洺水隧道下穿邢汾高速公路安全性分析

胡玉林

（中铁第五勘察设计院集团有限公司 北京市 102600）

洺水隧道下穿邢汾高速公路安全性分析

胡玉林

（中铁第五勘察设计院集团有限公司 北京市 102600）

和顺至邢台铁路洺水隧道下穿邢汾高速公路且临近其桥台，根据工程类比并借助数值分析，从爆破安全距离、交叉稳定性分析、爆破分析等方面，分析了隧道施工对高速公路的影响。结果表明，隧道下穿高速公路Ⅳ级围岩段采用型钢钢架支护和三台阶临时仰拱法施工能有效地控制路面及桥台沉降，采用控制爆破并减小开挖进尺，能有效降低爆破施工对公路桥台的影响，为设计施工提供了依据。

铁路隧道；下穿高速公路；三台阶临时仰拱法；控制爆破；数值分析

新建铁路隧道下穿既有公路的施工不可避免地会对地层产生扰动，从而导致不同程度的地面沉降，对铁路施工和公路运营安全产生不利影响，而对于隧道开挖过程中的围岩变形及公路路面沉降难以准确把握。因此如何选择合理的施工方法和支护措施，减小隧道施工对既有公路的影响显得尤为重要。数值方法结合现场监测数据进行分析，指导隧道的设计施工。本文采用三维有限元数值方法，以和邢铁路新建洺水隧道下穿既有邢汾高速公路工程为背景，对施工过程中隧道开挖和爆破振动对高速公路路面及桥台的影响进行模拟分析，为铁路隧道施工安全及既有高速公路行车安全提供依据。

1 工程概况

新建和顺至邢台铁路为国铁I级单线铁路，设计速度目标值120km/h。铁路线位受地形条件、风景名胜区、车站布置条件等因素影响，最终确定以洺水隧道下穿邢汾高速公路。洺水隧道起讫里程为D2K45+514～D2K45+777.6，全长263.6m，为单线隧道。隧道衬砌内轮廓轨面以上净空高6.7m，宽6.7m。

洺水隧道与邢汾高速公路交叉角度约52°，隧道D2K45+631～D2K45+711段下穿邢汾高速公路，隧道与高速公路左、右线交叉处的公路里程分别为ZK81+685和YK81+649，该段隧道拱顶外缘距公路路面约42.75m。其平面及纵断面位置关系详见图1和图2。本隧道临近邢汾高速公路洺水1号大桥桥台，其中高速公路左线10号桥台与隧道水平最小净距约11.84m，与隧道拱顶高差约33.34m；高速公路右线10号桥台与隧道水平最小净距约10.34m，与隧道拱顶高差约34.15m，桥台均为重力式U型台。

2 工程地质概况

洺水隧道穿越低中山区，下穿高速公路段为Ⅳ级围岩，地层为震旦系下统常州沟组砂岩，弱风化，细粒结构，中厚层状构造，主要矿物成分为石英、长石，岩体呈块状，较完整。本隧道穿越山体受近南北向构造影响强烈，洞身处发育正断层fms-1，断层带中心与线路相交于D2K45+630附近，断层带范围基本为D2K45+580～D2K45+680，其影响带范围覆盖整个隧道洞身。区内地下水主要为基岩裂隙水，赋存于砂岩风化裂隙中，主要接受大气降水补给，埋深较大，对隧道工程基本无影响。

3 隧道支护措施和施工方法

为确保隧道施工安全及既有高速公路行车安全，开挖前隧道拱部采用Φ42mm小导管进行超前预支护，小导管长4.0m，环向间距0.4m，并对隧道拱部160°范围进行注浆加固。初期支护全环采用I16型钢钢架，间距1.0m/榀，二衬采用钢筋混凝土结构。同时为尽量减小隧道开挖对高速公路路面及桥台沉降的影响，该段隧道按三台阶临时仰拱法施工，如图3所示。隧道上、中台阶每循环开挖支护不应大于1榀钢架间距，下台阶每循环开挖支护进尺不得大于2榀。二衬及时施作，二衬距离掌子面的距离不得大于70m。

