鐵路隧道下穿高速公路匝道沉降分析

張宇輝

(遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院)

鐵路隧道下穿高速公路匝道沉降分析

張宇輝

(遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院)

隨著中國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，對(duì)交通運(yùn)輸運(yùn)力擴(kuò)大的需求越來越迫切，我國的公路、鐵路等交通工程到建設(shè)也逐漸進(jìn)入高潮。交通線路的大規(guī)模建設(shè)必然需要面對(duì)新建線路與既有線路交叉的問題。其中，新建隧道穿越既有工程時(shí)對(duì)其產(chǎn)生的影響尤為突出。本文以金普鐵路三十里堡隧道下穿沈大高速公路匝道工程為依托，借助數(shù)值計(jì)算分析新建隧道對(duì)既有匝道產(chǎn)生的影響。

下穿;匝道;數(shù)值模擬;沉降

1 工程概況

大連市金州新區(qū)至普灣新區(qū)城際鐵路工程三十里堡鐵路隧道沿沈大高速公路東側(cè)鋪設(shè)，本項(xiàng)目在DK28+345～DK28+515處暗挖下穿沈大高速三十里堡互通式立交三處匝道，線路與匝道交叉點(diǎn)距三十里堡收費(fèi)站距離為200 m。本文摘取下穿點(diǎn)隧道拱頂覆蓋層最淺的C匝道進(jìn)行分析，下穿地段隧道穿越地層主要為粉質(zhì)粘土，局部存在砂層。匝道為5 m寬單行道，交角為95°，隧道結(jié)構(gòu)頂距匝道路面高度為7.2 m。隧道內(nèi)輪廓采用五心圓拱頂曲墻斷面，復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)，單孔結(jié)構(gòu)內(nèi)凈寬9.30 m，結(jié)構(gòu)內(nèi)凈高7.65 m，毛洞最大開挖跨徑11.2 m。立交區(qū)匝道填料為山皮土，匝道邊坡坡率為1∶1.75。

2 主要參數(shù)

(1)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

隧道穿過Ⅵ級(jí)圍巖地區(qū)，對(duì)已有設(shè)計(jì)結(jié)果采用有限元程序分析驗(yàn)算，確保結(jié)構(gòu)安全經(jīng)濟(jì)，設(shè)計(jì)時(shí)綜合考慮各種因素，擬定隧道支護(hù)參數(shù)見表1。

表1 三十里堡隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)表

超前支護(hù):拱部180度范圍采用雙排小導(dǎo)管超前支護(hù)并預(yù)注漿加固底層，規(guī)格為Φ42×3.25 mm(外徑×壁厚)的普通水煤氣花管，首排外插角度30°，環(huán)向間距300 mm，縱向布距2.0 m一環(huán)，長3.5m，第二排外插角度15°，環(huán)向間距300 mm，縱向布距0.5 m一環(huán)，長1.6 m，采用小導(dǎo)管注漿加固地層。在暗挖段兩個(gè)斷頭部分各5 m范圍內(nèi)，導(dǎo)管水平打入，首排和第二排環(huán)向間距300 mm，縱向布距5.0 m一環(huán)，長6 m。

初期支護(hù)及二次襯砌背后采用二次壓漿。初期支護(hù)背后采用水泥漿液或水泥砂漿，注漿孔沿拱部及邊墻布設(shè)，環(huán)向間距:拱部2 m，邊墻3 m，縱向間距3 m，梅花形布置，注漿深度為初支背后0.5 m，注漿終壓0.5 MPa。防水板與內(nèi)襯結(jié)構(gòu)之間(拱部)應(yīng)采用后注漿處理，在灌注內(nèi)襯混凝土?xí)r，應(yīng)預(yù)埋注漿管，環(huán)向間距3 m，縱向間距5 m，按梅花形布置，漿液采用高強(qiáng)無收縮水泥漿液，注漿終壓0.2 MPa。

(2)力學(xué)參數(shù)

①巖土層力學(xué)計(jì)算參數(shù)

表2 計(jì)算用巖土層力學(xué)參數(shù)表

表3 計(jì)算用支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)表

3 施工過程模擬

3.1 計(jì)算模型

采用FLAC3D建立地層結(jié)構(gòu)模型，隧道走向與匝道走向按正交考慮，模型范圍沿隧道縱向40 m，匝道中線位于20 m處，路面距地表2.2 m;橫向73.2 m，隧道至邊界距離約是其洞徑的3倍，高約46m，隧道至下邊界距離約是其洞徑的3倍;車輛載荷按照12 kPa考慮。

圖1 平面位置關(guān)系(單位:m)

圖2 三維模型圖

3.2 計(jì)算原理

(1)有限單元法地層結(jié)構(gòu)材料的本構(gòu)關(guān)系及單元選取:各巖土層均采用彈塑性模型，三維實(shí)體單元，屈服準(zhǔn)則采用Mohr－Coulomb準(zhǔn)則;初期支護(hù)采用彈性模型，實(shí)體單元;臨時(shí)支撐采用彈性模型，殼單元。

