长距离下穿高速公路地铁隧道对高速公路的影响

毕 可 为

(沈阳铁道勘察设计院有限公司，辽宁 沈阳 110013)



长距离下穿高速公路地铁隧道对高速公路的影响

毕 可 为

(沈阳铁道勘察设计院有限公司，辽宁 沈阳 110013)

介绍了沈阳地铁10号线长距离下穿绕城高速公路工程的基本情况与设计方案，并采用三维数值计算模型，从公路路基沉降与匝道桥桩变形两方面，分析了矿山法下穿施工对高速公路的影响，得出了一些有价值的结论。

地铁，高速公路，路基，桥桩，沉降值

0 引言

随着我国轨道交通的快速发展，新建隧道下穿既有高速公路的情况时有发生。尤其新建隧道穿越距离较长，影响范围较广时，除工程自身结构的安全风险外，所穿越的既有高速公路的变形控制是施工过程当中的控制重点[1-3]。

对于新建隧道下穿邻近建(构)筑物的施工影响，国内外学者做了大量研究，王明慧等[5]以重庆至贵阳铁路扩能改造工程白杨湾隧道下穿高速公路为例，从开挖方法选择、施工技术应用等方面论述了施工过程中采取的相应对策与技术措施；王洪昌等[4]为解决大西客运专线忻州隧道下穿大运高速公路时可能引发的路面沉降及结构安全问题，采用三维数值模拟手段研究了工法中不同设计参数及施工对地面沉降的影响；郭磊等[6]以草帽山隧道工程为背景，采用数值模拟的方式，对铁路隧道下穿高速公路时对高速公路的影响进行了研究；虽得出了很多有意义的结论，但是对于地铁隧道长距离下穿高速公路的研究工作还不多见。本文以沈阳地铁10号线下穿沈阳绕城高速公路为工程背景，研究隧道施工过程中对高速公路路基及桥桩的变形影响。

1 工程概况

1.1 工程基本情况

沈阳绕城高速公路是环绕辽宁省沈阳市的一条高速公路，道路宽约30 m，双向六车道。在建沈阳地铁10号线工程丁香湖停车场出入线自丁香公园站起，线路首先沿沈马公路西侧敷设，后右转向北先后下穿沈马公路、沈彰高速B匝道、绕城高速公路北环、沈彰高速A匝道，后向北方向继续敷设至丁香湖停车场，区间左线侧穿B匝道桥，最小水平净距为13 m，该处桥梁为预应力空心板简支桥，基础形式为桩基础，桥桩长15 m,桩径1 m。区间右线侧穿A匝道桥，最小水平净距为12.7 m，A匝道桥为沈彰高速公路连续梁桥，A29号桥台，基础形式为桩基础，桩长35 m，桩径1 m。

1.2 工程地质

根据地质勘察报告，下穿区间范围内地基土主要由第四系全新统人工堆积层、全新统浑河高漫滩及古河道、第四系浑河新扇、上更新统浑河老扇及第四系波状台地粘性土、砂类土、碎石类土组成。下穿绕城高速段地层自上而下特性具体描述见表1。

下穿区间范围内有两层地下水，上层地下水主要赋存于砾砂层中，属孔隙潜水含水层，水位埋深约14.5 m～15.5 m；下层地下水主要赋存于第四系浑河粗砂层、砾砂层，属孔隙承压水，水位埋深为4.90 m～9.50 m；地下水径流条件良好，除粉质粘土和粉土外，含水层渗透性强。

表1 区间下穿绕城高速段地层描述表

1.3 拟定下穿段设计方案

考虑到沈阳绕城高速公路交通繁忙，车流量较大，车型复杂，对于路基沉降及桥桩变形要求较高，为保障下穿段既有高速公路的安全运营，针对本工程的实际情况，对以下几个方面进行了重点设计。

1)超前加固措施：超前支护采用拱顶120°范围双排小导管超前注浆并加固地层，第一排小导管长L=1.8 m，环向间距30 cm，倾角15°，第二排小导管长L=3.0 m，环向间距30 cm，倾角20°。

