丁禮建

（中鐵十九局集團(tuán)有限公司 北京 100000）

中川隧道下穿天巉公路施工方法研究

丁禮建

（中鐵十九局集團(tuán)有限公司 北京 100000）

新建鐵路隧道下穿既有公路時(shí)，既要保證新建鐵路隧道施工安全，又要使公路保持運(yùn)營(yíng)狀態(tài)，不產(chǎn)生較大的沉降，因此合理的選擇施工方法，對(duì)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全以及公路路面沉降控制具有很重要的意義。巉以中川隧道下穿天公路工程為工程背景，結(jié)合國(guó)內(nèi)外研究成果和國(guó)家現(xiàn)有規(guī)程，采用數(shù)值模擬的方法得出最優(yōu)的施工方法。

下穿 隧道 施工方法 路面沉降 數(shù)值模擬

1 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，鐵路建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，從而大量新建鐵路以隧道形式下穿既有公路，新建鐵路隧道下穿既有公路的施工不可避免地會(huì)對(duì)地層產(chǎn)生擾動(dòng)，必然會(huì)產(chǎn)生不同程度的地表沉降，從而對(duì)鐵路施工和周邊環(huán)境的安全產(chǎn)生不利影響，嚴(yán)重的會(huì)造成既有公路路面破壞，引起較大的安全事故和造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，科學(xué)制定新建鐵路隧道下穿既有公路施工方法，以減輕、消除和避免由于施工引起地表沉降的不利影響以及保證支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全性是十分必要的。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)隧道開挖引起的地表沉降進(jìn)行了大量的研究，通過(guò)采用經(jīng)驗(yàn)公式法，模型試驗(yàn)法、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試法、數(shù)值模擬法等進(jìn)行了沉降變形研究，取得了很多有價(jià)值的研究成果[1-5]。本文結(jié)合中川隧道下穿天巉公路的實(shí)際情況，通過(guò)數(shù)值模擬采用不同的施工方法對(duì)地表下沉量的影響，得出最優(yōu)的施工方法，為同類工程施工提供借鑒。

2 工程概況

天巉公路（甘肅天水至巉口）是國(guó)道主干線連云港至霍爾果斯的組成路段，于2001年12月建成通車，全長(zhǎng)193.14 km，全線按二級(jí)汽車專用公路標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，道路全寬12 m，控制最高時(shí)速80 km。在天水境內(nèi)共有80多km。隧道于IDK851＋950～I(xiàn)DK852＋040暗挖下穿天巉公路，隧道覆土厚度6.07 m，平面夾角38°34’18”。本段隧道采用V-XC-Ⅱ襯砌斷面，采用三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法。全斷面設(shè)Ⅰ22a型鋼鋼架，間距1榀/0.6 m，一次襯砌采用C35格柵鋼架混凝土，鋼格柵間距0.6 m；本段洞身拱部150°設(shè)三環(huán)A108管棚超前支護(hù)，下穿公路段管棚長(zhǎng)50 m，兩側(cè)影響段管棚長(zhǎng)30 m，環(huán)向間距30 cm，外插角0～2°；管棚間內(nèi)插A42超前小導(dǎo)管，L=3.5 m，環(huán)向間距0.3 m，外插角10°～15°，縱向搭接不小于1 m。隧道斷面圖見(jiàn)圖1所示。

圖1 隧道斷面圖

3 隧道施工公路路面沉降標(biāo)準(zhǔn)

新建鐵路大量出現(xiàn)下穿既有公路的交叉工程，隧道施工沉降將影響公路行車安全，所以必須要控制下穿公路隧道施工沉降。

由于隧道的施工會(huì)引起地表位移和變形，這種施工變形可在較短的時(shí)間內(nèi)使得地表在一定范圍內(nèi)形成不均勻沉降凹槽，對(duì)公路路面功能及運(yùn)營(yíng)安全會(huì)產(chǎn)生較大影響。若不均勻沉降變形過(guò)大，瀝青路面將產(chǎn)生路面裂縫；混凝土路面將產(chǎn)生面板斷裂、縱向貫穿裂縫或接縫碎裂；或影響乘客舒適程度。

公路路面平整一般以平整度和舒適度來(lái)衡量，一般將汽車的行駛平順性作為汽車舒適性的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)，汽車行駛平順性主要是指乘客在汽車行駛過(guò)程中不會(huì)因車身震動(dòng)而引起不舒適和疲勞的感覺(jué)，或能保證貨物在運(yùn)載過(guò)程中的完整無(wú)損，根據(jù)公路規(guī)范舒適度要求的縱斷面設(shè)計(jì)豎曲線半徑和換算3 m尺間隙如表1所示。我國(guó)規(guī)范規(guī)定不同等級(jí)公路水泥混凝土路面和瀝青混凝土路面養(yǎng)護(hù)標(biāo)準(zhǔn)的平整度要求如表2所示。其中，以路面舒適度對(duì)路面不均勻沉降指標(biāo)要求最嚴(yán)。

