高速公路扩建对下方高速铁路隧道的影响研究

2016-04-15StudyonImpactofExpresswayExpansiononHighspeedRailwayTunnelBelow

重庆建筑 2016年3期

关键词：监控量测

Study on Impact of Expressway Expansion on High-speed Railway Tunnel Below

何保辉（河南省弘阳高速公路有限公司，河南三门峡　472000）

高速公路扩建对下方高速铁路隧道的影响研究

Study on Impact of Expressway Expansion on High-speed Railway Tunnel Below

何保辉
（河南省弘阳高速公路有限公司，河南三门峡472000）

摘要：该文以连霍高速公路洛阳至三门峡段扩建工程通过郑西高铁阌乡隧道上方为背景，对高速公路扩建施工对下方既有高铁隧道的影响进行了监测分析。监测项目分为变形和应力两类，限于高铁隧道的运营管理要求，完成了无线远程应力监测系统的研制和应用工作。通过监测数据的实时分析，发现高速公路扩建施工过程中隧道衬砌结构的变形及受力特点，保证高速公路扩建和高速铁路隧道的安全，指导扩建施工，为类似条件下工程的设计、施工提供借鉴。

关键词：高速铁路隧道；公路扩建；近接施工；监控量测

Abstract:Based on the expansion project of Lian-Huo highway above Wenxiang tunnel of Zhengzhou to Xi'an high-speed railway, the impact of expressway expansion on the tunnel below is monitored and analyzed. The monitoring contains deformation and stress. For the limitation of high-speed railway tunnel operation，the development and application of wireless monitoring system for tunnel stress are done. By analyzing the monitoring data in real time, the deformation and stress characteristics of tunnel liner structure are obtained during the highway expansion. The safety of highway expansion engineering and railway tunnel has been guaranteed. The study can provide some references for similar engineering design and construction.

Keywords:high-speed railway tunnel; highway expansion; proximity construction; monitoring and measurement

0　引言

江苏连云港至新疆霍尔果斯高速公路，简称连霍高速公路。连霍高速是横贯中国大陆东、中、西部的交通大动脉，全长4395km，途经6省，是中国建设的最长的横向快速陆上交通通道，将成为中国高速公路网的横向骨干。近些年连霍高速公路部分路段由四车道变为八车道，对缓解连霍高速公路通行压力、提升高速公路路网服务能力、促进经济区战略实施均具有十分重要的意义。

本文结合连霍高速公路洛阳至三门峡段上跨阌乡隧道扩建工程[1]对施工过程前后隧道结构变形和受力变化进行监测，为施工作业安排与施工进度提供依据。工程中高速公路扩建上跨大断面高铁隧道工程并不多见，但是随着交通的发展，以后肯定会出现类似的工程[2-7]，本文可为类似工程的设计和施工提供参考。

1　工程概况及施工工况

1.1工程概况

连霍高速公路洛阳至三门峡段改扩建工程沿途经过河南省洛阳市、新安县、渑池县、义马市、三门峡市、灵宝市等多个重要县市，路线全长194.890km。其中，三灵段全长70.10km。洛三高速公路改扩建工程采用山岭重丘区双向八车道高速公路标准，设计速度100km/h。上跨阌乡隧道K868+690-K868+800段改扩建工程采用北侧整体式加宽方式，新建单侧整体式路基宽度为19.5m，加宽部分桥涵设计荷载为公路Ⅰ级，以路基方式跨越郑西客运专线阌乡隧道，本段路基为挖方路段，路面顶面与隧道顶面高差为11～13m左右。为避免路基、路面施工对阌乡隧道的影响，路基开挖完成后，依次铺筑15cm厚C15素混凝土垫层、100cm厚的钢筋混凝土板、100cm厚三七灰土垫层、76cm厚的路面结构。

图1　连霍高速公路扩建部分与郑西客专阌乡隧道交叉示意图（单位：m）

阌乡隧道设计为双线铁路隧道，设计速度350km/h，里程DK298+ 440至DK299+ 210，全长770m。隧道DK298+758-DK299+020下穿连霍高速公路段（未扩建），隧道与公路平面交角为15°34’12”，立交段隧道覆盖层仅11m。连霍高速公路扩建部分与郑西客专阌乡隧道交叉示意图如图1所示。