2)初期支护：初支采用φ6.5@15 cm×15 cm钢筋网、纵距0.5 m的φ25格栅钢拱架及25 cm厚C25喷射混凝土。为减少初支封闭时间，初期支护增设临时仰拱，二衬为35 cm厚C40，P10防水混凝土。

3)旋喷隔离桩：侧穿A，B匝道桥桩采用区间结构与桥桩之间打设旋喷隔离桩，旋喷桩加固沿线路桥桩位前后各6 m范围，其中旋喷桩施工不占用A，B匝道路面，不影响路面交通，采用垂直旋喷加固。

4)施工方法：矿山法下穿绕城高速段采用环形台阶法施工，首先施作拱部超前小导管，注浆加固地层，接着开挖土体，施作初期支护，再敷设仰拱部分防水层，浇筑二衬，最后敷设侧墙及顶拱防水层并浇筑二衬，完成主体结构。

上述施工方案及设计参数是否合理、能否有效保障沈阳绕城高速公路运营安全将是重点关注的内容。因此，采用数值模拟手段对隧道下穿高速公路段路基及桥桩安全性分析是很有必要的。

2 数值模拟

2.1 模型建立

采用MIDAS/GTS数值分析软件对区间下穿绕城高速段进行三维施工数值模拟，有限元计算模型的范围确定为140 m×290 m×50 m，包括绕城高速公路路基、A匝道路基、B匝道路基，以及出入线左右线区间。模型上表面边界取自地表(地表高差变化较小，简化为水平面)，下表面边界取自隧道底部以下约30 m，模型边界处隧道开挖面距A，B匝道路基最近约50 m。有限元模型共84 251个单元，15 261个节点。模型的上表面为地表，取为自由边界；侧面边界水平位移受到约束，底面边界约束所有位移自由度，如图1所示。

2.2 参数取值

土层计算参数为现场地勘参数确定，地基各土层采用弹塑性D-P模型，隧道及周边围岩、注浆加固区域采用了实体单元进行模拟，初期支护和掌子面喷混采用板单元进行模拟，桥桩采用梁单元进行模拟，锁脚锚杆采用桁架单元进行模拟。其中，注浆加固效果通过提高围岩参数来进行模拟。具体材料计算参数值见表2。

表2 材料计算参数

3 计算结果分析

3.1 高速路基沉降分析

经过MIDAS/GTS求解，计算系统达到平衡后，得到土体及路基竖向沉降，计算结果如图2所示。沿路基纵向中心线，提取其沉降值，得到路基纵向沉降槽曲线，路基纵向沉降槽曲线如图3所示。由图3可知，隧道开挖引起上方地表及高速公路路基的沉降，其中绕城高速公路主线路基最大沉降值为10.5 mm，A匝道路基最大沉降值为13.3 mm，B匝道路基最大沉降值为9.8 mm。从图3中可以看出，左右线隧道两侧路基沉降基本对称，最大沉降发生在左右线隧道中间。

以左线上台阶掌子面掘进情况为时间参考，绘制沉降曲线如图4所示，图4中左线上台阶掌子面距高速公路路基的距离：负值指隧道掌子面到达构筑物之前，正值指隧道掌子面通过构筑物后。

由图4可以看出，在左线隧道上台阶掌子面距路基20 m时，主要沉降开始发生，在左线隧道掌子面位于路基正下方时，路基发生3.5 mm～5.7 mm的竖向沉降，随着左线隧道下台阶的开挖，以及右线暗挖隧道的掘进，路基沉降逐渐增大，在左线隧道上台阶掌子面远离路基40 m时(此时右线隧道上台阶掌子面远离路基20 m)，路基沉降基本稳定。比较A匝道，B匝道和绕城高速公路三者的路基沉降值，A匝道的沉降最大，这主要是因为隧道与A匝道交角较小，隧道在匝道下方暗挖距离较长，对上方匝道路基影响较大进而引起路基较大沉降。