表1 舒適度要求及換算3 m尺間隙

表2 規(guī)范平整度養(yǎng)護(hù)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

朱正國(guó)[6]等根據(jù)公路運(yùn)營(yíng)安全平整度要求，揭示了公路維修標(biāo)準(zhǔn)平整度與隧道施工路面最大沉降值的關(guān)系，應(yīng)用正交數(shù)值試驗(yàn)方法，提出了不同等級(jí)公路路面允許的隧道施工沉降值，公路路面允許最大沉降值如表3所示。

表3 公路路面允許最大沉降值 mm

4 開挖方法比選

采用ANSYS軟件，運(yùn)用地層結(jié)構(gòu)法進(jìn)行分析。地層采用實(shí)體單元（solid45）模擬，支護(hù)結(jié)構(gòu)采用殼單元（shell63）模擬。本文中地層結(jié)構(gòu)模型中巖體材料假定為均質(zhì)各向同性，巖體材料應(yīng)力——應(yīng)變關(guān)系為完全彈塑性，選用D-P模型，不考慮地下水的影響。模型中荷載為圍巖和襯砌自重，不考慮動(dòng)載影響。本文擬采用兩臺(tái)階，兩臺(tái)階臨時(shí)仰拱，三臺(tái)階，三臺(tái)階臨時(shí)仰拱四種方法進(jìn)行數(shù)值模擬，四種方法比選出一種最優(yōu)的施工方法。

4.1 有限元模型建立及結(jié)算結(jié)果分析

4.2 支護(hù)計(jì)算參數(shù)

地層及支護(hù)計(jì)算參數(shù)根據(jù)地質(zhì)報(bào)告取值。地層和支護(hù)的計(jì)算參數(shù)如表4所示。

表4 隧道圍巖的物理力學(xué)指標(biāo)

圖3 地層結(jié)構(gòu)模型

圖4 支護(hù)結(jié)構(gòu)模型

4.3 計(jì)算模型

本文中地層結(jié)構(gòu)模型中巖體材料假定為均質(zhì)各向同性，巖體材料應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系為完全彈塑性，選用D-P模型，不考慮地下水的影響。模型中荷載為圍巖和襯砌自重，不考慮動(dòng)載影響。（注：本文中地層結(jié)構(gòu)模型采用的本構(gòu)關(guān)系及其假定均相同，以后不再贅述）模型的計(jì)算范圍X=100 m，Y=40 m，Z=80 m，計(jì)算范圍大于3倍的洞跨，滿足要求。圍巖采用實(shí)體單元（solid45）模擬，支護(hù)結(jié)構(gòu)采用殼單元（shell63）模擬，建立地層模型如圖3所示（圖中黑色部分為天巉公路），支護(hù)結(jié)構(gòu)模型如圖4所示。模型開挖進(jìn)尺為2 m，臺(tái)階長(zhǎng)度為4 m。

4.4 結(jié)算結(jié)果

（1）地層沉降。使用不同開挖方法，在各施工部時(shí)的地表沉降曲線見(jiàn)圖5～圖8所示。

圖5 兩臺(tái)階法地表沉降曲線

圖6 兩臺(tái)階臨時(shí)仰拱法地表沉降曲線

圖7 三臺(tái)階法地表沉降曲線

圖8 三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法地表沉降曲線

三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法地表沉降最大值為6.306 mm，這種施工方法對(duì)地表沉降的影響最小。中川隧道為雙線隧道，天巉公路按一級(jí)公路瀝青路面，根據(jù)表3，在埋深6.07 m的情況下路面允許最大沉降值為42 mm，可知計(jì)算結(jié)果滿足要求。

（2）支護(hù)結(jié)構(gòu)位移。選取公路與隧道相交處隧道斷面為觀測(cè)斷面，支護(hù)結(jié)構(gòu)拱頂下沉量，底部隆起，洞邊收斂情況如表5所示。

表5 最大位移值 mm

當(dāng)采用三臺(tái)階臨時(shí)仰拱施工時(shí)，拱頂下沉量、底部隆起、洞邊收斂均為最小值。結(jié)合地表沉降情況，可以得出使用三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法施工時(shí)，地表沉降量最小，支護(hù)結(jié)構(gòu)變形量最小，所以建議使用三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法施工。

（3）支護(hù)安全性評(píng)價(jià)。本文選取隧道與棧橋相交叉斷面作為研究斷面，通過(guò)有限元軟件ansys提取了支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力，并進(jìn)行了安全系數(shù)計(jì)算。結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)如表6所示。

