铁路枢纽地区复杂环境下隧道修建技术探讨

赵全超

（中铁二院工程集团有限责任公司，成都 610031）

1 引言

铁路枢纽是在铁路网点或网端，由两条或以上干线、若干个车站、各种为运输服务的设施及其联络线等所组成的整体[1]。随着铁路工程建设的快速发展，西部山区地形、地质条件复杂，枢纽范围环境敏感性强，受控因素多，因此，线路进入枢纽范围后，常采用不同速度目标值予以克服，故出现多条铁路紧邻、线间距小、隧道合分修等情况，对隧道设计提出了较高的要求。近几年来，国内专家及学者对多洞并行同时施工的小净距隧道、地铁工程下穿既有构筑物的受力分析、变形影响做了大量的研究工作[2-5]，但铁路枢纽地区敏感环境下隧道工程修建技术需进一步探索和研究。

本文结合云桂铁路百色站疏解工程南角亭二号、三号隧道的设计，探讨了铁路枢纽地区隧道工程的设计思路及经验[6]，为今后类似工程的设计及施工提供参考和借鉴。

2 工程背景及概况

云桂铁路南宁至百色段于2015 年年底开通运营，云桂铁路百色站疏解工程建设相对滞后，为减少对已建成的云桂铁路正线工程的影响，避免后期紧邻运营线施工等问题，百色站疏解工程南昆货车右线上行联络线及南昆客车右线与云桂铁路不可分修的线下工程应与正线工程同步建成。

2.1 铁路线位相对关系

百色站疏解工程中南昆客车右线与云桂货车右线间设置南昆货车右线上行联络线（以下简称“联络线”），在已建成的云桂正线南角亭一号隧道隧址附近，位于云桂正线右侧，铁路线位平面相对关系如图1 所示。

图1 百色站疏解工程铁路线位平面布置图

2.2 隧道概况

既有云桂正线南角亭一号隧道，全长285 m，为200 km/h，预留250 km/h 条件客货共线双线隧道。

拟建南角亭二号隧道位于联络线上，全长277.54 m，按50 km/h 普通货物运输隧道设计，隧道最大埋深约42 m。全隧除进口40.55 m 位于半径R=700 m 的右偏曲线上，其余均位于直线上；洞内纵坡依次为0‰/82.54 m、6‰/195 m。联络线中线与云桂正线左线中线线间距从18.68 m 渐变至61.46 m；根据站场布置要求，隧道进口LDK0+147.46～LDK0++310 段162.54 m设置安全线，为双线隧道；出口LDK0+386～LDK0++425 段39 m 联络线与南昆客车右线线间距为9.53～6.28 m，合修为双线隧道；其余76 m 为单线隧道。

拟建南角亭三号隧道位于南昆客车右线上，设计终点为NHYDK227+183.673（即联络线LDK0+386），全长253.673 m，按80 km/h 普通客车单线隧道设计，隧道最大埋深约40 m。全隧位于直线上，洞内纵坡为-3.95‰单面下坡。南昆客车右线NHYDK227+183.673～NHYDK227+222.808 段与联络线合修为双线大跨隧道，按南角亭二号隧道拉通设计。

2.2.1 地形地貌及地表环境

隧址区隶属丘陵剥蚀地貌，山体较缓，自然坡度25°～38°，坡面植被发育。隧道进口靠近324 国道、出口有村落分布，交通条件较好。

隧道进口段线路左侧约40～70 m 处地表为百色市百色起义纪念公园，停车场、纪念碑、雕塑、纪念公园管理用房等建（构）筑物，地表环境较为复杂。

2.2.2 工程地质条件

隧区范围内上覆第四系全新统坡残积层（Q4dl+el）粉质黏土，下伏基岩为三叠系中统河口组下段（T2h1）泥质砂岩夹泥岩，覆土层及基岩全、强风化层厚度大，岩质较软；岩层呈单斜状、地质构造简单。

3 隧道开挖稳定性模拟分析

拟建南角亭二号隧道进口LDK0+147.46～LDK0+189 段左侧紧邻既有云桂正线南角亭一号隧道，联络线与云桂正线左线中线线间距为18.68～20.84 m（净岩柱为5.28～11.64 m），拟建、既有隧道相对位置关系详见图2。

图2 南角亭一号、二号、三号隧道进口横断面位置关系图

3.1 有限元模型建立

为避免拟建隧道开挖过程中，围岩卸荷对既有隧道造成偏压影响隧道结构安全，于两隧之间设置隔离防护桩。本次选取南角亭二号隧道进口段（LDK0+155～LDK0+189 暗洞段，净岩柱6.2～11.64 m）为研究对象，在充分模拟研究区域地形地质条件的基础上，建立拟建、既有隧道及工程措施（隔离防护预加固桩）的整体三维有限元计算模型，运用三维非线性有限元法，开展拟建隧道开挖稳定性分析，确定隔离防护预加固措施的适应性，有限元模型洞口相对位置关系如图3 所示。

