铁路隧道斜井近距离下穿公路隧道的影响及处治措施研究

2023-02-12唐锐，赖孝辉，丁尧，田宁

四川建筑 2023年5期

唐锐，赖孝辉，丁尧，田宁

[摘要]以新建川藏铁路康定2号隧道斜井近距离下穿在建G318线折多山公路隧道为依托工程，提出了隧道交叉段的影响范围及相应的工程措施，并采用数值模拟及现场监测数据分析的方式进行了研究，验证了隧道交叉段工程处治措施的有效性。结果表明：在交叉影响段加强隧道衬砌结构参数、超前地质预报及采取控制爆破等施工措施后，计算得到既有隧道沉降曲线呈漏斗状，最大拱底沉降为-4.56 mm，现场实际监测数据值與之接近，说明采取上述措施可以满足斜井下穿施工期间既有公路隧道的结构安全。

[关键词]隧道工程；立交隧道；处治措施；数值模拟；监控量测

[中国分类号]U452.2+6 [文献标志码]A

0引言

随着我国西部大开发战略的快速推进，公路、铁路交通网逐渐向西部崇山峻岭延伸［1］，线路受地形地貌以及地质条件的制约，在部分段落公路、铁路均选择同一走廊带，导致公路、铁路隧道上下交叉的情况不断增加，如福厦线大坪山铁路隧道上穿既有公路隧道［2］;贵州省六盘水至镇宁高速公路茨冲隧道下穿沪昆铁路隧道工程［3］；贵广铁路四寨二号隧道下穿厦蓉高速公路瑞坡隧道工程［4］；重庆绕城高速公路施家梁隧道上跨遂渝铁路新龙凤隧道工程［5］；丽攀高速公路狮子石公路隧道上跨既有成昆铁路渡口支线新庄隧道工程［6］等。

针对公路铁路隧道近接交叉问题，诸多专家学者开展了大量的研究工作。王海龙等［7］结合数值模拟和现场实测，探究了不同施工方法、不同夹层厚度、不同列车轴重下，新建隧道下穿既有重载铁路隧道时，对既有隧道的衬砌位移和列车荷载动响应的影响；贾宝新等［8］以草莓沟隧道下穿盘道岭隧道为例，基于Peck公式推导得到了既有公路隧道路基沉降的解析解；张庆闯等［9］针对城市轨道交通中隧道线路交叉问题开展了系列研究，从施工方案、辅助技术、先期线路为后期线路的预留措施等方面提出了解决办法。既有针对公路和铁路隧道交叉问题已取得了诸多研究成果，但是隧址区的水文工程地质条件以及隧道交叉情况均较为简单。随着隧道交叉口水文地质条件日益复杂，近接施工距离越来越小以及隧道断面的不断增大，如何确保隧道交叉口施工安全仍然是摆在广大隧道从业人员前的紧迫问题。

本文以川藏铁路康定2号隧道斜井近距离下穿G318线康定折多山隧道为依托工程，拟对公、铁路隧道交叉口问题开展深入研究。首先进行三维有限元数值模拟，研究铁路隧道斜井下穿公路隧道对结构安全的影响规律，在此基础上提出相应处治措施，并通过现场监测数据进行分析验证。本文研究成果可为今后类似工程设计提供参考。

1工程概况

1.1工程概况

在建折多山隧道为国道318线康定至新都桥段公路的控制性工程。如图1所示，隧址区位于四川盆地西缘山地和青藏高原的过渡地带，地形地貌复杂，自东向西总体地势急剧抬升。折多山隧道全长8 427 m，最大埋深1 115 m，进口海拔3 762 m，出口海拔3 879 m［10］。

川藏铁路雅安至林芝段是川藏铁路的重要组成部分。如图2所示，拟建川藏铁路康定2号隧道，全长20 792.86 m，最大埋深1 235 m。进口海拔3 220 m，出口海拔3 720 m。隧道设共置4座辅助坑道，其中1号斜井，长3 905 m［11］。

