三孔小净距隧洞下穿既有铁路施工开挖顺序研究

赵建华

(江西公路开发总公司，江西 南昌 330038)



三孔小净距隧洞下穿既有铁路施工开挖顺序研究

赵建华

(江西公路开发总公司，江西 南昌 330038)

摘要：以下穿既有铁路的三孔小净距隧洞为工程背景，采用数值模拟分析方法研究了三孔隧洞不同施工开挖顺序工况下的地表沉降、初期支护位移、围岩塑性区和初期支护受力情况，并进行对比分析。研究结果表明：三洞并行工况最为不利；先行隧道错开距离影响显著；相同错开距离条件下边洞先行与中洞先行影响效应相当。综合技术、经济和工期要求，选用了边洞先行20 m再开挖中洞的施工顺序。

关键词：隧洞；小净距；三孔下穿；开挖顺序；地表沉降

随着各种基础设施建设的开展，各种工程间近接施工相互影响越来越显著[1-4]。其中多孔小净距隧道(洞)下穿既有铁路施工中，铁路不中断行车，隧道(洞)施工不可避免地会对既有铁路路基产生扰动，从而影响到既有铁路的安全运营和隧道(洞)自身施工安全。相邻隧道(洞)的开挖施工必将产生相互影响，主要是后行隧洞开挖施工对先行隧洞的围岩和支护结构的应力和变形产生不利影响[5-6]。为减少小净距隧洞相互影响，开展不同施工顺序的研究，从而选择合理的开挖顺序，将三孔小净距隧洞的相互影响降至最低。

南水北调中线以隧洞方式下穿京九铁路，隧洞断面形式为分离式小净距三孔暗挖隧洞。每孔断面尺寸最大跨度为7.5 m，高9.95 m。每两孔中间净土柱宽度10 m。隧道拱顶至地面最小高度仅为1.69 m，距铁路路肩高度为4.33 m。工程区域主要位于粉、细、中砂层。围岩土体松散、自稳能力差、易坍塌，结构上方铁路线列车行车频繁，路基振动大，隧道开挖多次扰动有可能导致铁路路基沉降超标，影响既有线设备的正常运营。针对既有铁路运营安全及隧洞施工安全风险高的特点，施工过程中通过采用∅500 mm超前管幕结合小导管注浆超前预支护技术、地层注浆加固技术、线路加固技术等辅助措施，成功解决了三孔小净距隧洞下穿铁路施工技术难题，保证了铁路正常运营安全、隧洞施工安全和施工质量。

本研究采用数值模拟分析方法，优化三孔隧洞的施工开挖顺序，从而降低施工扰动对既有铁路的不利影响，保证隧洞结构稳定和铁路运营安全。

1 计算模型、计算参数及计算工况

1.1 计算模型

根据工程实际情况，纵向沿三孔隧洞轴线方向取32 m，水平方向长100 m，垂直方向隧洞底部以下取15 m，上边界按实际地表和路基面的自由边界。模型左、右、前、后和下部边界均施加法向约束，地表为自由边界。围岩土体采用实体单元，初期支护采用板单元。为对三孔小净距隧洞施工开挖顺序进行研究，对计算模型进行了简化，在计算模型中未考虑地层加固和超前预支护(因加固及预支护措施均为对称结构，简化模型虽计算位移偏大，但不影响对隧洞施工顺序的研究)。模型共划分95 035个节点和125 461个单元。三维计算模型如图1所示。

1.2 计算参数

围岩采用摩尔—库仑理想弹塑性模型，喷射混凝土采用弹性模型。各材料计算参数如表1所示。

1.3 计算工况

路基上部列车和轨道荷载取值，根据《铁路路基设计规范》(TB10001—2005)规定，在路基顶面施加60 kN/m3的均布荷载，分布宽度7.06 m。隧洞采用两台阶法施工，上下台阶高度分别为5.4 m、4.55 m，上下台阶错开5 m，开挖一步支护一步，循环进尺1 m。对比工况如下：

