高速铁路交叉隧道超前支护施工技术

景泉

摘要：相对于常规隧道工程来说，交叉隧道工程施工难度更大，安全隐患更多，因而对超前支护施工要求更高。基于此，以某工程作为研究对象，通过有限元分析的方式，对隧道施工安全性进行了分析，之后以此为基础提出了超前支护施工措施，以此为高速铁路交叉隧道超前支护施工提供支持。

关键词：高速铁路；交叉隧道；超前支护施工；有限元分析

0   引言

高速铁路是现代社会当中较为常见的交通工具，具有运行速度快等特点，因而其对无砟轨道沉降具有更高的要求。但在现代高速铁路工程领域，典型的施工案例并不是很多，特别是小净距工况下下穿高速铁路的案例更是稀少[1]。间距较小的下穿高速铁路隧道施工，一般以盾构法为主。盾构法施工质量虽然可以达到要求，但也存在一些缺陷，如投入成本较高，施工现场环境较为复杂，施工难度较高。同时，能够选择的通道越来越少，隧道后续扩建时，若采用爆破法会对隧道的安全性造成严重影响。

近年来，随着我国高铁覆盖范围的不断扩大，逐渐出现了越来越多的交叉隧道工程。在交叉隧道施工过程中，必须要通过对隧道施工安全性的分析，进而制定出相应的超前支护施工方案，以确保整个交叉隧道施工活动顺利进行，从而为整个高速铁路隧道后续使用打下良好基础。本文以某工程作为研究对象，通过有限元分析的方式，对隧道施工安全性进行了分析，之后以此为基础提出了超前支护施工措施，以此为高速铁路交叉隧道超前支护施工提供支持。

1   工程概况

某高速公路隧道工程属于郑万高速铁路的一部分。由于原车站标高较低，在与某铁路并线时，需要在原铁路段WDTK2+370～WDYK2+420处下穿施工。在两隧道相交处，内部结构的最低距离仅有5m，交角约30°，基本可将两者看成是交叉隧道。在隧道交叉区域内，围岩等级是V级，岩层属于弱风化白云岩、泥灰岩夹泥岩。其中，对于泥灰岩来说，具体为中厚层状结构；对于所夹泥岩来说，以泥质结构为主。该工程断面参数如图1所示。

2   工程隧道的安全性分析

2.1   下穿段數值的模拟分析

在下穿段模拟分析时，首先要选择最佳的分析方案。实际工程所处现场地质条件存在一定差异，且受到外界气候、天气等方面的影响，增加了模拟分析的难度[2]。所以，为了降低工程分析难度，本文针对工程具体情况，将其假设成半无限空间，通过有限元建模的方式，分析新建隧道施工与既有高铁隧道间的关联性。

分析过程中，为了直观展示出施工现场的具体状况，本文构建出一个有限元三维模型，其长度是240m，高度是156m，宽度是125m。同时为了确保计算结果的准确性，还需考虑某高速铁路隧道相邻近隧道工程的修建状况。

将模型上边界定义成自由边界。将下边界定义成固定约束，将模型的侧面边界则定义成位移约束。在岩体方面，忽略岩体内部存在细微的区别，采用均质的弹塑性模型，以莫尔-库仑定律为原理，通过实体单元予以模拟。

初期支护与二次衬砌分析时，采用的是普通弹性模型。在模拟分析时，利用围岩应力释放系数的修改，以此模拟出不同超前大管棚支护施工情况，使其显示出不同施工情况与围岩变形间的关联性。有限元三维模型图如图2所示。

确定出分析模型后，应设置合理的模型参数。模型参数设置时，应以拟建隧道工程与原隧道工程的具体情况，结合相关规定标准要求而定。三维模型各项参数见表1。

2.2   隧道结构的受力分析

在上述参数条件下，通过有限元分析的方式，对隧道受力情况进行了分析，得到如表2与表3所示结果。其中，表2为原高铁速隧道二衬内应力分析结果。表3为拟建高速铁路隧道二衬内力变化分析结果。

通过对比能够发现，拟建隧道工程施工过程中，会对已建隧道工程带来一定干扰，但干扰程度并不是很大，不会使已建隧道内部结构出现安全隐患。已建隧道的衬砌内应力较高，承载性较强，符合相关规定要求，可继续对其应用。

2.3   交叉段隧道间夹岩力学分析

2.3.1   建立模型

高速铁路交叉施工过程中，随着拟建工程的不断建设，会对已建隧道产生一定的扰动，且施工时间越长，所产生的扰动越大，使得交叉段隧道间夹岩的应力状态变化过程非常复杂。

夹岩来是交叉段重叠隧道共同的围岩，其力学性能是否良好，直接关系到整个隧道工程的使用效果[3]。所以，在交叉段隧道施工之前，应对夹岩层力学特性予以计算分析。分析过程中，顺着隧道建设的方向，以60m为间隔，分别设置一个断面。

