? 双线公路隧道下穿铁路隧道不同施工工法理论研究 双线公路隧道下穿铁路隧道不同施工工法理论研究
黄海斌1，周 平1，陈 鹏1，杨剑飞1，2，马德林1
(1.西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，成都 610031;2.中设设计集团股份有限公司，南京 210014)
摘 要：针对新建隧道下穿既有铁路隧道施工安全性问题，基于有限元摩尔库伦原理对不同施工工法的三维隧道交叉模型进行模拟分析。对比分析CD法、CRD法和双侧壁导坑法的新建公路隧道下穿既有铁路隧道引起的公路隧道施工不同部位稳定性演变和运营铁路隧道沉降变化，以期为类似工程提供借鉴作用。研究结果表明：对于自身隧道开挖，双侧壁导坑法在控制拱顶沉降具有一定优势，但在水平收敛上CRD法效果最好，其次是双侧壁导坑法。不同工法对既有铁路隧道的沉降影响不同，采用双侧壁导坑法公路隧道施工对既有铁路隧道的沉降影响最小，且不建议在交叉隧道处采用CD法进行施工。
关键词：公路隧道；交叉模型；CD法；CRD法；双侧壁导坑法
随着我国西部大开发不断推进，通往西部的交通需求快速增长[1]，尤其是公路和铁路隧道逐渐增多[2]。由于西部地区地势较为复杂[3]，这就导致在路线规划中新建隧道与既有铁路隧道不可避免的相互交叉[4]。新建隧道下穿既有铁路隧道不仅对铁路隧道的安全运营产生不利影响，同时会影响新建隧道安全施工[5-6]，严重的会造成既有运营隧道和施工隧道的破坏，引起较大的安全事故和经济损失[7]。鉴于新建结构对既有结构影响的复杂性[8-9]，对比分析新建隧道不同施工工法对既有隧道影响具有重要意义。国内外学者研究新建隧道施工对既有隧道影响成果较多，但是往往停留在单一的施工方法研究上[10-15]。较少有学者在新建与既有隧道领域将几种施工方法影响进行对比分析。
结合某新建双线公路隧道与既有铁路隧道交叉关系，基于摩尔库伦理论，利用有限元建立三维隧道模型，分别采用CD法，CRD法以及双侧壁导坑法的公路隧道施工，对比3种施工方法下的公路隧道施工对上部既有铁路隧道以及施工公路隧道影响，以期为类似工程施工提供借鉴和帮助作用。
1 工程概况
本隧道总体呈东西走向，设计采用双洞分离式隧道方案，左洞起讫里程桩号为Z2K106+960～K109+900，右洞起讫里程桩号为K106+960～K109+775，左线隧道长为2 940 m，右线隧道长为2 815 m。设计隧道最大埋深约为302 m。公路隧道下穿铁路隧道交叉处左右洞净距约为24.5 m，左右线隧道拱顶与铁路轨顶的净距分别为19.5 m和18.5 m。隧道交叉段空间位置关系如图1所示。
图1 新建公路隧道与既有铁路隧道位置关系(单位：cm)
2 模型建立及求解
铁路隧道受公路隧道开挖的影响主要体现为底板沉降，影响主要表现在一方面可能造成线路两股钢轨顶面的相对高差超限，另一方面可能造成前后沿线路方向的竖向平顺性超限，轨道前后高低不平顺对线路运营危害较大。采用CD法，CRD法以及双侧壁导坑法分别研究新建公路隧道下穿既有铁路隧道对公路隧道施工和运营铁路隧道影响。通过对比分析不同施工方法状态下公路隧道拱顶下沉、侧墙水平位移、运营铁路隧道墙脚和拱顶位移沉降。
2.1 模型建立
模型岩土材料弹性模量E=1.2×109 N/m2、容重(饱和)γ=2 500 N/m3、黏聚力c=2 941 995 N/m2、内摩擦角φ=35°、泊松比为0.35；衬砌材料E=3.3×1010 N/m2、γ=2 500 N/m3、泊松比v=0.3；模型衬砌材料类型为板/平面单元，厚度取0.25 m；锚杆材料类型采用桁架/植入式桁架，桁架类型为线弹性类型。模型整体尺寸为180 m×100 m×100 m，外部岩体网格尺寸为20 m，内部隧道网格尺寸为2 m。每步开挖进尺为2 m。其中双侧壁导坑法的实体模型如图2所示。
图2 双侧壁导坑法网格模型图和公路隧道 模型的衬砌析取模型
2.2 结果分析2.2.1 CD法
提取出公路隧道与铁路隧道相应位置点的位移变化值，作为评价不同施工方法对铁路隧道影响研究的参照点。对于CD法，由公路隧道左右线交叉断面拱顶监测点处位移沉降趋势如图3所示，随着开挖的进行，左右线公路隧道拱顶沉降呈现不断增大的趋势。对比左右两侧交叉断面处监测点沉降走势图，由于开挖先后的顺序左洞隧道的拱顶沉降要领先于右洞隧道。公路隧道交叉断面处监测点拱顶位移变化不大，随着掌子面的推进，开挖面到达监测点处沉降值会发生突变，随着衬砌的施作，变化率趋于平缓，之后由于钢支撑的拆除，围岩支护刚度骤然下降，监测点处位移变化率加大，最后两交叉断面处监测点位移稳定在11.4 cm。
图3 CD法公路隧道施工拱顶沉降曲线
图4为CD法施工时交叉断面处双线公路隧道侧墙的位移变化趋势，左、右线水平位移监测点分别设置在交叉断面的两侧拱腰上。右线两监测点在开挖开始阶段位移不明显，在掌子面到达监测断面附近时两侧点开始背向移动，并在之后水平位移达到峰值21 cm，随着监测断面的拆撑，两侧点开始相向移动，最后水平收敛稳定在12 cm。左线水平位移变化趋势与右线大致相同，位移峰值26 cm，稳定于15 cm。对比左线和右线公路隧道，左线公路隧道由于开挖顺序的问题滞后于右线，又因为单条公路隧道跨度为18.8 m，两隧道净距为24.5 m，属于小净距隧道的施工。