表1　材料计算参数

(1)工况Ⅰ(三并)，三洞同时施工。

(2)工况Ⅱ(边10)，边洞先行10 m，再开挖中洞。

(3)工况Ⅲ(边20)，边洞先行20 m，再开挖中洞。

(4)工况Ⅳ(边32)，边洞先贯通，再开挖中洞。

(5)工况Ⅴ(中10)，中洞先行10 m，再开挖边洞。

(6)工况Ⅵ(中20)，中洞先行20 m，再开挖边洞。

(7)工况Ⅶ(中32)，中洞先贯通，再开挖边洞。

2 地面沉降规律分析

不同工况隧洞施工开挖引起的地表沉降规律如图2及表2所示。其中图2(b)、图2(c)各施工阶段分别表示边洞及中洞施工至路基中线位置时。

表2 各隧洞中线对应位置地表沉降值 mm

由图2及表2可知：

(1)对于中洞先行工况，中洞上台阶开挖至监测断面(路基中线)时地表已经发生部分沉降变形，随施工不断推进地表沉降不断增加，在边洞施工影响至此断面前地表沉降曲线呈单峰形态。当中洞支护封闭时，边洞已经开始施工而且其纵向空间效应已经影响到监测断面地表沉降分布曲线，此时地表沉降曲线呈双峰形态。中洞支护封闭后，中洞位置的地表沉降增加主要是边洞施工的影响。随边洞施工的不断推进，双峰形态的地表沉降曲线的双峰位置不断外延，数值不断增大，直至边洞支护封闭后其增速放缓，至施工结束期间的地表沉降变化较小。

图2 不同工况地表沉降分布

(2)对于边洞先行工况，边洞上台阶开挖至监测断面(路基中线)时地表已经发生部分沉降变形，随施工不断推进地表沉降不断增加，在中洞施工影响至此断面前地表沉降曲线呈双峰形态。当边洞支护封闭时，中洞已经开始施工而且其纵向空间效应已经影响到监测断面地表沉降分布曲线，此时地表沉降曲线呈三峰形态。边洞支护封闭后，边洞位置的地表沉降增加主要是中洞施工的影响，此时三峰形态曲线的两侧峰基本不变。随中洞施工的不断推进，三峰形态的地表沉降曲线的中峰数值不断增大，直至中洞支护封闭后其增速放缓，至施工结束期间的地表沉降变化较小。

(3)三洞并行工况的三洞相互影响最大，其所引起的地表沉降值最大。

(4)边洞先行三种工况相比三洞并行的地表沉降均有所降低，边洞先行10 m、20 m、32 m三种工况相比三洞并行引起的地表沉降分别降低13.4%、22.7%、26.0%，从10 m到20 m降低效果更加明显。边洞先行20 m及32 m工况的地表沉降最大值位置均发生在中洞轴线位置，边洞先行10 m工况三洞间相互影响更大，其最大值位置出现在x=±4.4 m处。

(5)中洞先行三种工况相比三洞并行的地表沉降均有所降低，中洞先行10 m、20 m、32 m三种工况相比三洞并行引起的地表沉降分别降低7.9%、22.6%、25.8%，从10 m到20 m降低效果更加明显。中洞先行20 m及32 m工况的地表沉降最大值位置均发生在左右侧近边洞位置x=±11.0 m处，中洞先行10 m工况三洞间相互影响更大，其最大值位置出现在x=±8.75 m。

(6)地表沉降曲线均呈对称分布，三洞并行及中洞先行工况最大值发生在左右两侧中洞与边洞之间，边洞先行最大值发生在中洞中线附近。

(7)对比同等先行距离的中洞先行工况和边洞先行工况的地表沉降最大值，二者数值相当，边洞先行略小；如以平均值对比，则边洞先行工况优于中洞先行工况。

3 初期支护位移规律分析

不同施工开挖顺序的各种工况条件下隧洞初期支护位移值如表3所示。由于初期支护位移的对称性，将边洞先行三种工况和中洞先行三种工况分别与三洞并行工况引起的初期支护位移进行对比分析，列为柱状图如图3所示。

