成渝客运专线新中梁山隧道上跨既有线处理方案

肖凯刚

(武汉铁四院工程咨询有限公司，武汉 430063)

1 隧道概况

新建新中梁山隧道为成渝客运专线引入重庆枢纽控制性重点工程，隧道除成渝客运专线重庆西联络线、重庆北联络线影响段采用大跨衬砌外，其余段落为单线双洞R=470 cm圆形衬砌，线间距19.5～65.5 m，隧道左线全长4 124 m，右线全长4 119 m。

既有襄渝线中梁山隧道位于襄渝线西段西永至四所之间，是横贯中梁山脉的越岭隧道，为襄渝线终点引入重庆枢纽的重点工程。既有中梁山隧道限界采用“隧限-2甲”，根据2011年9月隧道净空测量，隧道净宽大于4.95 m，局部地段二衬侵限，拱顶距轨面高度6.66 m。

新中梁山左线隧道于D3K291+100～+140处上跨既有襄渝铁路中梁山隧道，两线相交角度约34°，轨面相差12.95 m;新中梁山右线隧道于YDK291+200～+240处上跨既有襄渝铁路隧道，两线相交角度约34°，轨面相差14.06 m。新中梁山隧道在交叉跨越段线间距为61.3～63.8 m。成渝客运专线新中梁山隧道上跨既有襄渝线中梁山隧道位置关系［1］详见图1、图2。

图1 交叉跨越段隧道平面示意

2 隧道地质概况

新中梁山左线隧道与襄渝线立交段隧道主要穿越三叠系下统嘉陵江组二段，地层岩性为白云岩、白云质灰岩夹石膏，岩溶角砾岩，地下水发育。新中梁山右线隧道与襄渝线立交段隧道主要穿越三叠系下统嘉陵江组一段，地层岩性为灰岩夹白云质灰岩，岩溶弱发育。围岩级别划分见表 1［2］。

图2 交叉跨越段隧道剖面示意(单位:cm)

表1 交叉段围岩级别划分

3 既有线隧道结构现状

既有中梁山隧道采用先拱后墙法施工，拱部采用C15混凝土，边墙采用M10浆砌片石，道床为整体式混凝土道床。

2011年9月对襄渝线中梁山隧道K821+490～+727段进行病害调查和二次衬砌的物探检测。隧道内有渗漏水现象，拱顶局部出现裂缝，隧道二次衬砌与围岩之间出现大量空洞，空洞范围在35～60 cm。

4 新中梁山隧道交叉段结构设计(图3)

新中梁山隧道采用圆形隧道断面，拱墙初期支护参数为:C25网喷混凝土，厚27 cm;I20b型钢钢架0.6 m/榀;拱部设置φ22 mm组合中空锚杆，边墙为φ22 mm砂浆锚杆，间距1.2 m×1 m(环向×纵向);预留变形量15～20 cm。二次衬砌采用45 cm厚C35钢筋混凝土。

图3 新中梁山隧道衬砌断面(单位:cm)

5 交叉段处理方案

5.1 既有中梁山隧道加固方案(图4)

为保证既有线运营安全和新中梁山隧道施工及后期运营安全，利用既有线“天窗”时间，对既有襄渝线中梁山隧道K821+530～+580段、K821+643～+693段进行临时加固，加固方案［3］如下。

(1)隧道加固前，拆除隧道内电力、通信信号电缆槽，对电力、通信信号电缆进行改移保护。

(2)根据物探测绘成果，对既有隧道二衬与围岩空隙采取低压注浆。

(3)为防止新建隧道施工造成既有隧道拱顶掉块等不安全因素，既有隧道拱顶预铺设3 mm厚钢板，二衬采用I20b钢架进行临时加固，钢架间距0.4 m/榀，钢架纵向采用φ25 mm钢筋纵向连接，钢筋环向间距0.6 m。既有隧道侵限段落，钢架嵌入二次衬砌一定深度，并设钢筋网与锚杆，补喷混凝土至二衬内轮廓面。