3.2 A，B匝道桥桩变形分析

下穿隧道距B匝道路基西侧桥桩最近距离约为13.0 m，距A匝道路基东侧桥桩最近距离约为12.7 m，分别对A，B匝道在打设旋喷桩下进行桥桩的变形分析。

计算结果表明：隧道开挖引起其邻近侧的桥桩位移及变形较大，其中A匝道的桥桩最大侧向位移约为2.6 mm，最大竖向沉降约为3.0 mm，最大差异沉降约为2.1 mm；B匝道的桥桩最大侧向位移约为3.0 mm，最大竖向沉降约为3.4 mm，最大差异沉降约为1.9 mm。

3.3 路基及桥桩安全评价

丁香湖停车场出入线正线下穿B匝道、绕城高速路基段以及A匝道段施工时，经模拟仿真分析计算，绕城高速公路主线路基最大沉降值为11.8 mm，A匝道路基最大沉降值为14.4 mm，B匝道路基最大沉降值为11.0 mm，隧道开挖引起A匝道桥桩最大竖向沉降约为3.0 mm，最大差异沉降约为2.1 mm，最大侧向位移约为2.6 mm；B匝道桥桩最大竖向沉降约为3.4 mm，最大差异沉降约为1.9 mm，最大侧向位移约为3.0 mm。结合JTG H20—2007公路技术状态评定标准[7],JTG H11—2004公路桥涵养护规范[8]的规定，及国内类似工程案例，路基沉降数值小于最大沉降控制标准20 mm，桥桩总沉降、差异沉降和水平侧向位移均远小于安全控制值，可判定高速公路路基处于安全状态，隧道暗挖施工不影响其正常使用。

4 结语

对于地铁隧道长距离下穿既有高速公路施工，既要考虑隧道本身的施工安全，又要考虑高速公路路基沉降及桥桩变形带来的交通安全隐患，所以选择合理的施工方案及保护措施是安全施工的关键。依据本文中采取的保护措施可将高速路基及匝道桥桩的变形控制在允许范围内，保证地铁区间结构施工安全，可供同类工程施工借鉴。

[1] 王 成,林森斌.浅埋土质大断面隧道下穿高速公路变形控制技术研究[J].铁道标准设计,2013(8):105-108.

[2] 王 志,杜守继,张文波,等.浅埋铁路隧道下穿高速公路施工沉降分析[J].地下空间与工学报,2009(3):531-535，572.

[3] 金 淮,吴锋波,马雪梅,等.首都国际机场线下穿机场高速公路变形特性研究[J].工程勘察,2010(10):61-66.

[4] 王洪昌,马志富,曾 青,等.忻州隧道下穿大运高速公路技术方案研究[J].隧道建设,2014(11):1082-1086.

[5] 王明慧,李 敢,李大平.渝黔铁路白杨湾隧道下穿高速公路综合施工技术[J].铁道建筑,2015(3):80-83.

[6] 郭 磊,帖卉霞,周 钦.下穿高速公路铁路隧道对高速公路的影响研究[J].铁道标准设计,2010(5):94-96.

[7] JTG H20—2007，公路技术状况评定标准[S].

[8] JTG H11—2004，公路桥涵养护规范[S].

Research on the influence of long distance subway tunnel on expressway

Bi Kewei

(ShenyangRailwaySurveyandDesignInstituteCompanyLimited,Shenyang110013,China)

This paper introduced the basic situation and design scheme of Shenyang subway No.10 line long distance underneath pass ring highway engineering, and using 3D numerical calculation model, from the highway roadbed settlement and ramp bridge pile two aspects, analyzed the influence of mining method underneath pass construction to highway, obtained some valuable conclusions.

subway, highway, roadbed, bridge pile, settlement value

1009-6825(2017)06-0177-03

2016-12-08

毕可为(1985- )，男，硕士，工程师

U455

A