说明中壁发挥作用。

(4)合修方案和分修方案的围岩最大位移都发生在左右边墙的下部，分别为2.43cm和3.21cm。控制分修方案中两隧道之间的土体位移是减小地表位移的关键。

(5)合修方案、分修方案在矩形隧道四角处围岩处产生拉应力区，这与最小安全系数最小值发生的位置是吻合的；此外，合修方案顶底板中央也是拉应力主要分布区。

综上所述，厦门高崎互通下穿工程分修方案要优于合修方案的结论。

隧道合、分修方案的选择需要考虑的因素十分的繁杂，技术人员的知识水平及外部建设环境有很大的影响，有时甚至可能得出错误的结论。所以，完善我国隧道合、分修方案选择的评价体系及评价标准是刻不容缓的。

[1] 关宝树. 隧道及地下工程喷混凝土支护技术[M]. 北京:人民交通出版社， 2009.

[2] 王梦恕. 中国隧道与地下工程修建技术[M]. 北京:人民交通出版社， 2010.

[3] 杜宏宝. 黄土地质条件下浅埋暗挖施工地表沉降控制及工程应用[D]. 西安：西安建筑科技大学， 2009.

[4] 范曾国. 浅埋暗挖隧道下穿市区主干道、上跨地铁盾构隧道施工技术探讨[J]. 陕西建筑， 2010 (4)：53-56.

[5] 盛明宏，方诗圣，宋亚. 软弱地层浅埋双连拱隧道施工方法[J]. 工程与建设, 2007，21(3)：290-292.

[6] 钟新, 周跃峰.成都至兰州铁路隧道合修和分修方案比较[J].高速铁路技术, 2011(3):330-334.

[7] 朱勇，吴华.成兰铁路云屯堡特长隧道合、分修方案研究[J].隧道建设,2014,34(7):661-667.

[8] 刘鹏.沪昆客运专线壁板坡隧道分合修方案研究[J].山西建筑,2011,37(15):150-152.

[9] 赵勇. 铁路隧道建设的几个问题[J].铁道标准设计,2004(7):110-116.

[10] 王梦恕,张梅.铁路隧道建设理念和设计原则[J].中国工程科学, 2009, 11(12):4-8.

[11] 周林峰,余大龙. 长大铁路隧道合修、分修方案比选[J].中国铁路,2014(8):43-45.

朱招庚(1985～)，男，硕士研究生，工程师，主要从事轨道交通设计工作。

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[定稿日期]2017-10-20