新建巴万高速公路隧道上穿既有襄渝铁路隧道施工力学行为研究

李君君 刘传涛 梁树锋

（石家庄铁路职业技术学院1） 河北石家庄 050041 中铁十八局集团建筑安装工程有限公司2) 天津 300308 ）

1 工程概况

巴通万高速公路位于四川省东北部，行政区划属四川省巴中市通江县、达州市万源市。羊子岭隧道左右线分别在ZK231+193.753 和K231+171.228 处上跨襄渝铁路二线羊子岭铁路隧道，左线上跨铁路桩号为K441+490，右线上跨铁路桩号为K441+524.74，位置图如图1 所示。

2 上穿交叠段隧道施工技术主要方案

图1 新建高速公路与既有铁路线路平面立面位置关系

2.1 开挖支护方案

交叠段的施工要点为“减少扰动、控制开挖、量测紧跟”，施工的重点就是要控制开挖对既有铁路隧道的影响。交叠段隧道开挖方案如图2 所示。主要施工顺序如下：

（1）先进行Ⅰ号区域开挖，再进行Ⅱ号区域开挖，随后进行Ⅲ号区域开挖。上台阶开挖每循环进尺控制在1 榀拱架长度（长度约60cm），开挖完成后立即进行初期支护。

（2）初期支护稳定后开挖Ⅳ号区域核心土。

（3）在上导洞开挖不超过15m 范围内，开始组织进行下导洞Ⅴ号区域开挖，开挖完成后及时支护。

（4）Ⅴ区域支护完成后开始进行Ⅵ号区域开挖及支护，并及时封闭成环。仰拱封闭距离掌子面不得超过15m。下台阶每循环进尺不大于2 榀钢架间距。

交叠段施工过程中，两条隧道分开穿越交叠段，先行洞通过交叠段并支护后，后行洞方可进行交叠段的开挖。

2.2 控制爆破措施

从爆破振动效应的产生和影响因素的理论分析入手，结合以往工程实践对爆破振动效应的实际测试结果和对隧道爆破减振问题系统地综合研究，施工主要采取如下的隧道爆破减振技术措施：

（1）选用低爆速炸药（2000～2500m/s），在相同条件下，低爆速炸药的实测振速比普通二号岩石硝铵炸药可降低64%～78.7%。推论在掏槽及一般炮眼选用爆速低一些的炸药，产中的振动效应当然也会小一些。

（2）设法创造良好的掏槽爆破临空面条件，爆破采用直眼掏槽，利用中空眼调节爆破临空面，根据爆破实践，确定中空眼数量，提高爆破效果。

（3）选用合理的段别，使段别间隔时差大于爆破振动主振相的延续时间，使每段炸药爆破基本上做到独立作用，避免爆破振动波的叠加作用。

（4）严格控制同段别最大装药量。

（5）对周边采用分段预裂爆破，以减小掏槽掘进炮眼爆破对周边围岩的振动效应。

（6）控制掏槽、边角、底板眼爆破的段装药量，一般取段最大允许装药量（Qmax）的70%。

在交叠段施工时，需对铁路隧道K441+433.96～K441+558.86 段（长度124.9m）的衬砌结构进行净空收敛位移量测、拱圈竖向位移量测、以及已有原始裂缝发展情况量测。

图2 交叠段隧道开挖方案示意图

3 新建隧道施工对交叠既有铁路隧道影响数值计算分析

3.1 计算模型建立和参数选取

采用FLAC3D 大型通用有限元软件进行计算分析，该计算模型取长150m、宽175m、高185m，共199261 个节点，594350 个单元，整体网格划分如图3 所示，相对位置关系见图4,其中实体单元采用莫尔–库仑弹塑性准则来模拟土体，弹性实体单元来模拟隧道二次衬砌和初期支护。

土层本构关系采用连续的理想弹塑性模型，根据本工程的地质勘察报告中取值，各层土的c、φ按直剪固快试验指标取值计算，地质土层的主要物理力学参数见表1。

图3 FLAC3D 计算模型

图4 交叉隧道相对位置关系

表1 土层计算参数

3.2 计算荷载与施工状态模拟

（1）初始地应力平衡

首先建立初始自重应力场，在实际工程中，由于天然土层在土体自重和周围建筑物荷载作用下，已经固结沉降完毕。因此，在利用有限差分元模拟施工过程时，模型中第一阶段为初始应力计算阶段，计算出土体及结构在自重作用下的位移场和应力场，通过软件的位移清零功能消除已经完成的沉降位移，并构造初始应力场。

