新建高铁隧道近接下穿既有公路隧道施工方案研究

王国军

（中铁二院重庆勘察设计研究院有限责任公司，重庆400023）

0 引言

近年来，随着城市地铁的发展，传统矿山法施工的铁路隧道研究热度逐渐下降。相较于地铁盾构法施工而言，铁路隧道的矿山法施工工序更为复杂，不同施工工法对于施工工期及工程成本的影响极大，且一般而言，国内项目工程设计及施工或多或少存在过度保守的问题，进而导致巨大的经济损失，所以对于复杂工点的施工方案研究就显得尤为重要。

针对新建隧道施工对既有铁路（公路）隧道的影响已经有许多工程师或学者进行了研究。刘志强[1]依托成渝客专中梁山隧道上穿既有襄渝铁路中梁山隧道，采用数值模拟的方法对其进行研究，研究结果表明，既有隧道在新建隧道开挖后呈现向上变形趋势。唐旭[2]依托重庆三环路明月山隧道下穿既有沪蓉铁路排花洞隧道，通过Flac3D对新建隧道采用CD法施工进行模拟研究，研究结果表明，采用CD法进行施工可以满足既有隧道的运营要求。叶飞[3]依托福建省龙长高速隘岭隧道下穿既有赣龙铁路古城隧道，介绍了其新建隧道的施工工艺和施工工法，结果表明，采用CRD法进行施工可以满足工程要求。袁竹[4]依托福建省内某铁路隧道对山区铁路下穿高速公路隧道影响进行了分区研究，并以公路隧道沉降变形15mm为阈值对影响区范围进行了强、弱、无分区划分。胖涛[5]依托贵广铁路四寨二号隧道下穿厦蓉高速公路瑞坡隧道，通过理论分析、数值模拟和现场监测的方法对其下穿影响进行了研究，最终确定既有隧道变形15mm为控制标准。郑俊杰、雷位冰等[6-7]依托温福铁路琯头岭隧道下穿同三高速公路琯头岭，通过施工控制及现场监测的手段进行研究，结果表明，当掌子面推进至距隧道交叉点3～4倍洞径时，应适当加强洞内监测，及时调整开挖方式及爆破方案，以确保施工安全。

上述研究成果大多验证设计方案中工法的安全性，并未考虑设计方案是否可能导致潜在的经济损失。或是通过某一控制参数对近接工程的影响程度进行分区，针对分区结果进行设计，但是针对不同的地层只利用一个参数对影响程度进行分区是否可靠则需要进一步研究。本文依托郑（州）万（州）高铁重庆段巫山隧道下穿既有渝宜高速岳家岭隧道工程，采用三维数值方法，研究中隔壁法、双侧壁导坑法两种工法对既有隧道沉降的影响，同时根据工程进度、安全性及经济性等方面综合比选提出了最优的下穿施工方法，相关研究成果对类似工程具有借鉴价值。

1 工程概况

1.1 下穿段两隧道相对位置关系

巫山隧道最大埋深约730m，全长16570.5m，设计时速为350km/h；岳家岭隧道最大埋深215m，左线长1730m，右线长1749m，设计时速为80km/h，双向四车道。巫山隧道出口段下穿沪蓉高速公路岳家岭隧道左右线，夹角约85°，穿越长度分别为46m、32m；巫山隧道D1K60+935、D1K66+980与沪蓉高速公路岳家岭隧道左右线交于ZK26+041、YK26+071，新建隧道拱顶距离岳家岭隧道路面高差为17.3m、17.2m，在该段岳家岭隧道埋深约203m、巫山隧道埋深约221m。巫山隧道下穿岳家岭隧道段横面图如图1所示，平面图如图2所示。

图1 巫山隧道下岳家岭隧道横断面

图2 巫山隧道下穿岳家岭隧道段平面图

1.2 下穿段衬砌结构支护参数

Ⅳ级围岩巫山隧道支护及衬砌参数：初支C25喷射混凝土32cm，临支C25喷射混凝土25cm；Φ22中空注浆锚杆@100cm×100cm，L=400cm；双层Φ8钢筋网@20cm×20cm；初期支护I25a工字形钢拱架支撑，纵向间距60cm；临时支护I18工字形钢拱架支撑，纵向间距60cm；拱墙C40模筑混凝土70cm，仰拱C40模筑混凝土80cm。

