超近距离立体交叉隧道施工动态控制技术

第２１卷第２期　石家庄铁道学院学报（自然科学版）　Ｖｏ１．２１　Ｎ。．２　２００８年６月ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＳＨＩＪＩＡＺＨＵＡＮＧ　ＲＡＩＬＷＡＹ　ＩＮＳＴＩＴＵＴＥ（ＮＡＴＵＲＡＬ　ＳＣＩＥＮＣＥ）　Ｊｕｎ．２００８　超近距离立体交叉隧道施工动态控制技术　唐达昆　（中铁十一局集团公司，湖北武汉４３００７１）　摘要：温（州）福（州）铁路瑭头岭隧道在ＤＫ２８０＋９５０～ＤＫ２８１＋１００下穿同三高速公路王官头　岭隧道，铁路隧道开挖轮廓线拱项距公路隧道基础底面仅约２．９　ｍ，平面夹角仅为３６。，施工工况　在国内外尚属首例。施工方案以数值模拟计算为重要参考，根据监控量测结果动态组织施工，　确保铁路隧道快速、安全地通过公路隧道。　关键词：公里隧道；数值模拟；监控量测；动态控制　中图分类号：Ｕ４５５文献标识码：Ａ文章编号：１６７４—０３００（２００８）０２—００９１—０４　１　工程概况　温（州）福（州）铁路珀头岭隧道在ＤＫ２８０＋９５０～２８１＋１００段与同三高速公路瑭头岭隧道左右线超　近距离立体交叉，隧道开挖轮廓线拱顶距公路隧道基础底面约２．９　ｍ，平面交角约。设计要求铁路隧道施　工保证既有公路隧道底板最大允许沉降≤３　ＩＢｍ；结构混凝土拉应变≤０．００５％、压应变≤０．０３％；底板最　大质点震动速度≤４　ｃｍ／ｓ。此类两隧道超近距离平面小夹角立体交叉下穿施工工况在国内外尚属首例。　铁路隧道下穿公路隧道的平面位置关系如图１。　七　一　一　＇　５　ｌ／ｌ／ｔ／２０　ｌ　１（】ｌ　／　／　／ｌ　Ｉ／２０　Ｉ、ｌ　Ｊ　／　叠　一垡　永地段　图１铁路隧道下穿高速公路隧道平面关系示意（单位：ｍ）　该段地质情况为剥蚀低山。隧道围岩为Ｊ　ｎｂ浅灰色流纹质晶屑凝灰岩，流纹质晶屑凝灰熔岩，弱风　化，岩体完整，岩体质地坚硬。岩石呈相对陡峭地势，以含晶屑为基本特征，晶屑１～８　ｍｍ，主要为石英、长　石，呈凝灰结构，块状结构及碎斑结构，层厚约４１２～１　０７２　ｍ。基岩裂隙水不发育。此段围岩设计判定为　Ⅲ级。该段施工设计上采用超前长管棚预支护，纵向间距按１０　ｍ一环布置。Ｉ２０ａ工字钢架加强，纵向间　距０．８　ｍ一榀。三台阶临时仰拱法施工。系统锚杆拱部１２０。范围内采用带排气装置的　２５中空锚杆，长　２．５　ｉｎ；边墙采用中３２预应力锚杆（锚杆预应力为１０　ｔ），长４．０　ｉｎ。　收稿日期：２００８—０３—０２　作者简介：唐达昆男１９６８年出生高级工程师　维普资讯 http://www.cqvip.com

９２　石家庄铁道学院学报（自然科学版）　第２１卷　２　隧道开挖过程数值模拟及方案调整　２．１　微震控制光面爆破技术开挖方案　把整个下穿公路隧道段１５０　１ＴＩ范围划分了警示地段、危险地段、最危险地段三个级别，如图１所示，在　ＤＫ２８１＋１００一十９０警示地段施作１０　１ＴＩ爆破试验段。为了确保公路隧道的结构安全，铁路隧道开挖爆破　震动速度控制在设计要求范围内，采取了多种降低爆破震动的措施，即：选择合理的开挖几何形状和循环　进尺；选择合理的掏槽形状，减少最大一段爆破用药量；选择合理的雷管起爆时差；选择合理的装药结构，　采用水压爆破技术；为了减弱爆破振动在硬质岩中的传递速度，上台阶开挖时，在拱部１２０。范围开挖轮廓　线（光爆孔连线）外５　ｃｍ，设减振空眼。　开挖方法采用三台阶临时仰拱法，为控制掏槽眼用药量，上台阶分左右两幅，共四步开挖。根据拟定　的三台阶，上台阶分左右幅四步开挖的方案，如图２。　