如图3和图4所示，受地形地貌以及地质条件的制约，川藏铁路康定2号隧道1号斜井下穿在建公路G318线折多山隧道，交角约58°，最小净距约12 m，交叉概况见表1。

1.2地质概况

隧址区位于四川盆地与青藏高原过渡的西南缘，山高坡陡，海拔在3 500～4 730 m之间，属高山、极高山构造剥蚀地貌区。地形地质条件复杂，地质构造格局以南北向为主。不同构造体系交叉复合，次级褶皱断裂发育。公路折多山隧道洞身段以燕山晚期花岗岩为主［12］，交叉段位于花岗岩段落，如图5所示。

铁路康定2号隧道洞身段以石英砂岩、花岗岩、花岗质糜棱岩岩为主［13］，交叉段位于花岗岩段落，如图6、图7所示。

1.3结构参数

公路折多山隧道交叉段原设计采用Z4c型复合式衬砌。超前支护采用42 mm小导管；初期支护采用I14型钢钢架，间距1 m/榀，喷混凝土厚度20 cm；系统锚杆间距1.0 m×1.0 m；二衬衬砌厚度40 cm，采用C30混凝土，支护体系如图8所示。

铁路康定2号隧道斜井采用IV［I］型复合式衬砌。初期支护采用I18型钢钢架，间距0.8 m/榀，喷混凝土厚度40 cm；系统锚杆间距1.2 m×1.2 m；二衬衬砌厚度40 cm，采用C30钢筋混凝土，支护体系如图9所示。

2工程措施

2.1交叉影响段衬砌参数

根据摩尔-库仑准则，取破裂角为45°+φ/2（φ为岩体内摩擦角），即从隧道墙角处引与水平方向呈45°+φ/2的斜线，其纵向影响范围按此斜线与既有隧道纵轴线交点以外再增加2D（D为隧道跨度）范围考虑，2D是考虑破裂角以外地层变形波及的范围（图10、图11、表2）。

对G318折多山隧道衬砌结构参数进行加强：一般影响段落采用Z4a型衬砌及支护参数，喷混凝土厚度22 cm，锚杆单根长度2.5 m，间距0.8 m×1.2 m（环向×纵向），钢筋网直径6.5 mm，间距25 cm，钢架采用I16型钢钢架，间距0.8 m/榀；二次衬砌采用C30钢筋混凝土，厚度40 cm，采用构造配筋。

交叉影响段落采用Z4a型加强衬砌及支护参数，喷混凝土厚度24 cm，锚杆单根长度2.5 m，间距0.8 m×1.2 m（环向×纵向），钢筋网直径6.5 mm，间距25 cm，钢架采用全环I18型钢钢架，间距0.8 m/榀；二次衬砌采用C30钢筋混凝土，厚度40 cm，采用构造配筋。

2.2超前地质预报

铁路隧道斜井施工期间加强超前地质预报工作。交叉段超前地质预报采用C2级，即采用地质调查分析、远距离物探、近距离物探，必要时采用钻孔验证。交叠段超前地质预报除对不良地质进行核实和验证外，还应重点对既有结构物位置进行核实和验证。

2.3施工与爆破控制

新建隧道斜井交叉段采用环形开挖留核心土法施工，施工中严格遵守“短进尺，少扰动，快封闭，勤量测”的原则，严格控制循环进尺和爆破震动速度。开挖逐榀进尺，最大临界震动速度不应大于2.5 cm/s。

2.4监控量测

2.4.1隧道洞内观察

铁路隧道斜井开挖施工后，应由专人对既有G318公路折多山隧道进行观察，观察的内容包括：墙壁有无松动情况，墙壁有无新增渗水或漏水点，原有渗水或漏水点水量是否增大，墙壁有无凸起现象，墙壁上有无新增裂纹或裂缝，原有裂纹或裂缝是否有增大趋势等，逐一进行记录，并及时反馈给主管工程师。监测频率为2～3次/d。