通過(guò)使用有限元軟件ansys對(duì)隧道施工過(guò)程進(jìn)行模擬，分別采用兩臺(tái)階法、兩臺(tái)階臨時(shí)仰拱法、三臺(tái)階法以及三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法對(duì)隧道進(jìn)行施工過(guò)程模擬，結(jié)果表明當(dāng)采用三臺(tái)階臨時(shí)仰拱施工時(shí)，支護(hù)結(jié)構(gòu)以及地表沉降量均為最小，而且安全系數(shù)符合要求。所以建議采用三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法進(jìn)行隧道的施工。

表6 不同施工方法支護(hù)結(jié)構(gòu)安全系數(shù)

5 車輛荷載對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響

5.1 車輛荷載

按照汽車-Ⅰ級(jí)、一級(jí)公路最大荷載，車輛荷載如圖9所示。根據(jù)上文結(jié)論，本文擬采用三臺(tái)階臨時(shí)仰拱開挖方法，模擬單車荷載在不同位置時(shí)，對(duì)隧道開挖的影響。

圖9 車輛荷載圖示

圖10 車輛在棧橋邊緣圖示

圖11 車輛在隧道正上方圖示

本文選取車輛在棧橋邊緣處及在隧道正上方進(jìn)行模擬，來(lái)確定單車荷載是否會(huì)對(duì)隧道施工造成影響。通過(guò)有限元計(jì)算軟件ansys進(jìn)行建模，有限元模型如圖3所示，支護(hù)模型如圖4所示。在此我們將車輛的集中荷載轉(zhuǎn)化為了均布荷載，分布在車輛所占有的面積上，車輛荷載轉(zhuǎn)化為均布荷載大小為25 338 N/m2，如圖10、圖11所示，圖中紅色箭頭位置代表車輛位置。

5.2 結(jié)算結(jié)果分析

（1）地表沉降。車輛在不同位置時(shí)，在各施工部時(shí)的地表沉降曲線見(jiàn)圖12、圖13所示。

圖12 車輛在棧橋邊緣時(shí)地表沉降曲線

圖13 車輛在隧道正上方時(shí)地表沉降曲線

車輛在棧橋邊緣和在隧道正上方時(shí)地表沉降變化不大。當(dāng)車輛荷載作用在棧橋邊緣時(shí)，車輛作用一側(cè)地表沉降量略大，但不明顯。當(dāng)車輛在隧道正上方時(shí)地表最大沉降量為6.317 mm小于表中規(guī)定的42 mm，所以可以得出結(jié)論地表沉降量滿足規(guī)范要求。

（2）支護(hù)結(jié)構(gòu)位移。選取隧道與公路交叉段隧道斷面為監(jiān)測(cè)斷面。支護(hù)結(jié)構(gòu)拱頂下沉量，底部隆起，洞邊收斂情況如表7所示。

表7 最大位移值 mm

（3）支護(hù)安全性評(píng)價(jià)。結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)如表8、表9所示。

表8 車輛在棧橋邊界支護(hù)結(jié)構(gòu)安全系數(shù)

表9 車輛在隧道正上方支護(hù)結(jié)構(gòu)安全系數(shù)

由表7可知，車輛荷載在隧道邊緣和隧道正上方時(shí)，支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移變化不大，由表8、表9可知，車輛荷載對(duì)結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)影響也不大，且地表沉降量滿足規(guī)范要求。所以可以得出結(jié)論采用三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法施工，可以忽略單車荷載的影響。

6 結(jié)論

（1）通過(guò)計(jì)算制定出了公路路面允許最大沉降值標(biāo)準(zhǔn)。

（2）通過(guò)模擬兩臺(tái)階法、兩臺(tái)階臨時(shí)仰拱法、三臺(tái)階法和三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法四種施工方法，得出地表沉降、支護(hù)結(jié)構(gòu)位移及安全系數(shù)，可以得出結(jié)論使用三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法施工地表沉降量最小，安全系數(shù)滿足規(guī)范要求，故建議采用三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法施工。

（3）通過(guò)模擬車輛在隧道上方不同位置對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響，可以得出結(jié)論車輛在隧道正上方要比車輛在棧橋邊緣對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響要大，但相比不考慮車輛荷載的情況，可以說(shuō)車輛對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響很小，所以可以不考慮車輛荷載對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響。

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Research on the Construction Method of Zhongchuan Tunnel under the Tianyan Highway

DING Li-Jian
(China Railway 19th Bureau Group Co., Ltd Beijing 100000 China )

In the construction of a new rail tunnel under the existing highway, not only the tunnel construction safety but also the operational status of the highway should be ensured and excessive pavement subsidence is not allowed. Therefore, a reasonable construction method is very important to ensure the safety of tunnel supporting structure and road surface subsidence control. In this paper, based on the Zhongchuan tunnel under the Tianyan highway and combined with the existing research results and national norms at home and abroad, the optimal method of construction is provided through numerical simulation.

under cross tunnel construction method pavement subsidence numerical simulation

U455.4

A

1673-1816(2014)01-0032-07

2013-11-24

丁禮建（1971-），男，遼寧大石橋人，學(xué)士，高工，研究方向隧道工程。