隧道开挖和支护结构施工顺序为：首先在上一循环的超前支护防护下，弱爆破开挖①部，接着施作①部周边的初期支护，即初喷40mm厚混凝土，铺钢筋网，架立钢架并设锁脚锚管，钻设Φ22系统锚杆，复喷混凝土至设计厚度；施作上台阶临时仰拱，即导坑底部铺设I16临时钢架并喷15cm厚混凝土。中、下台阶左、右两侧错开施工，即滞后①部5～6m弱爆破开挖②-1部，在②-1部推进3～4m后开始开挖②-2部，并施做中台阶临时仰拱；在②-2部推进5～6m后弱爆破开挖③-1部，在③-1部推进3～4m后开始开挖③-2部；在滞后③-2部约8～10m后开挖④部；各部施工工序同①部，即初喷混凝土，铺钢筋网，架设钢架并设锁脚锚管，复喷混凝土至设计厚度。在仰拱、边墙基础及仰拱填充施作完成后，根据监控量测分析，确定二次衬砌施作时机，拆除临时仰拱后施作二次衬砌。

4 隧道与高速公路交叉安全性分析

根据高速公路管理部门要求，为减少对地表既有构筑物的扰动，本隧道采用预裂爆破开挖，高速公路桥台基础沉降不得大于5mm，路面沉降不得大于30mm。因此从爆破施工安全性、隧道下穿高速公路稳定性及爆破振动分析等方面通过计算和数值模拟来评价设计方案的安全性。

4.1爆破施工安全性分析

按照《爆破安全规程》相关标准，桥台的安全振动速度可以取5cm/s，考虑到本项目的重要程度，本次分析取一定的安全系数，将质点安全允许振速确定为2cm/s。

根据《爆破安全规程》，爆破振动安全距离如下式所示：

其中：R—爆破振动安全距离（m）；

V—爆破振动控制速度（cm/s），取2cm/s；

Q—炸药量（kg），齐发爆破时取总装药量，分段起爆时取最大段装药量，根据隧道预裂爆破分部开挖确定的最大装药量为7kg；

m—药量指数，取1/3；

K、a—与爆破点地形、地质等条件有关的地质系数和地震波衰减指数，在本工程分析中，K取200，a取1.7。

经过计算可得爆破振动安全距离R=28.7m。

邢汾高速公路路面距离隧道拱顶净距约为42.75m，洺水1号大桥左线10号桥台与隧道拱顶净距约为35.38m，右线10号桥台与隧道拱顶净距约为35.68m。通过计算结果可以看出，按2cm/s的振动速度考虑，高速公路构筑物与隧道的净距均大于爆破振动安全距离，因此，隧道施工过程中的爆破振动对公路的安全影响很小。

4.2隧道下穿高速公路稳定性分析

本次计算是针对洺水隧道与邢汾高速公路之间横向距离最小的桥台以及洞顶上方的路面而进行，桥台与隧道水平最小净距约10.34m，与隧道拱顶高差约34.15m。

4.2.1三维数值计算模型的建立

有限元计算采用地层-结构模式，开挖采用三台阶临时仰拱法，利用MIDAS-GTS软件建立三维计算模型，计算区域根据新建隧道和高速公路桥台及路面的相对位置情况，并满足相应的边界效应要求，模型沿隧道纵向取50m，横向和纵向考虑应超过隧道的影响范围（3～5倍洞径），均取73m。网格模型如图4所示。

在计算过程中，围岩材料采用摩尔-库仑本构模型，支护结构采用线弹性模型。隧道的支护（包含临时仰拱在内）结构均采用二维板单元进行模拟。桥台为重点分析对象，对其进行网格细化，计算仍采用实体单元模拟，其基础嵌入地层中，与地层共同作用协调变形。

根据地勘资料以及相应技术规范，考虑本隧道受断层影响较大，确定在有限元分析中所采用的物理力学参数如表1所示：

表1　材料物理力学指标

4.2.2计算结果

整体竖向位移、桥台竖向位移以及路面竖向位移云图见图5～图7。

由图5可以看出，由隧道开挖引起的拱顶沉降约为1.2cm，引起的基底隆起约为2.5cm。由图 6可以看出，由隧道开挖引起的桥台沉降在近隧道端（图中右侧区域）沉降较大，远离隧道端（图中左侧区域）沉降相对较小，开挖引起的最大沉降约为3.1mm。桥台基础最大倾斜值为 0.00035，满足相关规范对基础不均匀沉降的要求。由图7可以看出，由隧道开挖引起的路面沉降在隧道顶部沉降较大，远离隧道端沉降相对较小，开挖引起的最大沉降约为3.6mm。

4.2.3计算结果分析

通过开挖后整体位移云图可以看出，土体应力受扰动十分明显的只有隧道开挖外约0.3～0.5倍洞径区域，而在一倍洞径以外的位置，影响非常小。整体竖向位移图中表明，隧道拱部及仰拱以下出现的应变较大，土体会出现一定的下沉或隆起，其范围均在大约1～1.5倍洞径区域。通过计算分析可知，铁路隧道开挖其影响范围明显区域在一倍洞径范围内，隧道开挖对上方公路的影响较小。