2.4.2周边位移量测

量测既有隧道衬砌断面的收敛情况，包括量测拱顶下沉、净空水平收敛以及底板鼓起。拱顶下沉量测、净空水平收敛量测及底板鼓起应在同一量测断面内进行，并采用相同的量测频率。交叉段布设3个断面，即上跨处和上跨前后10 m处，每个断面布置1～3个测点，测点设在拱顶中心或其附近。

2.4.3爆破震速监测

每次隧道内开挖作业。均由监测单位进行数据采集及分析，严格将开挖震速控制在设计要求范围之内，并根据开挖震速监测参数合理调整开挖方式，确保既有高速隧道运营安全。

3数值模拟

3.1计算模型

数值模拟采用有限差分软件FLAC3D进行，根据铁路隧道斜井与折多山隧道的实际交叉情况，建立三维模型，如图12、图13所示。计算模型采用MIDAS GTS NX 软件进行三维建模，再导入FLAC3D进行开挖模拟计算。模型总体尺寸为长×宽×高=129.5 m×180 m×112.1 m。铁路折多山隧道斜井毛洞净高9.6 m，净宽9.5 m，洞顶至模型边界62.5 m，洞底至模型边界40 m，边墙至模型两侧边界约59 m，满足4～5倍洞径要求。公路折多山隧道毛洞净宽12.38 m，净高9.71 m，主洞和平导间距为38 m，公路隧道底部距铁路折多山隧道斜井顶部12 m。采用弹塑性本构模型及Mohr-Coulomb强度准则，围岩与衬砌结构采用三维实体单元模拟，锚杆采用Cable单元模拟。

3.2计算参数

计算参数根据铁路康定2号隧道工程地质勘察资料、G318折多山隧道工程地质勘察资料、TB 10003-2016《铁路隧道设计规范》和JTG 3370.1-2018《公路隧道设计规范.第一册.土建工程》综合对比选取，如表3所示。

3.3边界条件及监测点布置

模型前、后、左、右及底部5个边界均施加位移约束，顶部为自由表面。为了密切监控隧道施工过程中隧道交叉口变形情况，布设了如图14、图15所示的位移测点。

3.4模拟计算过程

考虑现场施工进度，公路折多山隧道按照既有工程考虑。通过在FLAC3D中进行开挖模拟计算，研究铁路折多山隧道斜井施工至近接段时，对既有公路折多山隧道的影响。

在数值模拟中，首先进行初始地应力的计算，然后进行公路折多山隧道的开挖及支护，最后将模型位移清零，进行铁路折多山隧道斜井的开挖及支护，数值模型的模拟计算过程具体：计算初始地应力场—开挖公路折多山隧道及其平导，并施作初支及二衬—位移清零—开挖铁路折多山隧道斜井开挖模拟并施做支护结构。

3.5数值模拟计算结果

在交叉位置处，公路折多山隧道衬砌竖向位移随铁路隧道斜井施工过程的变化曲线如图16所示。可以看出，随铁路隧道斜井逐步开挖穿越公路隧道下方，公路隧道衬砌发生整体沉降。当铁路隧道斜井开挖至一般影响段后，既有隧道衬砌逐渐发生明显沉降；斜井开挖至交叉影响段后，既有隧道衬砌沉降快速发展；斜井穿越交叉区域后，既有隧道沉降逐步收敛。其中最大沉降发生于拱底處，其次为拱脚、拱腰、拱肩及拱顶。

进一步提取斜井下穿公路隧道施工过程中，既有隧道在交叉断面处衬砌各部位的最大沉降如表4所示。可以看出，既有隧道在交叉断面衬砌最大沉降为拱底处的-4.56 mm，在采取衬砌加强措施后，既有隧道沉降得到有效控制。