（2）既有铁路隧道及斜井的模拟

在初始地应力平衡的基础上，参照既有铁路隧道及斜井的施工过程，先后施做既有铁路隧道及斜井，计算完成后通过软件的位移清零功能消除已经完成的沉降位移，以保证既有隧道位移为后续新建隧道工程施工时的附加位移。

（3）新建公路隧道施工过程模拟

新建隧道施工工序主要包括左线公路隧道施工、右线公路隧道施工。交叠段施工过程中，两条隧道分开穿越交叠段，公路隧道先行洞通过交叠段30m 以上并支护后，后行洞再进入交叠段开挖,施工状态模拟如图5 所示。

3.3 计算结果分析

图5 施工状态模拟示意图

新建羊子岭隧道施工对既有铁路隧道的影响分析，计算分析时，主要以沉降区发展来讨论上下交叉隧道的影响程度。

既有铁路隧道衬砌位移分析:

新建羊子岭隧道左右线分别穿过既有铁路隧道及施工斜井时，既有铁路隧道衬砌产生的位移如图6~图7 所示。

图6 新建公路隧道左线施工完成后既有铁路隧道衬砌位移（m）

由图6~图7 新建公路隧道施工引起既有铁路隧道衬砌位移可以看出，由于上部隧道施工的“卸载”作用，既有铁路隧道衬砌主要表现为上浮，取既有铁路隧道衬砌的左右边墙、左右拱腰、拱顶等特征部位竖向变形曲线进行分析，如图8~图9 所示。

图7 新建公路隧道右线施工完成后既有铁路隧道衬砌位移（m）

图8 新建羊子岭隧道左线穿越既有铁路隧道后特征点竖向变形增量曲线

由图8~图9 可知，最大上浮增量发生在左线隧道与既有铁路隧道交叉的拱顶处，其值为3.3mm，最小上浮增量发生在轨道位置，其值为2.52mm。

图9 新建羊子岭隧道右线穿越既有铁路隧道后特征点竖向变形增量曲线

4 爆破施工对既有铁路隧道衬砌的影响分析

4.1 最大装药量确定

依据《爆破安全规程》（GB 6722-2014）13.2.2 条中地面建筑物、电站（长）中心控制室设备、隧道与巷道、岩石高边坡和新浇大体积混凝土的爆破振动判据，采用保护对象所在地基质点峰值振动速度和主振频率、安全允许标准中参数规定。由于既有铁路隧道修建年份较长，隧道衬砌有部分缺陷，取规范安全允许振动速度最小值的20%，v=2cm/s，由于交叉隧道最小净距为15.98m，且新建羊子岭隧道拱顶距既有铁路隧道距离为26m，上台阶距既有铁路隧道距离为21m，仰拱距既有铁路隧道距离为16m。故计算时R 分别取16m，21m，26m 时，按基本公式计算的最大装药量见表2。

表2 最大装药量统计

新建羊子岭隧道上台阶爆破最大装药量为12.9kg，下台阶最大装药量为5.7kg。

4.2 数值模拟验证

（1）爆破荷载的确定

在本次数值模拟中，动力荷载参照相关地层中现场实测的爆破振动速度数据进行输入，计算时装药量为5.7kg，爆破距离既有铁路隧道15.98m。

（）计算结果

监测交叉点处既有铁路隧道的拱顶与道床处竖向振动速度。监测结果如图10 所示。

图10 竖向振动振动速度（cm/s）

由图10 可知，在道床处的最大垂直加速度0.23cm/s，拱顶处的最大垂直加速度0.35cm/s，远小于理论计算的震动值，故可以确定爆破控制范围。

5 结语

通过对新建巴万高速公路羊子岭隧道上穿既有襄渝铁路隧道近接施工的计算分析，新建羊子岭隧道的施工对既有铁路隧道会产生的影响较小，故在新建公路隧道施工中采用了如下对策，取得了很好的效果。

（1）交叉段遇到石质围岩时，将台阶预留核心土法更改为台阶法进行开挖，减少分布爆破开挖对既有铁路隧道衬砌的震动影响。

（2）通过理论分析和数值计算可知，既有铁路衬砌结构的安全性满足要求，不需对既有隧道衬砌结构进行特殊加固。

（3）新建羊子岭隧道施工会对交叉隧道处的夹岩产生二次扰动，故需在新建羊子岭隧道施工时采用控制爆破技术减少对夹岩的扰动，填药量不能超过文中建议填药量。