安紫高速跨越既有高铁隧道跨线方案比选

杨　洪

(贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司　贵阳　550081)

安紫高速跨越既有高铁隧道跨线方案比选

杨洪

(贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司贵阳550081)

摘要拟建安紫高速横跨既有山岚桥高铁隧道，不同的跨线方案对下方既有隧道结构产生不同影响。基于Midas/GTS有限元软件进行建模计算，分析了4种跨线桥方案运营荷载对高铁隧道结构的影响。结果表明，运营期荷载作用下对隧道周围地层应力的影响和隧道应力影响由大到小依次为扩大基础40 m中跨方案、路基方案、37 m桩基础40 m单跨方案、37 m桩基础40 m中跨方案。结合前期施工揭露的地质情况、对隧道的影响、施工方案和工期要求的分析，提出了不同的方案选择建议。

关键词跨线方案既有高铁隧道有限元计算

随着我国交通设施建设规模的不断扩大，出现了许多桥隧相交的情况。对于新建桥梁跨越既有隧道的情况，桥梁的荷载(包括施工期荷载和运营期荷载等)不同对既有隧道的影响也不同。

Benton等[1]从最小净距桩和群桩2个方面分别就桩施工和加载对隧道变形的影响进行了分析研究。F. C. Schroeder等[2]针对桩与隧道不同的相对位置关系，研究了群桩的加载阶段对隧道变形产生的影响。闫静雅等[3]采用有限元方法模拟分析了桩基础荷载对邻近已有隧道的影响，考虑了钻孔灌注桩施工过程的影响。练健飞[4]模拟了桩基础施工过程对隧道的影响。楼晓明等[5]采用群桩基础共同作用的分析方法，对某高层建筑钻孔灌注桩基础跨越地铁隧道线可能带来的影响进行了计算分析。路平等[6]研究了立交桥桩基础施工及运营期对既有隧道的影响，分析了单个承台桩基础及考虑多个承台桩基础叠加效应对邻近既有隧道的影响规律。从以上调研可知，在进行跨线桥的设计和施工时，需考虑其对既有隧道的影响。

本文依托拟建高速公路跨越既有高速铁路隧道工程实例，采用Midas/GTS有限元程序分别分析了不同跨线方案运营期荷载对既有高铁隧道的影响，并结合工程施工可行性和工期节点的要求，给出不同的推荐方案。

1工程概况

1.1　工程简介

拟建的贵州省赤水至望谟高速公路安顺至紫云段是《贵州省高速公路网规划》的“五纵”的中段，起于安顺市东面的猫猫洞，与已建的普定至安顺高速公路安顺北环线径向相接，止于紫云县城东北的沙子哨，全长55.813 km，采用双向4车道高速公路山区标准建设。

安紫高速在安顺市西秀区七眼桥镇石龙湾村与沪昆铁路客运专线贵阳至昆明段山岚桥隧道交叉，交叉情况见表1，二者相互位置关系、典型断面见图1。山岚桥隧道D2K787+230~D2K787+625段围岩级别为III级，采用台阶法开挖，设置IIIb型复合衬砌，衬砌拱墙厚40 cm，仰拱厚50 cm，衬砌设计见图2。

表1　安紫高速与山岚桥隧道相交情况

图1　隧道与地表高速公路纵向

图2　复合式衬砌设计图(单位：cm)

高速公路路面设计高程与既有隧道拱顶之间最小距离为25.626 m，跨线方案有路堤或跨线桥等，不同方案对既有高铁隧道的影响不同。根据其他工程实例，提出2种方案，即：路基跨线方案和桥跨线方案，其中桥跨线方案包括扩大基础跨线桥、桩基础跨线桥方案，分别是扩大基础40 m中跨方案、37 m桩基础40 m中跨方案和37 m桩基础40 m单跨方案。

1.2　工程地质条件

隧址覆盖土层为第四系全新统坡洪积层(Q4dl+pl)、坡残积层(Q4dl+el)，隧道下伏基岩为三叠系下统谷脚组白云岩(T1g1)。红黏土(Q4dl+pl)呈硬塑状，厚2～8 m，分布于本段沟槽中，具有弱~中等膨胀性。红黏土(Q4dl+el)呈硬塑～坚硬状，厚0～3 m，分布于丘缓坡，具有弱~中等膨胀性。白云岩(T1g1)厚层状构造，隐晶结构，节理裂隙较发育，充填方解石脉，岩溶较发育。工程范围内地下水甚微。

2数值模拟

为了得到不同跨线方案运营荷载对既有隧道的影响，采用Midas/GTS有限元程序构建二维数值模型对其进行计算分析，模型见图3。模型中，围岩和基础均采用2D平面应变单元模拟，由于既有隧道衬砌为整体结构，可以采用梁单元模拟隧道初期支护和二次衬砌。考虑桥梁跨度和边界对计算结果的影响，计算模型长取190 m，高铁隧道左侧距模型边界取77.7 m，右侧取97.7 m，底部取45 m，左侧、右侧和底部边界条件为固定边界。计算参数见表2。