2.3.2   力学参数计算

本次研究当中，为了降低分析难度，需要做出以下假设：在岩土材料方面，满足Mohr-Coulomb屈服准则的要求。当材料处于破坏界面时，其力学参数可通过下述公式表示：

其中，p表示整个分析面的应力均值，q表示等效应力，σ1表示第一主应力，σ2表示第二主应力，σ表示第三主应力，θ表示罗德角，F表示屈服函数方程。对于弹塑性材料来说，忽略细微因素影响的条件下，当F在处于0以下时，表明其处于弹性状态；若F=0，则表明其处于屈服状态[4]。其中罗德角θ的计算如下：

通过对交叉段隧道施工全过程夹岩单元应力水平的监测，可以得到所有夹层单元屈服函数值达到最大F2值时的应力水平。

2.3.3  施工前后夹岩单元屈服函数值对比

将夹层单元屈服函数值值，与初始应力水平值予以比较，从而得到工程施工前后夹岩单元屈服函数值对比如表4所示。

通过表4的观察能够发现，拟建隧道施工时，所有夹岩单元的屈服函数均处于0以下。根据上述条件判断，夹岩处于弹性状态，并未达到屈服状态。只考虑交叉段两隧道挖掘施工时，相对初始应力水平来说，原高铁隧道挖掘完工后，将围岩应力释放设置成30%时，夹岩单元屈服函数逐渐提升。而拟建铁路隧道施工后，将围岩应力释放设置成40%时，屈服函数变得更高，数值更加趋近于0，表明夹岩逐渐的屈服性更加良好。

分析认为，下部索道挖掘时，若没有对上部隧道进行加固处理，会使得夹岩区域的屈服力度逐渐提高，特别拟建隧道工程支护结构快速施工后，夹岩部分单元屈服函数较下部隧道挖掘后增加的F值更低一些。因两工程相交叉在一起，且距离非常接近，因而上部隧道挖掘施工过程中，相对于初始情况，下部隧道施工后，夹岩单元屈服函数值将会出现更加明显的改变。

综合分析后表明，从具体施工层面而言，在拟建隧道工程施工过程中，通过超前支護的构建，结合初支与二衬的建设，对抵抗夹岩屈服具有重要意义，可明显降低夹岩中出现的屈服力，从而减弱屈服力对夹岩乃至整个隧道工程的干扰[5]。

3   超前支护施工措施

针对上述分析，可制定出相应的超前支护施工方案：拟建隧道工程施工时，选择的是φ159mm大管棚加强超前支护；初期支护施工时，选择的是I20初期支护；二次衬砌施工时，选择的是55cm钢筋混凝土结构。同时，为了确保整个支护结构在隧道施工中发挥出最大的作用，应尽量缩短进尺尺度，分阶段施工，且在最短的时间内将隧道封闭。

拟建工程于2021年8月16日开始，于2021年9月13日竣工，整个工期为28d。分别在隧道内部选择多个检测点，共检测半年时间，以此观察该隧道工程的变形沉降量。通过观察发现，沉降量仅有3.9mm，沉降量并不是很大，在规定要求范围内，且在结构表面未发现损伤，由此表明该隧道工程达标。

4   结束语

高速铁路交叉隧道施工时，受到拟建工程扰动因素的影响，交叉段夹岩部位的应力水平会出现明显改变，提升了夹岩内部的屈服力，更容易导致隧道结构出现损伤。所以，在新建隧道施工时，应针对整个工程的具体情况，设计出合理的超前支护及初支、二衬施工方案，以加强对屈服力的抵制，从而提升整个隧道工程施工的质量。

参考文献

[1] 段玉武.隧道穿越岩体破碎带超前支护施工技术[J].国防交通工程与技术，2023，21（1）：58-60+40.

[2] 张哲.长大管棚超前支护在铁路隧道洞口施工中的应用[J].智能城市，2021，7（19）：145-146.

[3] 翟欢乐.超前支护施工技术在高速公路隧道施工中的应用措施探讨[J].建材发展导向，2021，19（16）：235-236.

[4] 毕志刚，王凯，王仪宇，等.闽南山区软弱围岩小净距隧道超前支护力学机理与施工技术[J].河南科技大学学报（自然科学版），2021，42（6）：46-53+7.

[5] 黄昌富，张帅龙，王艳辉，等.高速铁路隧道薄板状近水平岩层的稳定性分析及施工控制[J].铁道建筑，2020，60（11）：59-63.