铁路隧道小净距上跨既有隧道的施工及影响分析

程 宁

（中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉 430063）

0 引言

近年来，随着我国交通基础设施投资的进一步加大，许多山区城市道路交通条件得到进一步改善。由于山区城市地形条件限制，适宜位置逐步被各项目建设使用，后续项目不可避免地与其产生空间交叉，隧道交叉的形式也较为普遍。受地形地质、空间距离、开挖断面规模和施工方法、爆破振动等影响，小净距隧道施工相互影响较为复杂，对建设各方都提出了较高的技术和管理要求。

众多学者和技术人员对小净距山岭隧道上跨施工进行了研究。徐慧芬等[1]通过理论分析和数值模拟研究了双向四车道高速公路隧道上跨既有铁路隧道施工的爆破和开挖影响。王威[2]通过数值仿真结合现场监测，分析了交叉中隔壁法施工的大断面隧道小净距上跨既有盾构隧道的多个施工方案，并给出了优化建议。然而，小净距山岭隧道上跨近接施工十分复杂，有必要对其施工过程进行针对性研究，分析其影响规律，更好地指导工程设计和施工。本文以衢丽铁路大荒田隧道上跨西竹玉公路市口隧道为工程依托，使用数值分析工具对山岭隧道小净距上跨既有隧道的施工工法可行性和对既有隧道的影响进行分析。

1 工程概况

新建衢丽铁路松阳至丽水段大荒田隧道全长1414m，设计为时速200km客货共线单洞双线铁路隧道。西竹玉公路市口隧道全长528m，设计为时速60km单洞两车道隧道，公路等级为二级。大荒田隧道于DK4+964上跨市口隧道，公路隧道里程K7+354，公路与铁路大里程方向平面交角123°，交叉段铁路轨面标高178.695m，公路路面设计标高163.614m，结构净距4.491m，平面位置关系见图1（a）所示，横断面位置关系见图1（b）所示。

图1 新建大荒田隧道上跨市口隧道位置关系图

交叉段洞身围岩为微风化凝灰岩，埋深约65m，岩质较坚硬～坚硬，岩体较完整，节理裂隙不发育，节理面以陡倾角为主，少量缓倾角节理分布，结合好，岩体呈块状-块碎状镶嵌结构，地下水不发育，围岩等级为Ⅲ级。综合考虑小净距隧道的空间位置关系、施工和运营期影响，铁路隧道采用曲墙带底板结构，公路隧道采用双层初支加钢筋混凝土衬砌结构。

2 小净距山岭隧道上跨施工精细化数值模拟

小净距上跨施工将使得围岩和支护结构力学特性发生复杂变化，因此有必要对施工工法的可行性和对既有隧道的影响规律进行分析，对小净距上跨隧道的设计方案和施工有重要意义。本文使用GTS NX对小净距上跨隧道施工开展数值模拟，分析不同工法、不同进尺工况下上跨隧道施工对既有公路隧道的影响。

2.1 模型建立

根据工程经验和各方研究，选取交叉点隧道前后各100m、顶部至地表、底部向下60m作为模型范围，计算模型见图2（a）和图2（b）所示，模型四周和底部采用法向约束，上部为自由面。

图2 小净距山岭隧道上跨模型图

围岩采用摩尔—库伦实体单元、支护结构采用弹性实体单元，支护结构通过按照施工阶段修改单元属性实现。物理力学参数参考规范见表1所示。

表1 模型物理力学参数

根据工程经验，铁路隧道在Ⅲ级围岩地段一般采用全断面法和台阶法施工，模型模拟了全断面法和台阶法施工进尺1m、2m、4m共计6种工况。

2.2 既有公路隧道变形分析

2.2.1 纵向变形分析

不同工况下既有公路隧道拱顶的纵向变形特征如图3（a）所示，从图中可以看出不同工况下纵向变形特征基本一致，呈单驼峰弯曲形状；影响范围基本在K7+325～K7+380之间的55m范围内；整体上看纵向变形受工况影响程度是全断面进尺4m＞全断面进尺2m＞两台阶进尺4m＞全断面进尺1m＞两台阶进尺2m＞两台阶进尺1m。