表3 不同施工开挖顺序工况隧洞初期支护位移 mm

由表3及图3知，不同工况条件下，初期支护位移具有与地表沉降相同的规律，即无论是中洞先行还是边洞先行，相比三洞并行所引起的初期支护位移均有不同程度的降低。先行10 m比先行20 m初期支护位移下降更为明显。对比同等先行距离的中洞先行工况和边洞先行工况的位移最大值，二者数值相当，边洞先行工况略优于中洞先行工况。

4 不同施工开挖顺序的围岩塑性区分布

图4为不同施工开挖顺序工况条件下围岩塑性区分布。

由图4可知，不同施工开挖顺序的围岩塑性区均分布在边墙及仰拱部位。边洞先行三种工况的最大塑性区范围发生在中洞边墙部位，其值为2.56～2.59 m，最大塑性主应变7.65×10-3～7.76×10-3，边洞最大塑性区范围均为2.14 m。中洞先行三种工况的最大塑性区范围发生在边洞边墙部位，其值为2.41～2.45 m，最大塑性主应变为7.93×10-3，中洞最大塑性区范围为2.13～2.15 m。

图3 隧洞初期支护位移对比

5 不同施工开挖顺序的支护应力分布

由数值模拟分析可知，边洞先行20 m及中洞先行20 m两种工况初期支护应力相差不大。边洞先行20 m工况最大主应力(拉应力)3.077 MPa，最小主应力(压应力)2.200 MPa；中洞先行20 m工况最大主应力(拉应力)3.031 MPa，最小主应力(压应力)2.203 MPa。压应力均未超过材料的容许应力，拉应力超出材料的容许应力，需要钢架加强及地层加固等辅助措施改善支护结构受力。

6 结束语

(1)三洞并行的地表沉降、围岩塑性区、初期支护位移和应力最大，小净距隧道间相互影响最大，对施工安全和结构稳定最不利。

(2)边洞或中洞先行工况条件下，先行隧洞错开距离影响较为显著，错开距离越长，对隧洞施工越有利。错开距离20 m与10 m的效果对比更为显著，20 m以上效果不显著。

(3)相同错开距离条件下边洞先行与中洞先行对比可知，围岩塑性区范围、地表沉降、初期支护位移及应力数值相当。

综合施工经济性、便利性和工期的要求，选用边洞先行20 m工况，即左、右边洞先行20 m，再开挖中洞，左右洞也可适当错开4～5 m距离以减少小净距隧道的相互影响。

图4 不同施工开挖顺序的围岩塑性分布

参考文献

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[5]王余龙.在既有铁路列车动力影响下三管盾构隧道力学行为及对策研究[D].成都：西南交通大学，2006

[6]郑余朝.三孔并行盾构隧道近接施工的影响度研究[D].成都：西南交通大学，2006

收稿日期：2016-03-16

作者简介：赵建华(1963—)，男，高级工程师，主要从事土木工程技术管理工作907024686@qq.com

DOI：10.13219/j.gjgyat.2016.04.002

中图分类号：U455

文献标识码：B

文章编号：1672-3953(2016)04-0007-05

A Study of the Excavation Sequence for a Three-Pipe Small-Spaced Tunnel Under-Crossing an Existing Railway

Zhao Jianhua

(The Jiangxi Highway Development Corporation,Nanchang 330038,China)

Abstract:With the project of a three-pipe small-spaced tunnel of an existing railway as the engineering background,the ground surface settlement, the displacement in the initial supporting,the plastic sections of the surrounding rock,and the forced situations of the initial supporting are compared and analyzed in the condition of different excavation sequences for the 3-pipe tunnel.The research results show that the construction situation of three tunnels parallel to each other is found to be the most unfavorable.The effect of the distance between the preceding tunnel and the following tunnels is remarkable.On the condition that the distance between the preceding tunnel and the following tunnels remains the same, either the side tunnel or the mid-tunnel precedes,the influential effects remain unchanged. After the requirements in technology,economy and construction duration are comprehensively considered,the excavation sequence of the side tunnels 20 m preceding the mid-tunnel is adopted for the project.

Key words:tunnel;small-spaced;three-pipe tunnel under-crossing;excavation sequence;ground surface settlement