２．２开挖过程数值模拟及方案调整　为了确保下穿施工安全，了解施工过程对既有隧道的影响及支护参　数的合理性，在技术准备阶段，采用ＡＮＳＹＳ软件对隧道开挖过程进行模　拟，确认整个开挖过程中隧道周边围岩拉应力存在的具体里程、范围、空　间位置，尤其关注上下两隧间岩板应力变化情况，以便采取相应措施。　２．２．１参数以及数学模型的选取　（１）围岩参数。开挖区间为Ⅲ类围岩，围岩的力学特征为：密度　＝　２　５００　ｋｇ／ｍ　，变形模量Ｅ＝１５　ＧＰａ，泊松比　＝０．３，内摩擦角　＝５０。，粘　聚力Ｃ＝１．５　ＭＰａ。　图２三台阶四步　开挖示意（单位ＩＣｌｌｔ１）　（２）支护参数。所选取的二次衬砌支护材料：为Ｃ２５，根据铁路隧道设计规范，取材料的弹性模量　１●　』　Ｅ：２．９５　ＭＰａ，密度Ｐ：２４００　ｋｇ／１ＴＩ　。初期支护包括锚喷支护、钢架支护、以及超前支护。　（３）数学模型。荷载包括围岩自重，既有高速公路隧道中的车辆荷载（７０　ｔ货车）。根据降震要求和　施工进度要求，选定上台阶每循环进尺１　１ＴＩ，中、下台阶每循环进尺２　１ＴＩ，上、中、下台阶各相距５　１ＴＩ。　２．２．２计算流程　①计算初始地应力场；②开挖至距离两隧道轴线交点２０　１ＴＩ处应力状态；③开挖至距离两隧道轴线交　点１０　１ＴＩ处应力状态；④开挖至距离两隧道轴线正下方应力状态；⑤开挖至经过隧道轴线１０　１ＴＩ时，应力状　态；⑥按每步开挖１　１ＴＩ进行计算。　２．２．３计算结果　开挖过程中隧道围岩周围主应力的变化，通过数值模拟计算，结果见表１。　表１开挖过程中隧道周围主应力的变化　开挖位置主应力　初始状态　一Ｐａ　０　ｍ　１０　ｍ　开挖位置　２０　ｍ　一１０　ｍ　表１中，以开挖隧道和既有隧道轴线交点为０点，开挖工作面未到达开挖隧道和既有隧道轴线交点　时，为负；开挖工作面经过开挖隧道和既有隧道轴线交点时，为正；正值为受拉应力，负值为受到压应力；　１、　２、　３为　、　三轴方向主应力。　计算结果表明：①在初始应力状态下，只有在第一主应力中，出现拉应力；②当开挖至距离两隧道轴　线交点２０　１ＴＩ处时，第一、第二主应力均出现拉应力；③随着开挖工作面的推进，第一、第二、第三主应力均　出现拉应力；④最大拉应力的出现位置主要位于开挖工作面的拱顶、拱腰和核心土附近的底板部位。⑤　维普资讯 http://www.cqvip.com 第２期　唐达昆：超近距离立体交叉隧道施工动态控制技术　９３　开挖过程中的最大位移在２　ｍｍ以内。　在整个铁路隧道下穿高速公路隧道开挖过程中最大拉应力为０．３６６　ＭＰａ出现在当开挖工作面至距离　两隧道轴线交点１０　ｍ处时。　开挖至距离两隧道轴线交点１０　ｍ处时围岩主应力　最大值为３６６　４７０　Ｐａ，最小值为一５３５　８７８　Ｐａ。　２．２．４超前（初期）支护方案调整　根据数值模拟计算结果，在整个铁路隧道下穿高速公路隧道开挖过程中最大拉应力为０．３６６　ＭＰａ，数　值较小。该区间围岩抗压试验强度为１５０　ＭＰａ，劈裂抗拉强度为１２　ＭＰａ。这些数据表明岩层的本身的抗　拉能力都远远大于开挖过程中岩层所承受的计算拉应力，为了保证两隧间岩板的完整性，充分发挥岩层　的自承作用，鉴于设计所采用的超前长管棚具有施工周期长，对上下隧道问的岩板破坏性大等缺点，对超　前支护施工方案作了调整，取消长管棚，改为小导管。同时根据数字模拟结果，对初期支护也作了调整．。　对铁路隧道边墙附近无较大拉应力区，将０３２预应力锚杆变更为０２２砂浆锚杆。　