石黔高速公路万寿山隧道下穿既有营运铁路隧道设计探讨

陈扬勇;刘彦波;李信臻

【摘 要】In combination with real project sample of Shizhu-Qianjiang expressway Wanshoushan tunnel passing under existing operating railway tunnel,and based on survey and numeric simulation analysis,this paper predicted the influence degree of newly built road tunnel to existing railway tunnel,displacement and settlement of existing railway from newly built tunnel excavation,and according to result of prediction,the authors suggested design solution,and had carried out structural checking for lining structures of the newly built road tunnel and existing operating railway tunnel.%结合石黔高速公路万寿山隧道下穿既有营运沪蓉铁路隧道的工程实例,基于对既有铁路隧道的调查和数值模拟计算分析,预测新建公路隧道对既有铁路隧道的影响范围、既有铁路随新建隧道开挖产生的位移和沉降大小,并根据预测结果提出针对性的设计对策,且对新建公路隧道、既有营运铁路隧道衬砌结构进行结构验算.

【期刊名称】《公路交通技术》 【年(卷),期】2017(033)005 【总页数】7页(P105-111)

【关键词】新建公路隧道;既有营运铁路隧道;爆破震动;交叉;设计 【作 者】陈扬勇;刘彦波;李信臻

【作者单位】重庆交通大学 土木工程学院,重庆 400074;重庆市交通规划勘察设计院,重庆 401121;重庆市交通规划勘察设计院,重庆 401121;重庆市交通规划勘察设计院,重庆 401121 【正文语种】中 文 【中图分类】U455.4

目前，与新建公路隧道下穿既有营运铁路隧道相关的论文，其论述重点多集中在施工控制技术研究、数值模拟分析、爆破施工影响、施工方法研究等方面[1-5]，对新建公路隧道下穿既有营运铁路隧道的设计技术[6-8]进行系统性总结的论文却较少。因此，如何保证新建隧道施工安全、结构安全，确保既有铁路隧道的正常营运，便成为设计时必须考虑的关键问题。本文结合新建石黔高速公路万寿山隧道下穿既有营运铁路隧道的工程实例，介绍新建高速公路隧道下穿既有营运铁路隧道段的设计关键技术，供类似工程设计和施工参考。

石黔高速公路属于重庆市“三环十射三联线”中的第2联，为设计速度80 km/h的双向4车道高速公路。万寿山隧道是石黔高速公路上的一条分离式长隧道，其左洞长2 718 m，右洞长2 729 m，净宽10.66 m，净高7.225 m，左右洞设计线间距23.98～30.51 m。隧址区主要分布的地层为第四系崩坡积层、残坡积层及侏罗系中统沙溪庙组，主要岩性为泥岩、砂岩。石黔高速公路万寿山隧道与既有沪蓉铁路隧道存在在山体中交叉，既有沪蓉铁路按国铁Ⅰ级干线设计，二者交叉位置关系如表1所示。

为了解既有沪蓉铁路隧道的质量状况，并为石黔高速公路下穿既有沪蓉铁路隧道交叉段的评估提供依据，业主委托四川交大工程检测咨询有限公司对既有沪蓉铁路隧道K1468+133.5前后250 m范围洞身衬砌进行了质量调查和检测。《沪蓉铁路万寿山隧道交叉铁路隧道质量调查检测报告》[9-10]对既有沪蓉铁路万寿山隧道给

予了如下评级结论：沪蓉铁路万寿山隧道洞身K1467+883.5～K1468+383.5段衬砌安全等级评定为B级，病害有一定发展，但对行车安全尚未产生影响。

3.1 数值模型建立

采用有限差分计算软件建立石黔高速公路万寿山隧道下穿既有沪蓉铁路隧道的三维实体模型，模型尺寸：长(X向)×宽(Y向)×高(Z向)=120 m×120 m×100 m。支护结构采用弹性实体单元进行模拟，地应力场按自重应力场考虑，岩土体模拟选用三维6面体实体单元，整个数值模型共划分739 434个实体单元，561 917个节点，数值模型如图1所示。模型中土体采用莫尔-库仑准则进行模拟，边界条件底面为竖向约束，四周为法向约束。