提取铁路隧道斜井施工过程中，公路隧道衬砌竖向位移云图如图17所示。

由图17（a）～图17（c）可知，当铁路隧道斜井掌子面距与公路隧道正洞交叉处-26 m以前时，公路折多山隧道衬砌结构附加沉降最大值不到-1 mm，增长缓慢，在此范围外斜井施工对公路隧道的扰动很小。距公路隧道左、右洞交叉处前后各28 m内为铁路折多山隧道斜井施工的影响范围，影响段落长度约100 m。

由图17（d）～图17（j）可知，当斜井施工掌子面距正洞交叉处-6 m时，公路折多山隧道衬砌附加沉降增至2.46 mm；当斜井掌子面施工至与右洞交叉处时，公路折多山隧道衬砌附加沉降最大值达到3.16 mm；当斜井掌子面距右洞交叉处14 m、34 m、46 m时，公路折多山隧道的附加沉降最大值分别为3.75 mm、4.26 mm、4.38 mm；当斜井掌子面距右洞交叉处54 m、74 m时，公路折多山隧道的附加沉降最大值分别为4.44 mm、4.53 mm；当斜井施工完成时，公路折多山隧道的附加沉降最大值为4.59 mm。

铁路隧道斜井施工完成后，公路折多山隧道左右洞拱底沉降曲线如图18、图19所示。其特征基本一致，均呈漏斗状特征，与斜井交叉处沉降值最大，分别为右洞-4.59 mm，左洞-4.42 mm。

4监测数据分析

为了进一步验证采用的交叉口加强段衬砌支护参数与施工工法的合理性，在数值模拟的基础上开展了现场测试。洞内水平收敛量及拱底沉降测点的监测元件均同断面布置。洞内水平收敛量测及拱顶沉降面间距5～20 m，水平收敛量、拱底沉降测点如图20所示。

斜井下穿公路隧道施工过程中，交叉里程附近公路隧道拱底沉降监测数据见表5及图21、图22。由现场监控量测数据可知，在公路隧道与铁路隧道斜井交叉点里程附近，公路隧道右洞最大拱底沉降为-8.32 mm，平均值为-5.68 mm，略大于数值模拟值-4.56 mm；左洞最大拱底沉降为-6.81 mm，平均值为-4.65 mm，与数值模拟值-4.42 mm接近。说明采取本文提出的加强措施后，斜井下穿公路隧道时，公路隧道衬砌处于安全状态。

5结论

本文以新建川藏铁路康定2号隧道斜井近距离下穿在建G318线折多山公路隧道为工程实例，提出了隧道交叉段影响范围及相应的处治措施，并采用数值模拟及现场监测数据分析的方式进行了研究，验证了隧道处治效果。主要结论：

（1）对隧道交叉影响段采取的主要工程措施为：按影响段落加强衬砌参数、加强超前地质预报、施工控制爆破等，可有效保障隧道结构安全。

（2）通过数值模拟研究，铁路隧道斜井下穿公路隧道时，公路隧道在交叉里程出呈整体沉降趋势，且最大沉降位于拱底处。沿公路隧道方向，其拱底沉降曲線呈漏斗状，交叉处沉降值最大，分别为右洞-4.59 mm、左洞-4.42 mm。

（3）在实际施工过程中，受施工条件、工艺的影响，现场实际监控量测数据表明，交叉里程附近，公路隧道右洞拱底沉降平均值为-5.675 mm，左洞拱底沉降平均值为-4.65 mm，与数值模拟值相近。表明采取所述工程措施后，铁路隧道斜井下穿期间，公路隧道处于安全状态。

参考文献

［1］唐锐，李世琦，王俊，等.富水断裂带隧道涌水突泥灾害机制及处治技术研究［J］.地下空间与工程学报，2021，17（4）：1264-1272+1290.

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［4］胖涛.铁路隧道小角度斜交下穿公路隧道设计探讨［J］.隧道建设，2013，33（7）：573-578.

［5］龚伦 .上下交叉隧道近接施工力学原理及对策研究［D］.成都：西南交通大学，2007.

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