暗挖隧道施工对既有铁路轨道结构的扰动影响分析

富涛 唐礼 张志强

基于Midas GTS数值模拟软件建立了蔡家关暗挖隧道下穿川黔铁路数值仿真模型，研究了隧道采用CRD暗挖施工期间对既有铁路轨道结构的扰动影响。研究结果表明：相较于左线隧道施工，右线隧道施工对其上方线路结构的扰动影响更大；双线暗挖隧道施工结束后，受影响最大的4处交叉点位移均小于控制值，证明采用蔡家关暗挖隧道下穿川黔铁路是安全可行的。

暗挖隧道； 下穿； 既有铁路； 沉降

U452.2+6 A

［定稿日期］2021-11-16

［基金项目］国家高铁联合基金项目（项目编号：U1934213）；国家自然科学基金（项目编号：51878572）

［作者简介］富涛（1984—），男，硕士，高级工程师，主要从事隧道设计及施工研究工作。

受有限地下修建空间的影响，在地下工程建设过程中将不可避免地出现暗挖隧道下穿既有铁路轨道结构的情况［1］，而隧道下穿過程中将会引起地层的损失和路基沉降，降低轨道结构的平顺性，对轨道上方列车的运营安全造成不良的影响，甚至产生无法接受的后果［2］。因此，在施工前明确隧道暗挖作业对既有轨道结构的扰动影响，判断是否更改隧道施工方案，对于确保隧道建成后上方铁路正常运营具有十分重要的意义。

目前，对于暗挖隧道下穿既有铁路线路结构的影响研究方法主要有模型试验、现场实测和数值模拟［3-5］，而数值模拟凭借其耗资少、时间短、仿真能力强等优点，被广泛用于相关研究中。朱正国等［7］采用数值模拟软件分析了单双线铁路隧道下穿公路期间，公路路面的沉降规律。谢雄耀等［8］采用三维有限元软件分析了暗挖隧道施工对地表上方既有建筑结构所造成的扰动影响，并提出了适当增加注浆压力能够减少地表沉降值。张旭等［9］采用数值模拟的方式分析了隧道密贴下穿施工引起既有地铁车站结构的沉降规律，据此提出了下穿施工期间既有地铁车站结构沉降控制方案，并通过现场实验证实了其方案的准确性。因此，文章依据贵阳蔡家关1号隧道拟下穿运营川黔铁路的实际情况，建立相应的数值仿真模型，确定暗挖隧道下穿期间对既有铁路轨道结构的扰动影响，为该隧道下穿作业是否安全提供相应的参考。

1 工程概况

贵阳市太金线蔡家关1号隧道在修建过程中拟通过隧道形式下穿川黔铁路。拟建蔡家关隧道与川黔铁路轨道路基相对位置关系如图1所示。

拟建蔡家关隧道为三心圆断面，拱部半径为9.0 m，边墙半径为5.8 m，仰拱半径为18 m，角隅半径1.0 m，采用CRD法进行修建。

隧道所采用CRD法施工次序：①开挖先行导洞上断面；②施工先行导洞上断面初期支护；③开挖先行导洞下断面；④施工先行导洞下断面初期支护；⑤开挖后行导洞上断面；⑥施工后行导洞上断面初期支护；⑦开挖后行导洞下断面；⑧施工后行导洞下断面初期支护；⑨拆除临时支护，仰拱浇筑；⑩铺设防水层后二次衬砌整体模筑。CRD施工工序如图2所示。

隧道围岩自上而下分别为素填土、泥岩、石灰岩，属于Ⅴ级围岩。隧道采取的主要支护措施：隧道拱顶120°范围内采用超前管棚结合超前小导管的方式进行加固，并通过结构中预留的注浆孔压注水泥浆进行加固；系统锚杆采用D25中空注浆锚杆，锚杆长度为4.0 m，锚杆间距为1 m（环）×0.5 m（纵）；初支采用28 cm厚C25喷射混凝土；二次衬砌采用65 cm厚C35防水钢筋混凝土衬砌；临时中隔壁采用20 cm厚C25喷射混凝土进行支护。