通过调整桩基础位置和上部网格的尺寸，并赋予不同的计算参数，即可对不同的跨线方案进行模拟。

a)路基方案b)扩大基础40mc)37 m桩基础40 md)37 m桩基础40 m

中跨方案中跨方案单跨方案

图3　Midas/GTS软件计算模型图

3模拟结果分析

图4为4种方案运营荷载作用下的竖直方向的应力分布。

a)路基方案b)扩大基础40 mc)37 m桩基础40 md)37 m桩基础40 m

中跨方案中跨方案单跨方案

图4不同方案竖直方向的应力

由计算结果可知，各跨线方案对隧道周围应力的影响由大到小依次为扩大基础40 m中跨方案、路基方案、37m桩基础40 m单跨方案、37 m桩基础40 m中跨方案。

表3为运营阶段荷载作用下既有隧道结构内力的计算结果，表中轴力以压为负，弯矩以外侧受拉为负。由表3可见，不同跨线方案在运营期荷载作用下，对衬砌结构内力影响由大到小依次为扩大基础40 m中跨方案、路基方案、37 m桩基础40 m单跨方案、37 m桩基础40 m中跨方案，与隧道周围应力变化计算结果一致。另外，通过计算，不同跨线方案作用下衬砌安全系数均大于3.6，满足规范要求。

表3　不同方案计算结果对比

4施工方案可行性分析

由以上计算分析可知，运营期荷载作用不是选取何种方案的决定性因素，因此，将分析工期成本对方案选择的影响。

对于桩基础跨线桥方案，桩基成孔施工方法，对旋挖钻成孔、水磨钻成孔2种方案进行分析。

(1) 旋挖钻成孔。该段地层为中风化白云岩，石质坚硬，岩层完整，实地验证，使用旋挖钻机钻不动该种岩石。

(2) 水磨钻成孔。采用水磨钻法开挖成孔，方法简单，进度很慢。以37 m桩基为例，按每天0.5 m进尺考虑，每一根桩基础挖桩时间需要至少74 d；受场地狭窄影响，分2次循环，一次开挖4根桩基础，开挖时间需要148 d，全部桩基础完成需要150 d，可能不满足对工期时间节点的要求。

以上2种施工方法的分析，虽然水钻法施工对客专隧道基本没影响，但工期长，存在超出原定时间节点的风险。

挖方段施工过程揭示的围岩及地质情况与设计资料相符。所开挖的挖方路堑段未发现溶洞和风化槽等现象，开挖岩石为中风化石灰岩，石质坚硬，岩体完整，节理、裂隙不发育，路堑高边坡、山岚坡隧道的稳定有地质保证。石方爆破控制、高边坡预裂爆破效果好，对铁路山岚坡隧道的影响也小，山岚桥隧道最大振速稳定，小于10 cm/s，满足要求；拱顶下沉、洞周收敛等数据显示隧道结构稳定，无明显变化。

从理论结构受力分析、爆破开挖的地质情况看，跨线桥结构类型安全系数高、存在可优化、分析的空间。从保证联调联试时间、将对隧道的影响降到最低的角度看，不干扰、少干扰、干扰时间短是对隧道的最大保护，是对高铁安全的最大保障，因此，应该综合选择一种干扰少、安全系数高的上跨结构类型。

综合以上，安紫高速在保证将对沪昆客专的影响降低到最小的基础上，应综合对比考虑以下建议。

(1) 采用路基方案，优点是对隧道干扰少、地质安全有保障，未降低安全系数，且可以保证工期节点。

(2) 采用扩大基础跨线桥方案，优点是对隧道干扰影响较少，未降低安全系数，也可以保证工期节点。

(3) 采用37 m桩基础40 m中跨跨线桥方案，需延长项目工期。

5结语

本文采用Midas/GTS有限元程序对安紫高速与山岚桥隧道交叉段不同跨线桥方案进行计算分析，结果表明，运营期荷载作用下对隧道周围应力和隧道应力的影响，由大到小依次为扩大基础40 m中跨方案、路基方案、37 m桩基础40 m单跨方案、37 m桩基础40 m中跨方案。结合前期施工揭露的地质情况、对隧道的影响、施工方案和工期要求的分析，提出了不同的方案选择建议。

参考文献

[1]BENTON L J, PHILLIPS A. Behaviour of two tunnels beneath a building on piled foundations[C].Proceedings of the International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering (Vol 2). Florence,1991:665-668.

[2]SCHROEDER F C, POTTS D M, ADDENBROOKE T I. The influence of pile group loading on existing tunnels[J]. Géotechnique,2004,54(6):351-362.

[3]闫静雅,张子新,黄宏伟,等.桩基础荷载对邻近已有隧道影响的有限元分析[J].岩土力学,2008,29(9):2508-2514.

[4]练健飞.某地铁上盖建筑桩基础对地铁隧道影响分析[J].科技创新导报,2008(21):102-102.

[5]楼晓明,金志靖.钻孔灌注桩基础对紧邻地铁隧道产生竖向附加应力和变形的计算分析[J].岩土力学,1996,17(3):48-53.

[6]路平,郑刚.立交桥桩基础施工及运营期对既有隧道影响的研究[J].岩土工程学报,2013,35(S2):923-927.

Comparisons of Line-cross Schemes of Anshun-Ziyun

Highway Project Cross Existing High-speed Railway Tunnel

YangHong

(Guizhou Communications Planning Survey and Design Institute, Guiyang 550001, China)

Abstract：The An-Zi highway project crosses existing Shanlanqiao high-speed railway tunnel and line-cross schemes may have different effects on existing tunnel underneath. Operation period load effects of two flyover schemes and a subgrade scheme on the tunnel are analyzed based on Midas/GTS finite element software. The result shows that decreasing order of effects on ground stress and tunnel structure stress is flyover scheme with spread foundation, subgrade scheme, flyover scheme with 37 m-depth pile and 40m span, and flyover scheme with 37 m-depth pile and 40 m-midspan. According to uncovered geological conditions and the analysis of effect on tunnel, construction program and period costs, proposals of schemes selection are gained.

Key words:line-cross schemes; existing high-speed railway tunnel; finite element calculation

收稿日期：2015-09-12

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.06.015