为研究石黔高速公路隧道修建对既有沪蓉铁路隧道的影响，本次从200个开挖循环中提取8个典型工况，如表2所示。 3.2 既有沪蓉铁路隧道结构位移变化分析

1) 既有沪蓉铁路隧道随石黔高速公路万寿山隧道开挖过程的位移变化

通过数值计算分析，得到既有沪蓉铁路万寿山隧道开挖过程的位移变化云图，如图2所示。

从图2可以看出，待石黔高速公路万寿山隧道施工完后，其下穿沪蓉铁路段，沪蓉铁路最大竖向沉降为1.61 mm，最大水平位移为0.114 mm，发生在石黔高速公路万寿山隧道左、右洞轴线与沪蓉铁路轴线平面交叉点的轨面处，即交叉点1和交叉点2处。

2) 既有沪蓉铁路隧道交叉点处位移随石黔高速公路万寿山隧道开挖过程的变化 通过数值计算分析，从石黔高速公路隧道200个开挖循环中提取出沪蓉铁路轨面交叉点1和交叉点2处的沉降变化值，并绘出了交叉点1和交叉点2处的沉降变

化曲线，如图3所示。

由图3可以看出，随着石黔高速公路万寿山隧道的逐步开挖，其与沪蓉铁路交叉处的轨面沉降逐渐增大，待其二次衬砌结构变形稳定后，交叉点1处和交叉点2处的轨面沉降最大值均为1.61 mm，满足《铁路线路维修规程》(铁运[2006]146号)关于轨道静态几何尺寸容许偏差管理值的规定以及轨面沉降的要求。 3) 既有沪蓉铁路隧道下行线轨面纵向沉降

为了全面了解石黔高速公路隧道下穿沪蓉铁路隧道段施工对既有沪蓉铁路轨面沉降的影响，除了分析交叉点处铁路轨面沉降随石黔高速公路隧道开挖过程的变化外，还需分析其纵向沉降。石黔高速公路隧道左、右洞二次衬砌施工完后，从320个开挖循环中提取沪蓉铁路下行线轨面纵向沉降值，绘出了轨面纵向沉降值曲线，如图4所示。

通过数值模拟综合分析[10]，得出以下结论：

1) 开挖掌子面距交叉点大于150 m后，既有铁路隧道轨面沉降趋于稳定。 2) 开挖掌子面距交叉点小于50 m时，新建高速公路隧道施工对既有铁路隧道衬砌结构影响最大，距交叉点距离大于50 m后对衬砌结构影响趋于稳定。 4.1 新建高速公路隧道下穿既有营运铁路隧道交叉段范围的确定

基于数值模拟综合分析的结论，新建公路隧道下穿既有铁路隧道交叉影响段确定为交叉点前后150 m区域，重点防范区域为交叉点前后50 m区域。 4.2 石黔高速公路隧道下穿既有营运铁路隧道交叉段衬砌结构设计参数 基于数值模拟综合分析的结论，需对石黔高速公路万寿山隧道左线K3+625～K3+725，右线YK3+4～YK3+744段衬砌结构进行加强，加强段支护参数如表3所示。

由表3可以看出，与正常段相比，加强段支护参数作了如下调整：1) 喷射混凝土

由C20调整为C25；2) 初期支护钢架由格栅钢架@100 cm调整为22a工字钢@60 cm封闭成环；3) 二次衬砌由40 cm厚C30混凝土调整为70 cm厚C30钢筋混凝土；4) 超前支护由超前锚杆调整为T76L自进式锚杆+超前小导管；5) 取消了预留变形量。 4.3 施工控制

1) 沪蓉铁路万寿山段运行设计速度200 km/h的动车组列车，调查表明，列车运行密度较大，列车运行空挡时间全天只有不到2 h。此外，交叉影响段范围内既有营运铁路隧道衬砌存在裂缝，尤其是仰拱填充及仰拱厚度不够，因此确定对交叉点前后50 m范围内石黔高速公路隧道左洞K3+625～K3+725，右洞YK3+4～YK3+744段采用机械开挖，采用有利于沉降控制的CD法开挖，每次开挖进尺不得大于1.2 m。

2) 对交叉点前后50～150 m范围内的K3+525～K3+625、K3+725～K3+825、YK3+4～YK3+4、 YK3+744～YK3+844段，采用光面爆破、微震动控制爆破等工艺施工，并控制最大药量。采用爆破施工时，要求相邻隧道结构质点爆破震动速度≤5 cm/s，故采用有利于沉降控制的CD法开挖，且每次开挖进尺不得大于1.2 m，同时爆破作业时须避开列车运营时间段。

3) 需对施工步距进行控制，包括适当缩短安全步距，仰拱距掌子面距离≤10 m，二次衬砌距掌子面距离≤20 m；有条件时二次衬砌在交叉点前后150 m范围段要紧跟掌子面，施工条件具备后应在第一时间内完成二次衬砌的施工。 4.4 监控量测