2 模型建立

根据蔡家关1号隧道的实际情况，通过Midas GTS数值模拟软件建立了三维计算模型，模型尺寸长103 m×130 m×92.2 m，沿隧道纵向取130 m，沿既有铁路纵向取103 m，模型底部取拟建隧道仰拱下方50 m，顶面取拟建场区实际地面，如图3所示。模型中围岩、隧道衬砌等结构均采用弹塑性实体单元模拟，服从摩尔库伦准则。模型前后左右面均为水平约束，底面竖向约束，顶部为自由面。为便于计算，在数值模拟中将管棚和小导管、锚杆等支护结构体系按照经验等效简化为隧道拱部的注浆区，计算中采用的围岩物理力学参数及支护结构参数如表1、表2所示。

根据拟实施的施工方案，数值模拟先开挖左线隧道，右线隧道滞后左线30 m后进行开挖，开挖过程中CRD分部施工间隔长度为10 m。每开挖一分部，让模型运行一定时间，然后再进行下一分部的开挖施工模拟。同时，结合目前川黔铁路最大运营速度（120 km/h）及《铁路线路修理规则》中的相关要求，选取隧道施工后10 m弦的高低偏差管理值2 mm作为评价高铁路基是否受到严重影响的控制标准。

3 计算结果分析

拟建蔡家关隧道采用CRD施工工法下穿川黔铁路轨道路基期间，当隧道施工至轨道的正下方时，即图1所示的4处交叉点处，对路基结构的扰动影响较大，因此选择隧道下穿施工初期、施工至4处交叉点、下穿施工末期这6种典型下穿情况进行分析，如图4所示。

由于隧道施工对既有铁路的竖向位移影响主要为开挖面竖向沉降，故提取上述6种不同施工阶段情况下铁路路基结构的竖向沉降位移情况，如图5所示。同时提取最终施工结束后川黔上下行线路高铁路基结构的竖向沉降剖面数据，如图6、图7所示。

4 结论

采用Midas GTS数值模拟软件建立了暗挖隧道下穿铁路扰动影响分析数值模型，明确了暗挖隧道施工对既有结构的扰动影响，得到的主要结论：

（1）暗挖隧道施工后下行线路结构比上行的位移沉降更大，因此在施工时应尤其注意控制右线隧道施工时引起的上行线路结构沉降。

（2）受隧道施工影响最大的4处交叉点的最大沉降分别

为-1.5 mm、-2.2 mm、-2.1 mm、-3.5 mm，上行线10 m弦最大沉降值为0.98 mm，下行线10 m弦最大值为1.20 mm，均满足道床10 m弦偏差允许值2 mm的控制要求，说明采用CRD法进行暗挖隧道下穿铁路施工是安全可行的。

参考文献

［1］ 郑余朝，蔡佳良，袁竹，等.地铁隧道下穿既有铁路近接影响分区和施工控制研究［J］.现代隧道技术，2016，53（6）：202-209.

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

［3］ 李昌宁，雷向峰.隧道铣挖法施工技术［J］.隧道建设，2012，32（S1）：32-35.

［4］ 李波，吴立，邓宗伟，等.高速铁路隧道围岩抗力系数现场试验与理论研究［J］.岩土力学，2015，36（2）：532-540.

［5］ 钱王苹，漆泰岳，乐弋舟，等.盾构隧道下穿高速铁路的安全因素分析及应用［J］.铁道科学与工程学报，2017，14（11）：2282-2289.

［6］ 吴镇，张秀山，王磊.小半径曲线叠落盾构隧道下穿京沪高铁隔离桩设置参数研究［J］.铁道标准设计，2020，64（9）：88-94.

［7］ 朱正国，黄松，朱永全.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+576.

［8］ 谢雄耀，张永来，周彪，等.盾构隧道下穿老旧建筑物群微沉降控制技术研究［J］.岩土工程学报，2019，41（10）：1781-1789.

［9］ 张旭，张成平，韩凯航，等.隧道下穿既有地铁车站施工结构沉降控制案例研究［J］.岩土工程学报，2017，39（4）：759-766.