３洞内支护结构应力监测与结构调整　采用钢弦式传感器（ＪＳＹ一１１０双膜压力盒、ＸＬ－２应力计）和与之配套的测试仪器，通过’狈０试传感器钢　弦频率的大小来计算传感器受力或应力的大小，监测洞内喷射混凝土与围岩接触应力量测和初期支护钢　拱应力量测，掌握围岩支护结构受力、应力状态，根据监测结果及时调整支护参数，并对支护效果和稳定　性进行评价。　３．１　下穿公路隧道右洞时的测点布置及监测结果　上方高速公路隧道为分离式隧道，左右线隧道在铁路线路方向净间距为５０　ＩＴＩ，下方铁路隧道施工先　穿越公路右线隧道。在铁路隧道与公路隧道右洞两隧道中线交点附近的ＤＫ２８１＋０６３．８断面埋设监测传　感器。该段铁路隧道按照设计施作锚杆、钢拱架、Ｃ３０喷射混凝土等初期支护。传感器埋设位置见表２。　表２　ＤＫ２８１＋０６３．８断面监测点的位置　从２００６的年７月２０日埋设传感器后开始监测，至２００６年８月３日该段（下穿右线段）二次衬砌完毕　高速公路开放右线交通日为止，喷射混凝土与围岩接触应力和钢拱应力随时间变化曲线如图３。　＼　幽３　ＤＫ２８１＋０６３．８监测断面支护应力随时间变化曲线　从变化曲线上可以看出：支护结构应力变化不大，应力最大处位于隧道拱顶，初支钢拱拉应力最大值　１１．５　ＭＰａ，远小于钢拱架的抗拉强度３７０　ＭＰａ，说明钢拱架强度利用值不高。喷射混凝土与围岩接触应力　较小，最大接触压应力位于拱顶位置，其压应力最大值为４８．７　ｋＰａ。根据监测结果表明，围岩开挖后变形　小，自承ｌ生良好，支护结构受力较小，富余太大。　根据支护结构的应力值监测结果的分析，在下穿公路隧道左线隧道时，建议取消了初期支护中的钢　维普资讯 http://www.cqvip.com

石家庄铁道学院学报（自然科学版）　第２１卷　拱架，喷射钢纤维混凝土保持在３０　ａｍ厚。在二次衬砌中取消了钢筋，采用４０　ａｍ厚素Ｃ３０混凝土。　３．２穿越公路隧道左洞时的支护结构应力监测结果　在下穿高速公路左洞施工时，根据下穿右洞的监测结果取消了初期支护中的钢拱架采用锚、网、喷　（３０　ａｍ厚Ｃ３０纤维混凝土）支护，取消了二次衬砌中的钢筋。并在上下两隧线路中心交点附近的的　ＤＫ２８０＋９７１设置了监测断面，监测断面初支（即喷射混凝土）与围岩接触应力，结果如图４所示。从监测　情况来看，初支取消了钢拱的接触应力比初支采用钢拱的应力大，最大值为一２７８．５　ｋＰａ，但还是在喷射混　凝土能承受的范围。说明在初支中取消钢拱是正确合理的，为加快下穿施工速度起到了重要作用。　０．１０　图４　ＤＫ２８０＋９７１断面喷射混凝土与围岩接触应力随时间变化曲线　４　结束语　瑭头岭隧道下穿高速公路隧道上下间距２．９　ｍ，属于超浅埋工况。采用封闭高速公路单洞施工对社　会影响较大，福建省高速集团对封道时间有严格要求，要求在２０　ｄ内完成下穿单洞４０　ｍ长的开挖衬砌工　作。通过计算和分析，取消了费时费力的超前大管棚，根据监控量测结果，取消了初支中的钢拱架和二衬　中的钢筋，既保证了下穿施工的安全，又为下穿施工缩短了时间，取得了良好的经济效益和社会效益。　参　考　文　献　［１］齐景岳，刘正雄，张儒林，等．隧道爆破现代技术［Ｍ］．北京：中国铁道出版社，１９９５．　［２］陈少华．小净距隧道的结构受力特点及工程措施［Ｍ］．北京：人民交通出版社，２００２．　［３］靳晓光．小净距隧道施工过程的数值模拟［Ｍ］．北京：人民交通出版社，２００３．　［４］王梦恕．地下工程浅埋暗挖技术通论［Ｍ］．合肥：安微教育出版社，２００４．　