(2)模型中將注漿及二次襯砌作為安全儲(chǔ)備，未將其加入模型中。

(3)初始地應(yīng)力的計(jì)算只考慮初始自重應(yīng)力，未考慮構(gòu)造應(yīng)力。

(4)根據(jù)結(jié)構(gòu)特性和計(jì)算精度要求劃分單元，模型劃分單元數(shù)量:28 746個(gè)。

3.3 計(jì)算過程

對(duì)隧道施工過程的模擬按照CRD法考慮，即按照隧道斷面左上部→左下部→右上部→右下部的順序?qū)ν馏w進(jìn)行開挖，左上部與左下部臺(tái)階步距為4 m，左下部與右上部臺(tái)階布距為12 m，右上部與右下部臺(tái)階步距為4 m，每循環(huán)開挖進(jìn)尺2 m，初期支護(hù)及臨時(shí)支撐滯后掌子面2個(gè)循環(huán)施做，二次襯砌均作為安全儲(chǔ)備，在整個(gè)計(jì)算過程中暫不考慮。

模型具體步序如下。

1－20:隧道左上臺(tái)階開挖;

3－22:隧道左上臺(tái)階支護(hù)，隧道左上臺(tái)階架設(shè)臨時(shí)支撐;

3－22:隧道左下臺(tái)階開挖;

5－24:隧道左下臺(tái)階支護(hù)，隧道左下臺(tái)階架設(shè)臨時(shí)支撐;

9－28:隧道右上臺(tái)階開挖;

11－30:隧道右上臺(tái)階支護(hù)，隧道右上臺(tái)階架設(shè)臨時(shí)支撐;

13－32:隧道右下臺(tái)階開挖;

15－34:隧道右下臺(tái)階支護(hù)。

3.4 計(jì)算結(jié)果及分析

隧道模型共設(shè)34施工步，模型計(jì)算模擬結(jié)果如下:

圖3 模型豎向位移云圖

圖4 路面沉降曲線圖

由模型豎向位移云圖可見，隧道施工明顯引起上方匝道及土層的沉降。對(duì)隧道軸線上方匝道路面中心點(diǎn)A點(diǎn)沉降變化繪制沉降曲線，如圖4所示，累計(jì)沉降量為17.87 mm，其中施工步0～5步，施工尚未對(duì)匝道產(chǎn)生明顯影響，累計(jì)沉降量僅為0.2 mm;施工步5～10步，左上臺(tái)階施工至匝道下方，沉降量逐步增大，累計(jì)沉降量為1.7 mm;施工步10～15步，左上臺(tái)階與左下臺(tái)階相繼施工下穿匝道，沉降量明顯增大，累計(jì)沉降量達(dá)到11.44 mm;施工步15～30步，隧道左側(cè)上、下臺(tái)階已穿越匝道，右側(cè)上、下臺(tái)階相繼穿越匝道，沉降趨勢較前一階段雖有所放緩但沉降量增量仍較為明顯，累計(jì)沉降量為17.38 mm;施工步30～34步，各臺(tái)階掌子面都已遠(yuǎn)離匝道，匝道沉降趨于穩(wěn)定，累計(jì)沉降量為17.87 mm。

由各施工階段引起匝道沉降量變化結(jié)果可見，左上臺(tái)階下穿匝道時(shí)，由于原始地層受到施工擾動(dòng)，產(chǎn)生應(yīng)力釋放與重分配，導(dǎo)致上方匝道沉降量增加9.74 mm，占總沉降量的54.5%;右側(cè)臺(tái)階相繼穿過匝道時(shí)亦導(dǎo)致匝道沉降量增加5.94 mm，占總沉降量的33%。隧道下穿匝道施工過程中應(yīng)采取相應(yīng)工程措施以減小匝道的沉降量。

4 結(jié)語

借助數(shù)值模擬的方法，量化分析了隧道施工過程對(duì)上方匝道產(chǎn)生的影響，由分析結(jié)果可見施工前及施工過程中必須采取合理的工程措施控制匝道的沉降。針對(duì)本工程，建議在隧道下穿匝道施工前，可采取地面注漿等措施對(duì)地層預(yù)加固。

［1］ 關(guān)寶樹.隧道工程施工要點(diǎn)集［M］.北京:人民交通出版社，2003.

［2］ 朱永平.隧道穩(wěn)定性位移判別準(zhǔn)則［J］.中國鐵道科學(xué)，2001，(6):81－84.

［3］ 韓煊，劉赪煒，Jamie R.Standing.隧道下穿既有線的案例分析與沉降分析方法［J］.土木工程學(xué)報(bào)，2012，(1):134－141.

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