(4)为保证钢架与二次衬砌共同受力，钢架应与二衬紧贴密实。钢架施作后，采用低压注射水泥浆回填钢架背后与二衬空隙。

(5)隧道加固完成后，应对隧道净空进行测量并上报铁路运输部门，以便确定列车超限等级和限速范围等，并做好备案。

图4 既有中梁山隧道衬砌加固设计(单位:cm)

5.2 新中梁山隧道交叉段施工设计

既有隧道临时加固完成后，开挖新中梁山隧道左右线交叉影响段。新中梁山隧道左线D3K291+100～+140、右线YDK291+200～+240段采用机械开挖施工，减少对既有隧道扰动。为保证交叉段岩层厚度，新中梁山隧道开挖轨面以上部分，轨面以下部分开挖、初期支护及隧道二次衬砌待既有襄渝中梁山隧道二次衬砌置换后施作。

6 既有中梁山隧道加固计算

6.1 结构计算模型

本次计算采用 MIDAS GTS ver2.5.0 Trial［4］软件建立地层-结构模型，岩层采用摩尔-库伦屈服准则，考虑新中梁山隧道台阶法开挖步骤影响，新中梁山隧道左右线线间距60 m，相互影响可以忽略，本次计算模拟左线新建隧道与既有隧道交叉影响。地层-结构模型如图5所示。

图5 地层-结构模型

计算中围岩压力为释放荷载，新建隧道初期支护和既有隧道二次衬砌设置不同的释放荷载分担比。荷载为围岩释放压力、地层自重及施工荷载。围岩采用实体单元，初支与二衬采用板单元，锚杆采用植入式桁架单元，该模型共7 844个节点，21 654个单元。根据既有中梁山隧道现状，本次计算未考虑既有隧道初期支护作用。网格划分详见图6。

图6 中梁山隧道交叉段网格划分

新建隧道初期支护与既有隧道二衬加固的I20b钢架采用刚度等效法予以考虑，其计算方法为:E=E0+Sg·Eg/S［5］c，式中，E为为折算后混凝土弹性模量;E0为原混凝土弹性模量;Sg为钢拱架截面积;Eg为钢材弹性模量;Sc为混凝土截面积。

6.2 施工过程

仿真分析中，对隧道开挖及初期支护和二次衬砌的施工，通过MIDAS GTS的单元激活和钝化功能实现。既有中梁山隧道开挖成洞，施作二衬，然后施作钢架加固，荷载释放过程参照《公路隧道设计规范》［6］地层-结构法的相关规定，岩体开挖完成应力释放40%，其后两步骤各释放30%。

新中梁山隧道左线施工，按台阶法施工，计算开挖进尺5 m，每开挖一步，进行上一步的初期支护，初期支护考虑喷射混凝土软硬化。岩体开挖应力释放40%，其后初期支护软化与硬化阶段各承担30%释放荷载。

6.3 计算结果

计算过程中分别得到了新建隧道开挖过程中既有中梁山隧道各处的竖向位移，既有隧道二衬的应力和内力，并根据结果进行验算安全度。

6.3.1 既有隧道的位移变化(图7)

图7 既有隧道位移变化

根据开挖过程模拟，既有中梁山隧道交叉处竖向位移随着上跨隧道的开挖减荷，竖向位移(DZ)由负值逐渐变为正值，证明隧道开挖减荷后，交叉处既有隧道发生上浮［7］。随着上跨隧道掌子面远离交叉段，既有衬砌变形趋于稳定，交叉部位结构局部发生变形回弹。

6.3.2 既有隧道二衬的应力变化

图8～图11中P1为板单元第一主应力，P2为板单元第二主应力，“-top”为初期支护外缘，“-bot”为初期支护内缘。

图8 新中梁山隧道未开挖前与开挖后既有中梁山隧道二衬应力P1-top(单位:kPa)

图9 新中梁山隧道未开挖前与开挖后既有中梁山隧道二衬应力P2-top(单位:kPa)