图4 CD法公路隧道施工水平位移曲线
图5为CD法交叉处既有铁路隧道侧墙沉降，既有铁路隧道交叉断面处墙脚下沉，测点位于拱顶下沉测点下方。监测点在开挖开始阶段位移不明显，在掌子面到达监测断面附近时铁路隧道墙角下沉量急剧增大最后趋于稳定，右线墙脚下沉最终为40 mm，左侧墙角下沉最终为35 mm。采用CD法进行施工时，既有铁路隧道拱顶监测点沉降在总体上表现出一致的规律，如图6所示，其中交叉处正上方的两个测点处沉降最大，均达到40 mm，基本上与拱顶沉降相同，两边监测点沉降较小，在10 mm左右。
图5 CD法交叉处既有铁路隧道侧墙沉降曲线
图6 CD法铁路隧道纵向沉降曲线
2.2.2 CRD法
针对CRD隧道施工方法，由图7可知，随着施工步骤的不断推进，施工对交叉断面处影响不断增加，左右洞拱顶监测点处沉降量逐渐增大，最终沉降量为96 mm(左洞)和94 mm(右洞)。分析拱顶沉降走势可知，刚开始随着开挖的进行，公路隧道拱顶沉降量迅速增加，掌子面越接近拱监测点，开挖对监测点的影响也就越大，公路隧道拱顶监测点拱顶沉降量变化趋势也就越剧烈，后伴随着监测点附近衬砌的施作，该位置处土体所受约束显著增强，同时伴随着掌子面的远离，开挖对拱顶监测点影响降低，故拱顶监测点沉降曲线变化趋势逐渐趋于平缓。图8是CRD法公路隧道侧墙监测点水平位移趋势，CRD法施工时公路隧道隧道水平收敛的情况。随着开挖的进行，公路隧道交叉断面(监测断面)水平收敛值不断增大，后伴随着衬砌的施做，公路隧道监测断面附近土体所受约束和支护刚度的增强，公路隧道监测断面收敛值逐渐趋于平稳最终收敛值分别为27 mm(右洞)，22 mm(左洞)。
图7 CRD法公路隧道施工拱顶沉降曲线
图8 CRD法公路隧道施工水平位移曲线
图9为既有铁路隧道沉降曲线，既有铁路隧道的整体性较好，4个检测点(铁路隧道与左洞交叉断面、铁路隧道与右洞交叉断面各2个)沉降趋势(图10)大致相同。同时，采用CRD施工方法，铁路隧道监测点沉降位移分别为19 mm(铁路隧道交叉1处)、20 mm(铁路隧道交叉2处)、23 mm(铁路隧道交叉3处)和24 mm(铁路隧道交叉4处)。对CRD施工方法铁路隧道各监测点竖向位移进行汇总并绘制包络图，如图10所示，由于公路隧道开挖对其正上方影响最大，随着距离的增大，影响减小，两隧道之间为近接施工的混合影响范围，故包络线呈“W”形。整个施工阶段各监测点竖向位移最大值为21 mm。
图9 CRD法交叉处既有铁路隧道侧墙沉降曲线
图10 CRD法铁路隧道纵向沉降曲线
2.2.3 双侧壁导坑法
同理，图11为双侧壁导坑法公路隧道施工拱顶沉降曲线，其沉降规律随开挖步数的增加与CD法和CRD法类似，但最终沉降在75 mm，其原因在于刚开始开挖时，拱顶沉降急剧下降，变化较快，随着双侧壁导坑衬砌的施做，土体变形受到约束，沉降趋势逐渐趋于平缓。图12为双侧壁法施工时交叉断面处双线公路隧道侧墙的位移变化趋势，左、右线水平位移监测点分别设置在交叉断面的两侧拱腰上。在掌子面到达监测断面附近时两侧点开始背向移动，并在之后水平位移达到峰值5～12 cm，支撑的拆除减小了隧道支护体系的刚度和隧道对水平以及竖向位移的约束能力，故伴随着拆撑的进行，公路隧道拱顶位移和水平收敛进一步增加。同时，隧道双洞的施工属于近接施工，故左右洞的施工均会对另一个洞的拱顶位移和水平收敛产生影响。
图11 双侧壁导坑法公路隧道施工拱顶沉降曲线
图12 双侧壁导坑法公路隧道施工水平位移曲线
双侧壁导坑法交叉处既有铁路隧道侧墙沉降如图13所示，交叉处的沉降趋势演变一致，在掌子面到达监测断面附近时，铁路隧道墙角下沉量急剧增大最后趋于稳定，最终沉降稳定在12 mm。采用双侧壁导坑法进行施工时，既有铁路隧道拱顶监测点沉降在总体上表现出一致的规律，如图14所示，其中交叉处正上方的两个测点处沉降最大，均达到13 mm。
图13 双侧壁导坑法交叉处既有铁路隧道侧墙沉降
图14 双侧壁导坑法铁路隧道纵向沉降曲线
2.3 对比研究
图15和图16分别为公路隧道的拱顶沉降和水平位移对比。在拱顶沉降上，采用双侧壁导坑法拱顶下沉值最小，在控制拱顶沉降方面比CRD法和CD法更有优势。水平收敛上采用CRD法比双侧壁导坑法引起的水平收敛效果要好，但CD法水平收敛上效果相对较差。双侧壁导坑法各部分开挖的面积较小，形成的结构不利于结构收敛变形。CRD法每部分衬砌闭合成环较好，开挖围岩扰动较少，整体效果好。CD法中隔壁的效果在于控制拱顶部位，但侧墙水平收敛上控制较为薄弱。
图15 公路隧道不同施工工法拱顶沉降对比
图16 公路隧道不同施工工法侧墙水平位移
图17和图18分别为采用不同施工工法时既有铁路隧道侧墙沉降和纵向沉降对比。从沉降最终趋势可以看出：双侧壁导坑法公路隧道施工引起的既有铁路隧道沉降最小，其次是CRD法和CD法，从施工工序和机理不难发现，双侧壁导坑法不仅对公路隧道拱顶沉降控制最好，对上部既有铁路沉降影响也最小。
图17 不同施工工法交叉处既有铁路隧道侧墙沉降曲线
图18 不同施工工法铁路隧道纵向沉降曲线
3 结论