从计算结果来看，通过三台阶临时仰拱法开挖，桥台的最大沉降约3.1mm左右，满足桥台沉降不得大于5mm的控制要求，路面最大沉降约3.6mm，也满足20～30mm的控制要求。

4.3爆破模拟分析

4.3.1三维数值计算模型的建立

为评估隧道爆破对地表高速公路桥台的影响，对隧道的爆破振动问题建立三维模型进行瞬态动力分析，爆破进尺为1m。由于隧道爆破为分段爆破，对周边建筑影响最大的炸药段位为掏槽段，因此仅计算掏槽段位的爆破振动影响。爆破振动模型的建立（几何尺寸、网格划分）均与前述静力分析相同，区别在于边界条件以及荷载加载方式的不同。

在本数值模型中，采用1972年Lysmer和 Wass所提议的粘性边界（viscous Boundary）理论，利用MIDAS-GTS中的曲面弹簧功能来建立边界条件。在爆破振动数值模拟分析中将爆破荷载简化为具有线性上升段和下降段的三角波形荷载，如图8所示，假定作用在隧道开挖面上，方向垂直于开挖面洞壁。

爆破荷载的应力峰值（kPa）采用如下经验公式求解：

R*—爆心至荷载作用面的距离（m）；

Q—炸药量（kg），此处取掏槽孔的总装药量，取7kg。

4.3.2爆破计算结果分析

选取靠近隧道侧的桥台基础的4个角点作为关键点进行分析，其振动速度如图9所示。通过计算结果可知，桥台基础的最大振动速度约为1.25 cm/s，满足质点安全允许振速2cm/s的要求，隧道爆破造成的桥台振动速度未超过规范安全界限。

5 结论及建议

洺水隧道下穿公路段采用三台阶临时仰拱法施工，采用预裂爆破技术，能满足相关安全要求。

（1）质点安全允许振速按2cm/s、预裂爆破最大装药量按7kg、爆破进尺按1m考虑，爆破振动安全距离为28.7m，计算所得爆破振动安全距离小于高速公路构筑物与隧道的净距，因此，隧道爆破施工的振动对公路的安全影响可控。

（2）根据数值模拟结果，新建铁路隧道下穿邢汾高速公路引起的桥台沉降约3.1mm、路面最大沉降约3.6mm，满足相关要求。

（3）根据数值模拟结果，在爆破冲击荷载作用下，桥台基础最大振速约为1.25cm/s，振速未超过预设允许标准2cm/s的要求。

［1］ 王志，杜守继，张文浅，等.浅埋铁路隧道下穿高速公路施工沉降分析［J］.地下空间与工程学报，2009，5（3）：531-535.

［2］ 朱正国，黄松，朱永全，等.铁路隧道下穿公路引起的路面沉降规律和控制基准研究［J］.岩土力学，2012，33（2）：558-563.

［3］ 郑俊杰，包德勇，龚彦峰，等.铁路隧道下穿既有高速公路隧道施工控制技术研究［J］.铁道工程学报，2006，98（8）：80-84.

［4］ 孟庆明，杨林浩.函谷关隧道下穿连霍高速公路施工技术［J］.铁道标准设计，2007，增刊一：126-129.

［5］ 关宝树.隧道工程施工要点集［M］.北京：人民交通出版社，2003.

Analysis on Safety of Xingfen Expressway Under Mingshui Tunnel

HU Yu-lin

（China Railway Fifth Survey and Design Instirute Group Co.，Ltd.，Beijing 102600，China）

Xingfen Expressway under Mingshui Tunnel of Heshun-Xingtai Railway closes to its bridge abutment.According to engineering analogy and numerical analysis，the influences of tunnel construction on expressway are analyzed from aspects of blasting safety distance，cross stability analysis，blasting analysis and so on.The results show that the construction of profile steel frame support adopted for Grade IV surrounding rock section of expressway under the tunnel and three-bench temporary invert method can effectively control the pavement and bridge abutment settlement，and blasting control and reduction of excavation footage can effectively reduce the influence of blasting construction on bridge abutment of highway，thus providing basis for design construction.

Railway tunnel；Underpass superhighway；Three-bench temporary invert method；Blasting control；Numerical analysis

U458

B

1673-6052（2016）01-0062-05

10.15996/j.cnki.bfjt.2016.01.016