铁路隧道下穿高速公路匝道沉降分析

2015-06-21张宇辉

黑龙江交通科技 2015年10期

关键词：下台阶环向匝道

张宇辉

(辽宁省交通规划设计院)

铁路隧道下穿高速公路匝道沉降分析

张宇辉

(辽宁省交通规划设计院)

随着中国经济的飞速发展，对交通运输运力扩大的需求越来越迫切，我国的公路、铁路等交通工程到建设也逐渐进入高潮。交通线路的大规模建设必然需要面对新建线路与既有线路交叉的问题。其中，新建隧道穿越既有工程时对其产生的影响尤为突出。本文以金普铁路三十里堡隧道下穿沈大高速公路匝道工程为依托，借助数值计算分析新建隧道对既有匝道产生的影响。

下穿;匝道;数值模拟;沉降

1 工程概况

大连市金州新区至普湾新区城际铁路工程三十里堡铁路隧道沿沈大高速公路东侧铺设，本项目在DK28+345～DK28+515处暗挖下穿沈大高速三十里堡互通式立交三处匝道，线路与匝道交叉点距三十里堡收费站距离为200 m。本文摘取下穿点隧道拱顶覆盖层最浅的C匝道进行分析，下穿地段隧道穿越地层主要为粉质粘土，局部存在砂层。匝道为5 m宽单行道，交角为95°，隧道结构顶距匝道路面高度为7.2 m。隧道内轮廓采用五心圆拱顶曲墙断面，复合式衬砌结构，单孔结构内净宽9.30 m，结构内净高7.65 m，毛洞最大开挖跨径11.2 m。立交区匝道填料为山皮土，匝道边坡坡率为1∶1.75。

2 主要参数

(1)结构设计

隧道穿过Ⅵ级围岩地区，对已有设计结果采用有限元程序分析验算，确保结构安全经济，设计时综合考虑各种因素，拟定隧道支护参数见表1。

表1 三十里堡隧道支护结构参数表

超前支护:拱部180度范围采用双排小导管超前支护并预注浆加固底层，规格为Φ42×3.25 mm(外径×壁厚)的普通水煤气花管，首排外插角度30°，环向间距300 mm，纵向布距2.0 m一环，长3.5m，第二排外插角度15°，环向间距300 mm，纵向布距0.5 m一环，长1.6 m，采用小导管注浆加固地层。在暗挖段两个断头部分各5 m范围内，导管水平打入，首排和第二排环向间距300 mm，纵向布距5.0 m一环，长6 m。

初期支护及二次衬砌背后采用二次压浆。初期支护背后采用水泥浆液或水泥砂浆，注浆孔沿拱部及边墙布设，环向间距:拱部2 m，边墙3 m，纵向间距3 m，梅花形布置，注浆深度为初支背后0.5 m，注浆终压0.5 MPa。防水板与内衬结构之间(拱部)应采用后注浆处理，在灌注内衬混凝土时，应预埋注浆管，环向间距3 m，纵向间距5 m，按梅花形布置，浆液采用高强无收缩水泥浆液，注浆终压0.2 MPa。

(2)力学参数

①岩土层力学计算参数

表2 计算用岩土层力学参数表

表3 计算用支护结构力学参数表

3 施工过程模拟

3.1 计算模型

采用FLAC3D建立地层结构模型，隧道走向与匝道走向按正交考虑，模型范围沿隧道纵向40 m，匝道中线位于20 m处，路面距地表2.2 m;横向73.2 m，隧道至边界距离约是其洞径的3倍，高约46m，隧道至下边界距离约是其洞径的3倍;车辆载荷按照12 kPa考虑。

图1 平面位置关系(单位:m)

图2 三维模型图

3.2 计算原理

(1)有限单元法地层结构材料的本构关系及单元选取:各岩土层均采用弹塑性模型，三维实体单元，屈服准则采用Mohr－Coulomb准则;初期支护采用弹性模型，实体单元;临时支撑采用弹性模型，壳单元。

(2)模型中将注浆及二次衬砌作为安全储备，未将其加入模型中。

(3)初始地应力的计算只考虑初始自重应力，未考虑构造应力。

(4)根据结构特性和计算精度要求划分单元，模型划分单元数量:28 746个。

3.3 计算过程

对隧道施工过程的模拟按照CRD法考虑，即按照隧道断面左上部→左下部→右上部→右下部的顺序对土体进行开挖，左上部与左下部台阶步距为4 m，左下部与右上部台阶布距为12 m，右上部与右下部台阶步距为4 m，每循环开挖进尺2 m，初期支护及临时支撑滞后掌子面2个循环施做，二次衬砌均作为安全储备，在整个计算过程中暂不考虑。

模型具体步序如下。

1－20:隧道左上台阶开挖;

3－22:隧道左上台阶支护，隧道左上台阶架设临时支撑;

3－22:隧道左下台阶开挖;

5－24:隧道左下台阶支护，隧道左下台阶架设临时支撑;

9－28:隧道右上台阶开挖;

11－30:隧道右上台阶支护，隧道右上台阶架设临时支撑;

13－32:隧道右下台阶开挖;

15－34:隧道右下台阶支护。

3.4 计算结果及分析

隧道模型共设34施工步，模型计算模拟结果如下:

图3 模型竖向位移云图

图4 路面沉降曲线图

由模型竖向位移云图可见，隧道施工明显引起上方匝道及土层的沉降。对隧道轴线上方匝道路面中心点A点沉降变化绘制沉降曲线，如图4所示，累计沉降量为17.87 mm，其中施工步0～5步，施工尚未对匝道产生明显影响，累计沉降量仅为0.2 mm;施工步5～10步，左上台阶施工至匝道下方，沉降量逐步增大，累计沉降量为1.7 mm;施工步10～15步，左上台阶与左下台阶相继施工下穿匝道，沉降量明显增大，累计沉降量达到11.44 mm;施工步15～30步，隧道左侧上、下台阶已穿越匝道，右侧上、下台阶相继穿越匝道，沉降趋势较前一阶段虽有所放缓但沉降量增量仍较为明显，累计沉降量为17.38 mm;施工步30～34步，各台阶掌子面都已远离匝道，匝道沉降趋于稳定，累计沉降量为17.87 mm。

由各施工阶段引起匝道沉降量变化结果可见，左上台阶下穿匝道时，由于原始地层受到施工扰动，产生应力释放与重分配，导致上方匝道沉降量增加9.74 mm，占总沉降量的54.5%;右侧台阶相继穿过匝道时亦导致匝道沉降量增加5.94 mm，占总沉降量的33%。隧道下穿匝道施工过程中应采取相应工程措施以减小匝道的沉降量。