新建高速公路隧道下穿既有铁路隧道施工影响分析

文章以新建高速公路隧道下穿既有铁路隧道施工为研究背景，采用FLAC3D有限差分软件进行三维数值仿真模拟，主要分析了新建高速公路隧道下穿施工对既有铁路隧道二次衬砌结构内力、位移变形的影响，以及近接施工条件下新建隧道设计和施工工法选择的合理性，分析结果指导施工取得了较好的效果，可为类似工程提供借鉴。

公路隧道; 铁路隧道; 近接; 下穿; 结构受力; 结构变形

U452.2+6B〗

[定稿日期]2021-04-27

[作者简介]钟彦之（1990～），男，硕士，主要从事隧道及地下结构设计工作。

随着经济的发展，现代化交通路网不断完善、地下工程飞速发展，新建隧道遇到既有隧道的几率越来越大，如何有效地保障新建隧道开挖对既有隧道的影响在可控范围内尤为重要。近年来国内许多专家学者对新建隧道下穿既有隧道进行了研究，如仇文革[1]阐明了地下工程近接施工的力学原理，提出了近接影响分区理论，总结了典型案例处置措施;黄波[2]重点分析了铁路隧道下穿既有高速公路隧道如何进行施工控制;李胜义等[3]通过对回龙湾铁路隧道下穿公路隧道施工监控量测，提出了穿越施工的总体方案和风险控制的原则;马红星[4]、杨云[5]等研究了双线铁路隧道下穿施工中大管棚施工控制和爆破施工控制措施。

1 工程概况

西南地区新建高速公路隧道在修建过程以近50 °角度斜交方式下穿既有铁路隧道（表1），下穿处竖向净距约24.6 m，两者空间位置关系如图1所示。经调查下穿段既有铁路隧道有两种衬砌类型，分别为Ⅳ级复合型衬砌和V级复合型衬砌，支护参数如表1所示。为减弱下穿施工对既有排花洞铁路隧道的影响，下穿段新建隧道拟采用V级加强衬砌和CD法施工，保障短进尺、强支护，控制该段地层沉降，下穿段公路隧道支护设计如图2所示。

2 下穿施工过程数值模拟

2.1 模型建立

模型计算采用有限差分计算软件，建立三维实体模型。考虑到新建高速公路隧道下穿既有铁路隧道段埋深约为240 m，为简化模型，采用在在模型的顶面上施加等效荷载，来模拟实际的埋深，因此计算中所采用的模型尺寸为：长（X向）×宽（Y向）×高（Z向）=150 m×175 m×130 m，如图3所示。

计算模型中，采用位移边界条件，土体模型的顶面为相应的等效荷载，底面为竖向约束，四周为法向约束。

2.2 计算参数选取

结合项目地勘报告和隧道设计相关规范，考虑最不利工况，假定下穿段铁路隧道处地层为Ⅴ级围岩，两端为Ⅲ级围岩，模型所取土层深度范围内的岩土层计算参数选取如表2所示，结构计算参数如表3所示。

2.3 工法模拟

为有效地控制下穿段围岩变形，减小围岩松动范围，拟采用CD法进行下穿段的施工，并严格控制二次衬砌与掌子面距离，要求不大于30 m;左右幅隧道不同时开挖，待一幅二次衬砌施做完成之后再开挖另一幅。CD法示意图如图4所示，施工过程工法仿真模拟示意图5所示。

2.4 典型计算工况

为更好地分析下穿段新建高速公路隧道施工对既有铁路隧道的影响，结合施工工法工序，提取了八个典型工况作为研究对象，如表4所示。

3 计算结果分析

3.1 既有铁路隧道二次衬砌结构内力变化分析

按照表4典型工况分别提取下穿段既有铁路隧道二次衬砌最小主应力和最大主应力，如表5所示。

随着新建高速公路隧道的施工，排花洞隧道二次衬砌结构最小主应力值由10.78 MPa，增加至11.63 MPa，且均为压应力，最大压应力值发生在二次衬砌结构的墙脚处;最大主应力值由0.45 MPa增加至0.52 MPa，且均为拉应力，最大拉应力值发生在二次衬砌结构的拱脚处。