根据上述应力图示，总结出如下应力对比表格(表2)。

图10 新中梁山隧道未开挖前与开挖后既有中梁山隧道二衬应力P1-bot(单位:kPa)

图11 新中梁山隧道未开挖前既有中梁山隧道二衬应力P2-bot(单位:kPa)

表2 既有隧道应力变化 MPa

由表2看出，新建成渝客运专线中梁山隧道开挖过程，既有中梁山隧道初期支护最小主应力减少0.05 MPa，最大主应力增加0.02 MPa，影响相对较小。新中梁山隧道完成后既有隧道初期支护应力最小值为-0.16 MPa(受压)，最大值为-0.55 MPa(受压)，均满足规范［8］要求。

6.3.3 既有中梁山隧道加固钢架内力分析

根据有限元模拟的施工开挖阶段应力分析，既有隧道二衬加固方案满足规范要求。现选取交叉处典型断面进行既有隧道钢架强度验算，典型断面钢架内力结果如图12、图13所示。

图12 既有中梁山隧道典型断面钢架轴力(单位:kN)

根据钢架内力计算结果进行强度检算，结果如表3所示。

图13 既有中梁山隧道典型断面钢架弯矩(单位:kN·m)

表3 既有隧道钢架强度检算

钢架强度检算表明，新中梁山隧道开挖完成后，既有隧道钢架强度满足规范［9］要求。

7 交叉跨越段总结

通过有限元分析模拟新中梁山隧道开挖过程对既有中梁山隧道二衬结构力学性能影响和既有隧道的典型断面结构力学分析，既有隧道混凝土应力与钢架强度满足规范要求，既有隧道加固方案是可行的。

既有隧道加固方案中钢架的稳定性问题较为复杂，本次没有深入研究。对于拱形钢结构的纵向稳定性受到纵向联系钢筋、锁脚锚杆、钢架楔块等［10］因素的影响未能有效解决。新中梁山左线隧道已安全通过交叉跨越段，新中梁山右线隧道正在施工，证明既有隧道临时加固方案可行。可以确保既有线运营安全及新线隧道施工安全。

目前我国交通工程建设处于飞速发展时期，城市交通枢纽地下空间资源日趋紧张，工程结构立体交叉频繁，对工程相互安全评价。通过成渝客运专线新中梁山隧道与既有襄渝线中梁山隧道交叉跨越段方案设计，为地下工程交叉隧道设计与施工积累了一定的经验。

［1］中铁二院工程集团有限责任公司.D3K292+358新中梁山左右线隧上跨既有襄渝线中梁山隧道临时加固施工图［R］.成都:中铁二院工程集团有限责任公司，2011.

［2］中铁二院工程集团有限责任公司.成渝客运专线新中梁山左右线隧道上跨中梁山隧道既有隧道加固计算书［R］.成都:中铁二院工程集团有限责任公司，2011.

［3］铁道部第二勘测设计院.铁路工程设计技术手册隧道［M］.北京:中国铁道出版社，1995:533-537.

［4］北京迈达斯技术有限公司.MIDAS/GTS TRIAL(ver.2.5.0)［Z］.北京:北京迈达斯技术有限公司，2010.

［5］吴波，刘维宁，高波，索晓明，史玉新.地铁分岔隧道施工性态的三维数值模拟与分析［J］.岩石力学与工程学报，2004，23(18):3084.

［6］中华人民共和国交通部.JTG D70—2004 公路隧道设计规范［S］.北京:人民交通出版社，2004:185.

［7］关宝树.地下工程［M］.北京:高等教育出版社，2007:244-245.

［8］中华人民共和国铁道部.TB10003—2005 铁路隧道设计规范［S］.北京:中国铁道出版社，2005.

［9］中华人民共和国住房和城乡建设部.钢结构设计规范［S］.北京:中国计划出版社，2007.

［10］武汉铁四院工程咨询有限公司.《新中梁山左右线上的上跨中梁山隧道既有隧道加固计算书》审核意见及结构复核计算［R］.武汉:武汉铁四院工程咨询有限公司，2011.