针对该工程，铁路部门提出了桥跨方案，但不能被公路部门所接受；隧道原设计单位提出了洞内套衬加固方案，不能被铁路和公路部门接受。如何安全快速地通过该段落成为影响扩建工程通车时间的关键问题。针对该问题，召开了通过方案专家评审会，在院士的指导下确定了梁板式防护方案，但必须在施工和运营过程中采用监控手段对两者的相互影响进行实时监控。

1.2现场施工

表1　施工工况

2　现场监测方案

根据既有隧道上方近接施工特点和高速公路扩建施工方案，在隧道内部共布设6个监测断面，监测主要内容包含轨道沉降监测、隧道收敛监测和隧道应变监测。

2.1监测仪器及项目

水平收敛监测仪器采用SWJ-Ⅳ型收敛计，精度为0.01mm。轨道沉降监测采用自动安平水准仪、测微器和精密水准尺，精度为0.1mm。隧道结构应力监测采用振弦式应变片（图2），由应变测试系统进行数据采集，数据采集箱（图3）包含采集、处理和发送数据的功能，通过GPRS网络可以直接把数据发送到服务器上。

图2　振弦式应变片

图3　数据采集系统

2.2监测断面布置

根据上方公路与隧道相对位置，初步判定施工对隧道影响强弱，并依此设置监测断面位置。在隧道内部共布设6个监测断面，监测断面里程见表2所示。每个断面布置水平收敛监测点、轨道沉降监测点和应变片，各个测点布置位置如图4所示。

表2　结构内力监测断面

图4　监控量测测点布置图

应力监测断面内测点布置如图4所示，测点1-7为环向应变片，测点8-10为纵向应变片。

品，就是产品。一定要把产品做好。没有好产品，即使累死员工，销售额也难增长。范国防说，曾经有一次和褚时健交流，褚时健和他聊了很多，尤其在最后褚时健说了一句话让他很震撼：“一定要把产品做好！”

3　监测结果分析

隧道监测从11月高速公路扩建施工开始。本文重点以轨道沉降监测、隧道收敛监测和隧道应变监测数据进行比较分析。

3.1轨道沉降结果分析

结合轨道监测数据，以B线和断面2为例分别作出纵向及横向轨道沉降随施工过程变化曲线分别如图5和图6所示。

图5　B线轨道沉降曲线

从图5和图6中可以看出，监测过程中轨道沉降呈现不断波动的变化规律，未随地表扩建工程的施工而变化，其量值在-0.15～0.25mm，沉降很小。说明隧道上方的高速公路扩建施工对轨道沉降的影响小，即采用梁板式防护方案能够保证轨道的安全。

3.2隧道收敛结果分析

不同监测断面处的隧道结构收敛变化曲线如图7所示。

图7　各个断面收敛曲线图

从图7中可以得出，扩建工程开挖卸载导致隧道发生向内的收敛变形，且距中心断面越近变化量越大，该过程中隧道拱顶处正弯矩不断减小，甚至向负弯矩转变；开始施工钢筋混凝土板时隧道收敛值先增大后减小，是因为此时开挖达到最大挖方状态，最大值1.6mm，此时为施工过程的最不利状态，之后施作混凝土板属于加载过程，使隧道拱顶部位正弯矩不断增加；扩建施工完成后，收敛值继续增加并逐渐开始稳定。综上所述，扩建工程的挖填方对于隧道结构的收敛变形有所影响，但其量值很小，不影响隧道的使用限界。

3.3应力监测结果分析

二衬结构应力由监测的应变和实测的弹性模量计算得到。因为是高铁运营隧道，所以只能以衬砌表面应力作为评判依据。每隔3天取一数据样本，画出断面2在路基施工阶段的应力变化曲线，如图8所示。不同工序完成后断面2的应力图如图9所示。

图8　断面2应力变化曲线

图9　各个工序完成后断面2应力变化图

由图8和图9可以看出，隧道上部土体开挖后，拱部隧道内侧表面受到压应力，边墙受到拉应力。在施工公路两侧条形基础时，土体应力得到进一步释放，隧道所受应力增加。在施工钢筋混凝土板时，隧道上方土体受压，隧道表面应力趋于稳定，并有减小趋势。扩建工程在覆土及碾压时，断面2各点的表面应力明显减小。应力量测结果一方面较好的吻合了隧道收敛变形量测的结果，可以用无线实时的远程应力监测代替隧道内的变形监测；另一方面其量值不大，最大压（拉）应力为1.19MPa（0.623MPa），不会对高铁隧道产生结构性影响。