3.2 既有铁路隧道二次衬砌结构变形分析

按照表5典型工况提取下穿段既有铁路隧道研究断面处竖向位移与水平位移，并绘制结构水平位移、竖向位移随着新建隧道开挖产生的变化趋势图，分别如图6、图7所示。

由图6、图7可以看出，随着新建高速公路隧道的逐步开挖，既有铁路隧道二次衬砌结构的竖向位移和水平位移逐渐增大，待二次衬砌结构变形稳定后，竖向位移最大值为5.234 mm，水平位移最大值为0.277 mm。

3.3 新建公路隧道结构内力分析

按照表4典型工况分别提取下穿段新建公路隧道二次衬砌最小主应力和最大主应力，如图8和图9所示。

由图8、图9可以看出，新建隧道施工完毕后二次衬砌结构应力主要集中在隧道衬砌结构的墙脚及仰拱处。最大主应力峰值出现在隧道二次衬砌结构仰拱处，其值可以达到0.78 MPa;最小主应力峰值出现在隧道二次衬砌结构墙脚处，其值可以达到10.79 MPa。

3.4 新建公路隧道结构变形分析

按照表4典型工况分别提取下穿段新建公路隧道初期支护竖向位移和水平位移，如图10和图11所示。

由图10、图11可以看出，新建高速公路隧道初期支护施工完毕后支护结构位移主要集中在隧道支护结构的拱顶及墙腰处。最大竖向位移出现在隧道支护结构拱顶处，其值可以达到10.07 cm;最大水平位移出现在隧道支护结构墙腰处，其值可以达到4.24 cm。

4 结论与建议

4.1 结论

本文运用数值仿真分析软件，结合项目复杂环境，建立三维数值模型，重点分析了新建公路隧道下穿铁路隧道施工影响以及新建高速公路隧道自身衬砌结构安全性，并得出以下结论与建议：

（1）既有铁路隧道二次衬砌结构压应力值最大值发生在支护结构的墙脚处，拉应力最大值发生在二次衬砌结构的拱脚处，满足TB 10003-2016《铁路隧道设计规范》及日本铁路隧道近接施工指南中关于既有隧道有不影响隧道功能的损伤时的要求。

（2）既有铁路隧道二次衬砌结构的竖向位移和水平位移逐渐增大，待二次衬砌结构变形稳定后，竖向位移最大值为5.234 mm，水平位移最大值为0.277 mm，满足铁运（2006）146号《铁路线路维修规程》中关于轨道静态几何尺寸容许偏差管理值规定，且为弱影响。

（3）修建过程新建隧道初期支护结构竖向位移最大值发生在拱顶处，其值为10.07 cm，水平位移最大值发生在墙腰处，其值为4.24 cm，满足V级围岩加强衬砌预留变形量12 cm的要求。

4.2 建议

（1）开展既有隧道状况调查。建议在新建隧道施工前，对既有铁路隧道进行结构调查，如衬砌开裂、漏水、接缝情况、有无空洞、净空断面等，对既有隧道本身进行评价。

（2）加强现场监控量测。通过数值模拟分析，可知新建隧道左、右幅下穿施工对既有铁路隧道的影响为弱影响，但为保证铁路运营安全，应在隧道平面投影交叉点前后各50 m范围，加强既有隧道及新建隧道监控量测，监测隧道位移变化情况。

（3）加强爆破振动测试。建议在新建隧道下穿施工影响范围内，及时对既有铁路隧道结构进行爆破振动测试，及时反馈优化爆破设计方案，严格控制爆破振动速度，建议将监测点处衬砌结构振动速度控制在5～10 cm/s以内，且火车通过时严禁爆破。

（4）加强管理及联系。下穿施工过程，施工单位应加强内部管理，做好隧道超前支護工作，并提前同铁路管护部门联系，遵从铁路有关规定。

参考文献

[1] 仇文革. 地下工程近接施工力学原理与对策的研究[D].成都：西南交通大学，2003.

[2] 黄波.铁路隧道下穿既有高速公路隧道施工控制分析[J].建筑技术开发，2020，47（15）：47-48..

[3] 李胜义.铁路隧道近距离下穿在建公路隧道的施工控制技术[J].铁道建筑技术，2020（5）：121-124.

[4] 马红星.双线铁路隧道下穿既有高速公路的施工技术[J].设备管理与维修，2019（20）：160-161.

[5] 杨云.浅谈铁路隧道下穿既有高速公路隧道施工的控制技术[J].低碳世界，2017（4）：235-236.

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