图3 隧道进口相对位置关系

3.2 岩土物理力学参数指标

岩土物理力学参数指标如表1 所示。

表1 岩土物理力学参数指标

3.3 隧道开挖稳定性分析

3.3.1 分析工况组合

为研究临近隧道开挖的相互影响，本次仅对拟建南角亭二号隧道进口暗洞段的位移变化情况进行模拟分析（拟建南角亭三号隧道距离既有隧道相对较远，不做分析），分析工况组合如表2 所示。

表2 有限元分析工况组合

3.3.2 各工况位移变化分析结果

工况一分析结果如图4 和图5 所示：左洞施工完成，未施作预加固桩之前，右洞毛洞开挖。

图4 工况一右洞水平位移图

图5 工况一右洞竖向位移图

工况二分析结果如图6～图9 所示：左洞施工完成，施作预加固桩完成后，右洞毛洞开挖。

图6 工况二右洞水平位移图

图7 工况二右洞竖向位移图

图8 工况二预加固桩水平位移图

图9 工况二预加固桩竖向位移图

各组合工况下计算结果对比见表3。

表3 位移变化情况分析结果

从表3 分析结果来看，拟建南角亭一号隧道开挖过程中对洞周地层位移存在一定的影响，需采取必要的隔离防护措施确保既有隧道及地表敏感构筑物的安全。

4 拟建隧道主要工程措施

4.1 隔离防护措施

根据隧道开挖稳定性分析结果，拟建南角亭二号隧道LDK0+155～LDK0+189 暗洞段覆土层及泥质砂岩夹泥岩，全、强风化层厚度大，岩质较软，为避免对既有隧道及地表构筑物造成破坏，于本段联络线中线左侧6 m 处设置一排钻孔灌注桩进行隔离防护，桩直径1.25 m，桩间距2.0 m，桩长23 m。

4.2 施工监测及施工工序要求

4.2.1 爆破要求及施工监测

1）隧道进口LDK0+147.46～LDK0+185 段采用非爆破开挖，必要时结合地质条件采用控制爆破；LDK0+185～LDK0+310段采用控制爆破，以既有南角亭一号隧道为保护对象，根据GB 6722—2014《爆破安全规程》相关要求，本段允许爆破振动速率不得大于10 cm/s。

2）施工过程中除开展必要的洞内拱顶沉降、边墙收敛变形、隧底沉降等监测外，由于隧道紧邻既有隧道，且进口段地表附近有百色起义纪念公园管理用房设施、纪念碑、雕塑等敏感构筑物，同时应重点开展对既有铁路及地表构筑物的沉降及变形监控量测。

4.2.2 施工工序要求

1）洞口明洞段施工时，应先做好洞口截排水设施、隔离防护预加固桩等措施，再进行明洞段开挖，并及时做好洞口边仰坡防护，再进行暗洞施工。

2）为避免围岩应力重分布的相互影响，南角亭二号隧道先行施工，待开挖并完成初期支护封闭成环后，再进行南角亭三号隧道施工。后开挖隧道掌子面应滞后先开挖隧道掌子面不小于50 m，并加强对初期支护的监控量测。

3）出口合修段施工完毕后，进行分修段施工。两线同时施工时，应加强施工和爆破工序管理，当一线爆破开挖并完成初期支护后，方可进行另一线爆破作业。

5 结论

结合云桂铁路百色站疏解工程南角亭二号、三号隧道工程的设计，认识到铁路枢纽地区小净距隧道设计及施工的技术难点和安全控制因素，得到如下主要结论。

1）为降低拟建隧道施工对既有工程及敏感构筑物的安全风险，通过数值模拟计算分析，除加强隧道自身的支护措施、衬砌结构外，采取隔离防护预加固措施对隧道的变形位移控制效果明显。

2）本文重点阐述了隔离防护措施、施工监测及施工工序要求，可为类似工程的设计施工人员提供参考和借鉴。考虑到铁路枢纽线位布置及既有工程分布的复杂性，还应结合工程实际，充分研究隧道限界及内轮廓、合分修方案比选等。

3）铁路枢纽地区隧道工程近站区、市区，周边环境敏感复杂。一般情况下，隧道埋深浅、穿越风化层及土层厚度大，紧邻（上跨、下穿）既有铁路工程、构筑物等，对隧道工程设计和施工具有较大的挑战。