图3 公路隧道纵向变形

台阶法施工进尺1m工况下既有公路隧道拱顶的纵向变形特征如图3（b）所示，从图中可以看出，随着铁路隧道的施工，公路隧道纵向变形特征基本一致，呈单驼峰弯曲形状；随施工进行，公路隧道拱顶沉降变形逐渐增大，最大值位于交叉点附近为2.61mm；在掌子面施工至交叉点13m（铁路隧道一倍洞径）时，公路隧道变形不显著；在掌子面施工至交叉点时，拱顶沉降值达到0.90mm；在掌子面施工至远离交叉点13m时，拱顶沉降值达到2.42mm；在铁路施工完成后，达到最大值；可以看出在交叉点前后的13m 范围内的铁路隧道施工对公路隧道拱顶沉降影响较大。

2.2.2 交叉断面拱顶变形分析

选取交叉里程 K7+354处公路隧道衬砌拱顶作为观察点，不同工况下其沉降变形随掌子面与交叉点距离变化的关系如图4所示。

图4 公路隧道K7+354断面拱顶沉降变形

从图中可以看出拱顶沉降变形随施工的进行不断增加；在距离掌子面-13～13m变化较大，基本是铁路隧道一倍洞径；在距离交叉点-13m时，产生的沉降变形较小，但变化率大；在施工至交叉点过程中，迅速发展；在远离交叉点13m时，基本达到最大值；全断面法施工进尺4m时沉降最大值为4.94mm，台阶法施工进尺1m时沉降最大值为2.61mm，其他工况位于两者之间；受工况影响程度与纵向变形分析一致。

2.3 既有公路隧道应力分析

选取交叉里程K7+354处公路隧道衬砌左侧墙中心、右侧墙中心、拱顶和仰拱中心作为观察点，台阶法施工进尺1m工况下，最大主应力和最小主应力随掌子面与交叉点距离变化的关系如图5所示。从图中可以看出，最大主应力和最小主应力在施工至距离掌子面-10～10m范围内变化较大；仰拱中心点为逐渐减小；左侧墙和右侧墙中心点为逐步增大；拱顶先增加后减小，但最终基本与施工前保持一致。施工完成后各点最大主应力：拱顶-0.07MPa、左侧墙-0.65MPa、右侧墙-0.73MPa、仰拱中心0.89MPa；最小主应力：拱顶-3.75MPa、左侧墙-7.12MPa、右侧墙-7.27MPa、仰拱中心-3.09MPa。

图5 公路隧道K7+354断面应力

3 施工爆破影响分析

根据现有研究成果，当小净距隧道处于中硬岩及以上时，除需要考虑新建隧道开挖引起的围岩应力重分布造成的既有隧道变形问题之外，爆破施工引起的振动影响也需要考虑[3]。根据《爆破安全规程》[4]规定当保护对象类别是“交通隧道”时，振动速度要求为10～20cm∕s。隧道爆破频率一般小于20Hz，考虑到公路隧道建成时间较新且使用双层初支和钢筋混凝土衬砌进行了加强支护，确定振动速度要求为15cm∕s。

爆破振动速度按照式（1）进行计算：

式中：

V——振动速度，cm∕s；

K、α——系数；

Q——最大单段装药量，kg；

R——震源至监测点距离，m。

一般铁路隧道爆破施工Ⅲ级掏槽眼单孔装药量3.6kg；本项目铁路隧道和公路隧道结构净距最小为4.491m；交叉段洞身围岩为微风化凝灰岩，K取50，α取1.5；计算得到振动速度10cm∕s，小于振动速度要求15cm∕s。

4 结束语

对新建衢丽铁路大荒田隧道小净距上跨西竹玉公路市口隧道施工进行数值模拟计算，得到以下结论：

（1）铁路隧道采用台阶法和全断面法施工，在进尺1m、2m和4m的工况下引起的公路隧道沉降变形都小于5mm；

（2）从对公路隧道沉降变形影响上看，K7+325～K7+380之间的55m范围受影响较大；

（3）从施工过程上看，在施工至距离交叉点前后13m范围内引起的沉降变形变化较大，在交叉点前后10m应力变化较大；

（4）从施工爆破分析上看，在交叉点最小间距时，爆破振动速度满足要求。