大跨黄土公路隧道上跨既有客专隧道施工关键技术及安全性分析

张 威

（兰州铁道设计院有限公司，甘肃 兰州 730000）

0 引言

随着“交通十三五规划”对“县县通高速”政策支持力度的不断加大以及高速公路网的不断扩展和完善，由于受到环保、不良地质、工程接驳、线路技术标准等因素的影响，不可避免出现高速公路隧道上跨既有客专隧道的情形［1］。

上跨公路隧道施工卸荷改变了原有地应力场的分布，且隧道断面越大、地质条件越差、交叉角度越小，下伏隧道受不利影响的问题越突出。同时客专隧道对变形要求严格，上跨隧道施工不得影响客专正常运营，这无疑大大增加了上跨隧道施工的难度［2］。本论述从支护措施、施工工法、爆破安全等多方面进行管控，以确保下伏高铁的安全运营，同时保证上跨隧道自身安全施工［3］。

1 工程概况

拟建西坪高速公路隧道位于甘肃省天水市麦积区社棠镇西坪村西北侧，隧道为左、右行分离式双洞特长隧道，右线长3 300 m，左线长3 333 m，设计时速80 km/h，等级为双向四车道。

隧道于DYK159+932.61处上跨宝兰客专隧道，平面交角约45°，立交处公铁隧道间垂直净距约38 m。该范围公路隧道处于老黄土（Q2eol）中，埋深约121～125 m，围岩等级为V级。铁路隧道处于弱风化泥岩围岩中，埋深约160 m。立交段隧道平面位置关系如图1所示。

图1 立交段隧道平面位置关系

2 施工关键技术

2.1 强化支护措施

立交段初期支护挂网喷射30 cm厚C25混凝土，钢筋网为内外双层φ8钢筋网，间距20 cm×20 cm，型钢为I22a工字钢，纵向间距75 cm/榀，超前支护打设φ60×5 mm注浆导管，导管长3 m，环向间距40 cm，打设角度10°～15°，二次衬砌为钢筋混凝土，拱墙厚50 cm，仰拱厚70 cm，如图2所示。

图2 立交段复合式衬砌断面图

2.2 控制施工步序及工法

上跨宝兰客专西坪隧道段，地层主要为黏质黄土和强风化泥岩，围岩自稳能力差，抗风化能力弱，为最大限度的控制施工对地层的扰动，减小对既有铁路的影响，施工采用三台阶分部开挖法，如图3所示，其主要施工方法及施工顺序如下：

开挖导坑上台阶→上台阶拱部初期支护Ⅰ→开挖中台阶→中台阶边墙初期支护Ⅱ→开挖下台阶→下台阶边墙初期支护Ⅲ→仰拱二次衬砌Ⅳ→仰拱回填Ⅴ→拱部及边墙二次衬砌Ⅵ。

2.3 爆破安全控制

2.3.1 爆破振动安全允许标准

《铁路工程爆破振动安全技术规程TB 10307-2019》［4］对隧道结构爆破振动安全允许值规定见表1所列。

表1 铁路隧道爆破振动安全允许值

根据相关条文说明，隧道服务年限每增加10年，爆破振动允许值需降低8%，高速铁路和客运专线隧道对安全、稳定性要求更高，爆破振动允许值应降低10%，同时考虑铁路隧道施工期可能存在缺陷等问题，为保障高铁隧道正常安全运营，故将爆破振动速度控制标准进行严格控制，规定严禁爆破区爆破振动安全速度不超过0.5 cm/s，控制爆破区爆破振动安全速度不超过3 cm/s。

2.3.2 爆破允许范围界定

依据爆破振动计算公式：

爆破安全距离R＝（K/V）1/a*Q1/3

计算震速V＝K*（Q1/3/R）a

允许药量Q=（R*V1/a/K）3

高铁隧道所处泥岩地层按中硬岩考虑，K，a分别取为200，1.65，装药量每方土取0.36 kg。由上式计算得到立交中心点两侧严禁爆破区（核心影响区）范围为125 m，控制爆破区（一般影响区）范围为125～185 m。

图3 开挖工法及工序

对核心影响区内采用三台阶分步机械施工工艺，严禁采用爆破开挖；在一般影响区应控制爆破，采用微爆破与机械开挖相结合，同时爆破时应分部、分台阶进行，不可全断面爆破，一次爆破循环进尺不宜大于2榀钢架，避免爆破震动影响既有铁路的运营安全。

3 上跨隧道施工对下伏高铁影响性分析

为分析核心影响区公路隧道施工对下伏既有高铁隧道的影响，本论述结合工程实际建立三维仿真模型进行计算分析。

3.1 计算模型

为保证仿真模型尺寸能满足计算精度要求，同时减少计算模型单元数量，本次计算对模型尺寸做适当简化，模型X向取320 m，Y向取为300 m，由于隧道埋深较大，立交段落地表起伏较小，隧道Z向高度按立交中心点实际埋深取至地表，模型Z向总高210 m。对模型周边作X、Y向约束，底面左Z向约束，地表为自由面，计算模型围岩采用M-C本构，结构材料采用弹性本构。所建立的三维模型如图4所示。

图4 计算模型

3.2 计算参数

结合既有宝兰客专西坪隧道地质勘察资料、立交段公路隧道钻孔资料及《铁路隧道设计规范 TB1003-2016J449-2016》［5］，模型计算参数见表2所列。

表2 计算参数

3.3 计算结果

取各施工阶段最不利工况计算结果见表3所列。

表3 铁路隧道衬砌结构变形

参照《高速铁路工程测量规范 TB10601-2009》、《铁路隧道监控量测技术规程 Q/CR 9218-2015》［6］、《城市轨道交通工程监测技术规范 GB50911-2013》［7］、《城市轨道交通结构安全保护技术规范 CJJ202-2013》［8］取最不利值作为变形控制标准见表4所列。

表4 既有线隧道结构控制指标 单位：mm

由表3、表4可知，交叉点附近最大上浮位移发生在拱肩，为1.44 mm，最大水平位移发生在边墙，为0.28 mm，能满足规范要求。

取最不利工况下铁路隧道围岩节点力，施加在衬砌结构上，按荷载—结构法计算可得结构内力及安全系数，详见表5所列。

表5 衬砌结构内力及安全系数

参照《铁路隧道设计规范 TB1003-2016》，立交核心影响区范围内，铁路隧道结构安全系数均均大于2.4，能满足规范要求。

4 结束语

（1）大跨黄土高速公路隧道施工通过选定合理的支护措施，控制施工步序及工法，限定安全爆破振速等措施，对下伏铁路隧道的影响在安全可控范围内。

（2）应限制爆破施工作业范围，核心影响区（立交位置两侧125 m范围内）严禁爆破施工，一般影响区（立交位置两侧125～185 m范围内）可采用机械开挖与弱爆破相结合的方式施工。

（3）由于下伏铁路隧道处于泥岩中，应做好排水设施，严格控制施工用水、地层渗水及运营阶段排水，防止水体深入地层，浸泡泥岩，对下伏铁路隧道造成影响。