Ｄｙｎａｍｉｃ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ｆｏｒ　Ｒａｉｌｗａｙ　Ｔｕｎｎｅｌ　Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　Ｕｎｄｅｒ－ｃｒｏｓｓｉｎｇ　Ｈｉｇｈｗａｙ　Ｔｕｎｎｅｌ　ａｔ　Ｓｍａｌｌ　Ｄｅｐｔｈ　Ｔａｎｇ　Ｄａｋｕｎ　（Ｃｈｉｎａ　Ｒａｉｌｗａｙｓ　ｔｈｅ　１　ｌｔｈ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｂｕｒｅａｕ　Ｇｒｏｕｐ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ，Ｗｕｈａｎ　４３００７１，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｇｕａｎｔｏｕｌｉｎｇ　Ｔｕｎｎｅｌ　ｏｆ　Ｗｅｎｚｈｏｕ－Ｆｕｚｈｏｕ　Ｒａｉｌｗａｙ　ｕｎｄｅｒｐａｓｓｅｓ　Ｇｕａｎｔｏｕｌｉｎｇ　Ｔｕｎｎｅｌ　ｏｆ　Ｔｏｎｇ－Ｓａｎ　Ｅｘｐｒｅｓｓｗａｙ　ａｔ　ＤＫ２８０＋９５０～ＤＫ２８１　４－１００．Ｔｈｅ　ｒａｉｌｗａｙ　ｔｕｎｎｅｌ　ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ　ｐｒｏｆｉｌｅ，ｓ　ｒｏｏｆ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｉｓ　ｏｎｌｙ　２．９　ｍ　ｕｎｄｅｒ　ｔｈｅ　ｅｘｐｒｅｓｓｗａｙ　ｔｕｎｎｅｌ’ｓ　ｉｎｆｒａｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｂａｓｅ．ｗｉｔｈ　ａ　ｐｌａｎｅ　ａｎｇｌｅ　ｏｆ　ｏｎｌｙ　３６。．Ｓｕｃｈ　ａ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｆｉｒｓｔ　ｃａｓｅ　ｅｖｅｒ　ｅｎｃｏｕｎｔｅｒｅｄ　ｉｎ　ｃｈｉｎａ　ａｎｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｗｏｒｌｄ．Ｃｏｎｓｔｕｃｔｉｏｎ　ｐｌａｎｎｉｎｇ　ｉｒｓ　ｂａｓｅｄ　ｕｐｏｎ　ｔｈｅ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｔｏ　ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｓ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｉｓ　ｏｒｇａｎｉｚｅｄ　ｄｙｎａｍｉｃａｌｌｙ　ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｔｏ　ｅｎｓｕｒｅ　ｔｈｅ　ｒａｉｌｗａｙ　ｔｕｎｎｅｌ　ｃｏｎｓｔｕｃｔｒｉｏｎ　ｃｏｕｌｄ　ｐａｓｓ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｔｈｅ　ｅｘｐｒｅｓｓｗａｙ　ｔｕｎ－　ｎｅｌ　ｆａｓｔ　ａｎｄ　ｓａｆｅｌｙ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｒａｉｌｗａｙ　ｔｕｎｎｅｌ　ｕｎｄｅｒｐａｓｓ　ｅｘｐｒｅｓｓｗａｙ　ｔｕｎｎｅｌ　ａｔ　ｓｍａｌｌ　ｄｅｐｔｈ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ；ｄｙｎａｍｉｃ　ｃｏｎｔｒｏｌ　（责任编辑刘宪福）