4.4.1 既有沪蓉铁路隧道监控量测

既有沪蓉铁路隧道监控量测包括如下内容：

1) 监测范围：新建公路隧道与既有铁路隧道交叉点前后200 m范围。

2) 爆破震动速度：爆破测震仪布置在既有铁路隧道底板，左右洞各布置3个测点，

每次爆破均需监测。

3) 衬砌结构裂缝：对既有铁路隧道衬砌结构裂缝进行变形观测， 1～2次/d。 4) 既有铁路隧道轨道面沉降观测：对既有铁路隧道轨道面进行沉降观测，1～2次/d。

5) 既有铁路隧道变形观测：拱顶下沉和周边收敛，1～2次/d。

采用莱卡TM30监测机器人进行自动化监测。将TM30固定于测站上，坐标由后视基准点确定，并通过网络无线方式将监测数据实时传输至工作站。既有铁路隧道结构安全控制基准值如表4所示。 4.4.2 石黔高速公路万寿山隧道监控量测

根据石黔高速公路万寿山隧道特点，拟定了必测项目内容，包括洞内观测、水平净空变化、拱顶下沉、爆破震动速度监测。量测断面间距10 m，频率为1～2次/d。 4.5 加强管理及联系

石黔高速公路万寿山隧道下穿沪蓉铁路交叉段施工时，应做好下穿段新建隧道超前支护和初期支护的质量检测工作，同时注意仰拱及时封闭成环，并加强沉降变形的控制。此外，还应加强与铁路管护部门的联系，需重点对既有铁路隧道加强爆破震动监控与位移监控，确保运营铁路隧道的安全。 4.6 既有铁路隧道和新建高速公路隧道二次衬砌结构验算 4.6.1 既有沪蓉铁路隧道二次衬砌安全性

根据数值模拟分析，可以得到石黔高速公路万寿山隧道左、右线开挖与支护完后，其下穿的既有沪蓉铁路隧道交叉断面二次衬砌结构的内力，如表5、表6所示。 从表5、表6可以看出，既有沪蓉铁路隧道与高速公路隧道交叉处的二次衬砌，左、右洞大偏心受压最小值出现在拱顶处，结构安全系数左、右洞最小值分别为4.08、5.85，均大于TB 10003—2016《铁路隧道设计规范》规定的钢筋混凝土结构抗裂安全系数最小值2.4的要求；小偏心受压最小值出现在墙脚处，结构安全系数左

洞、右洞最小值分别为4.、5.95，均大于TB 10003—2016《铁路隧道设计规范》规定的钢筋混凝土结构抗压安全系数最小值2.0的要求。由此可知，既有铁路隧道二次衬砌结构安全系数满足规范要求。

4.6.2 新建石黔高速公路万寿山隧道二次衬砌安全性

根据数值模拟分析，可以得到石黔高速公路隧道与既有沪蓉铁路隧道平面交叉处二次衬砌结构施工完后，其交叉断面二次衬砌结构的内力及安全系数，如表7、表8所示。

从表7、表8可以看出，石黔高速公路万寿山隧道与既有铁路隧道交叉处，左洞二次衬砌结构受压类型均为小偏心受压，安全系数最小值为2.83，比TB 10003—2016《铁路隧道设计规范》规定的钢筋混凝土结构抗压安全系数最小值2.0要大；右洞二次衬砌结构除仰拱处为大偏心外，其余受压类型均为小偏心受压，安全系数最小值为5.05，比TB 10003—2016《铁路隧道设计规范》规定的钢筋混凝土结构抗压安全系数最小值2.0要大。由此可知，石黔高速公路隧道二次衬砌结构安全系数满足规范要求。

从上述数值模拟分析可知，既有沪蓉铁路隧道、石黔高速公路万寿山隧道平面交叉断面处二次衬砌结构均是安全的。

本文比较详细地阐述了石黔高速公路万寿山隧道下穿既有沪蓉铁路隧道设计的基本方法。基于对既有沪蓉铁路隧道的现状调查，建立了数值模型并进行了数值分析，以预测既有沪蓉铁路隧道的位移变化，并根据其预测位移的变化对高速公路隧道下穿既有铁路隧道交叉段进行了专项设计，且根据高速公路隧道下穿既有铁路隧道交叉段专项设计参数对既有沪蓉铁路隧道和高速公路隧道进行了结构安全验算。本文提出的方法和对策可供类似工程设计施工参考。

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