Ⅳ级围岩岳家岭公路隧道支护及衬砌参数：C20喷射混凝土26cm；Φ25中空注浆锚杆@100cm×100cm，L=300cm；双层Φ6钢筋网@20cm×20cm；I18工字形钢拱架支撑，纵向间距150cm；C25模筑混凝土40cm。

Ⅳ级围岩岳家岭公路隧道2#车行横洞支护及衬砌参数：C25喷射混凝土12cm；双层Φ6钢筋网@20cm×20cm；C25模筑混凝土30cm。

Ⅳ级围岩岳家岭公路隧道紧急停车带支护及衬砌参数：C20喷射混凝土24cm；Φ22中空注浆锚杆@120cm×75cm，L=350cm；双层Φ6钢筋网@20cm×20cm；I16工字形钢拱架支撑，纵向间距75cm；C25模筑混凝土45cm。

2 隧道下穿施工方案比选研究

由于整个铁路隧道处于围岩较破碎地区，所以在设计阶段将此处下穿区域的施工工法设计为双侧壁导坑法，但因工期紧张，且后续现场揭示围岩情况相对较好，故尝试在此作出施工工法变更，将原有双侧壁导坑法施工变更为上台阶中隔壁法施工，双侧壁导坑法和CD法施工工序图如图3所示。

图3 CD法和双侧壁导坑法施工工序图

2.1 数值模型

采用有限差分软件Flac3d建立数值计算模型，模型计算范围取值为：模型顶部取至岳家岭隧道拱顶以上40m，沿公路隧道左右边界向外扩展30m，模型掘进方向计算长度为120m。模型上表面为自由面，其余面均约束其法向位移，上表面施加自由面至地表范围的岩体自重荷载。

在模拟计算中，用8节点6面体实体单元模拟围岩及大管棚、系统锚杆及临时锚杆加固区，用壳单元模拟初期支护、临时支护。双侧壁导坑法与中隔壁法模型中，公路隧道的相关参数一致，区别仅为巫山隧道的施工方法不同，双侧壁导坑法和中隔壁法巫山隧道支护结构数值模型如图4、图5所示。

图4 双侧壁导坑法巫山隧道支护结构模型图

图5 中隔壁法巫山隧道支护结构模型图

中隔壁法施工模拟过程如下：一个全断面中分4个台阶分步开挖，围岩循环开挖进尺按3m进行，初期支护紧跟掌子面施工，循环进尺与开挖进尺同步。除第一个施工台阶外，其余台阶均滞后上一个台阶3m开挖，各台阶空间关系见图6。

图6 中隔壁（CD）法各个台阶掌子面空间关系

双侧壁导坑法隧道施工模拟过程如下：一个全断面中分10个台阶分步开挖，循环开挖进尺按3m进行，初期支护紧跟掌子面施工，循环进尺按3m进行。除第一个施工台阶外，其余台阶均滞后上一个台阶3m开挖，各台阶空间关系见图7。

图7 双侧壁导坑法各个台阶掌子面空间关系

2.2 计算参数

根据巫山隧道设计图，同时参考《公路隧道设计规范》（JTG 3370.1—2018）[8]及《铁路隧道设计规范》（TB 10003—2016）[9]选取围岩及衬砌物理力学参数取，详见表1。

表1 围岩及支护力学参数

3 计算结果及分析

3.1 计算结果评价标准

岳家岭公路隧道衬砌素混凝土的安全系数根据《公路隧道设计规范》（JTG 3370.1—2018）的相关规定，采用表2中最小安全系数进行评价。

表2 公路隧道衬砌强度最小安全系数表

巫山隧道不同工法的初期支护的安全系数根据《铁路隧道设计规范》（TB 10003—2016）相关规定，采用表3中最小安全系数进行评价。临时支护最小安全系数限值为不小于1.0。

表3 铁路隧道初期支护强度最小安全系数表

由于国内大部分工程沉降控制标准不统一，而且现阶段隧道下穿公路隧道的沉降标准大多借鉴北京、深圳等地铁施工经验，以30mm作为控制标准，部分已经公开发表的文献[10]调研表明，类似工程也有采用15mm为沉降限制的，本次评估采用路面沉降限制15mm为控制标准。

3.2 结构内力分析

根据工程特点，在既有岳家岭隧道主洞及车行横洞选择3个断面；在巫山隧道初期支护交叉点及两公路隧道下方区域选择3个断面。上述各个断面与公路隧道及铁路隧道的位置关系见图8，通过分析上述研究断面的内力及安全系数结果，评估巫山隧道施工对既有隧道的影响，计算结果如表4所示。