(1)采用双侧壁导坑法对控制新建公路隧道拱顶沉降效果最佳，最终沉降值约为7.5 cm；CRD法次之，最终沉降量约为9.5 cm；CD法效果最差，最大沉降超过11.5 cm。因此就控制公路隧道拱顶下沉而言推荐采用双侧壁导坑法。
(2)在控制新建公路隧道水平收敛上，CRD法相对于其他工法水平位移要小，其次是双侧壁导坑法，且两工法在水平位移数值上较为相近。CD法由于开挖洞室缺少水平支撑，导致在水平收敛控制上效果最差，不推荐使用。
(3)双侧壁导坑法公路隧道施工引起的既有铁路隧道沉降最小，其次是CRD法和CD法。公路隧道开挖对其正上方影响最大，随着距离的增大，影响减小，两隧道之间为近接施工的混合影响范围，铁路隧道最终沉降曲线呈“W”形。
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Theoretical Research on Different Construction Methods for Double-line Highway Tunnel Under-passing Existing Railway Tunnel
HUANG Hai-bin1， ZHOU Ping1， CHEN Peng1， YANG Jian-fei1，2， MA De-lin1
(1.Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering， Ministry of Education， School of Civil Engineering Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， China; 2.China Design Group Co.， Ltd.， Nanjing 210014， China)
Abstract：In view of the safety issues involved in the construction of the new tunnel under-passing the railway tunnel， this paper conducts simulation analysis of 3D tunnel cross model with different construction methods based on finite element Mohr Coulomb principle. Besides， this paper studies the effect of CD method， CRD method and double side drift method respectively on the settlements of different construction parts of the highway tunnel and the operating railway tunnel， caused by the newly-built highway tunnel under-passing the existing railway tunnel. The results show that the double side drift method has an advantage in controlling the arch crown settlement comparatively， while the CRD method is the best in controlling horizontal displacement， and the double side drift method takes the second place. As for the settlement of the existing railway tunnel， different construction methods pose different effects， while the double side drift method adopted in the highway tunnel construction has the minimum effect. In addition， CD method is not recommended for construction in the crossing tunnels.
Key words：Highway tunnel; Cross model; CD method; CRD method; Double side drift method
收稿日期：-04-11；
修回日期：-04-18
基金项目：中央高校基本科研业务专项资金(SWJTU11ZT33)；教育部创新团队发展计划(IRT0955)
作者简介：黄海斌(1992—)，男，硕士研究生，研究方向：海底隧道设计、既有隧道病害检测及评价技术。
文章编号：1004-2954()11-0104-05
中图分类号：U455
文献标识码：A
DOI：10.13238/j.issn.1004-2954..11.023