图8 研究断面在整体模型中的位置关系

表4 下穿后岳家岭隧道结构受力计算结果表

表5 参数优化后中隔壁法临时支护安全系数计算结果表

计算结果表明，从岳家岭隧道衬砌结构受力来看，采用中隔壁法进行下穿段施工和使用双侧壁导坑法进行下穿段施工，岳家岭隧道衬砌结构安全性均能满足评价标准。从经济性角度综合考虑来看，认为在此工点中隔壁法更优于双侧壁导坑法。从巫山隧道施工期间衬砌结构受力来看，双侧壁导坑法初期支护及临时支护最小安全系数均能满足规范要求；中隔壁法初期支护最小安全系数满足规范要求，但是临时支护最小安全系数低于规范要求，故在实际施工过程中应对中隔墙进行加强，将原设计I18单层型钢钢架优化为I25a单层型钢钢架或I18双层型钢钢架，优化后巫山隧道临时支护结构安全系数如表5所示。

3.3 岳家岭隧道沉降变形分析

巫山隧道采用CD法下穿岳家岭隧道时，隧道下穿后，导致既有公路隧道沿纵向发生不均匀沉降（图9），巫山隧道与岳家岭隧道交叉点沉降最大，公路隧道左线ZK26+041断面处沉降最大值7.6mm，公路隧道右线YK26+071断面（对应于紧急停车带扩大断面）处沉降最大值7.8mm。岳家岭隧道左右线路面沉降变形曲线如图10、图11所示。

图9 中隔壁法下穿后隧道路面竖向位移云图

图10 中隔壁法下穿后隧道左线路面纵向沉降曲线

图11 中隔壁法下穿后隧道右线路面纵向沉降曲线

巫山隧道采用双侧壁导坑法下穿岳家岭隧道时，隧道下穿后，导致既有公路隧道沿纵向发生不均匀沉降（图12），公路隧道左线ZK26+041断面处沉降最大值7.3mm，公路隧道右线YK26+071断面（对应于紧急停车带扩大断面）处沉降最大值7.5mm。岳家岭隧道左右线路面沉降变形曲线如图13、图14所示。

图12 双侧壁导坑法下穿后隧道路面竖向位移云图

图13 双侧壁导坑法下穿后隧道左线路面纵向沉降曲线

图14 双侧壁导坑法下穿后隧道右线路面纵向沉降曲线

图15 岳家岭隧道监控断面沉降变形曲线

岳家岭隧道从2019年12月10日起在隧道ZK26+041和YK26+071附近处设置监测点。由图15可知，左线沉降变形最大值为7.4mm，右线沉降变形最大值为8.7mm。实测结果与数值模拟计算结果接近，说明数值模拟计算结果可以预示实际情况下岳家岭隧道变形特性。

从沉降变形计算结果来看，中隔壁法施工和双侧壁导坑法施工下穿在岳家岭隧道结构变形控制中均能满足工程要求，且沉降控制效果相差不大。从经济层面来看，在巫山隧道下穿岳家岭隧道施工中，中隔壁法优于双侧壁导坑法。

4 结论

本文依托郑万高铁重庆段巫山隧道下穿渝宜高速岳家岭隧道，通过三维数值计算对下穿段施工工法进行了优化，主要结论如下：

（1）通过三维数值计算，得出了中隔壁法施工和双侧壁导坑法施工下穿后岳家岭隧道衬砌结构受力和安全系数，计算结果表明，两种工法施工后岳家岭隧道衬砌结构均能满足运营要求；

（2）通过三维数值计算，发现采用中隔壁法施工和双侧壁导坑法施工，公路隧道路面最大沉降分别为7.8mm和7.5mm，两种工法沉降控制效果相差不大，且均能满足工程需求；

（3）数值计算结果表明，双侧壁导坑法初期支护及临时支护最小安全系数均能满足规范要求；中隔壁法初期支护最小安全系数满足规范要求，但是临时支护最小安全系数低于规范要求。若考虑工期需要而采用中隔壁法施工时，有必要对临时中隔墙参数进行加强，将临时中隔墙改为双层I18型钢钢架或采用I25a型钢钢架；

（4）现场监测沉降变形结果与数值模拟结果接近。从工期、经济等因素综合考虑来看，中隔壁法在本工点更为适用。