新建城市隧道上跨既有高铁隧道稳定性控制研究

李韫芃，刘凇源，郭爱鹏

(1.深圳市综合交通设计研究院有限公司，广东 深圳 518003；2.中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院，北京 100083；3.深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，北京 100083；4.广东省城市交通隧道与地下结构勘察设计工程技术研究中心，广东 深圳 518003)

1 引 言

1.1 采取措施

(1)采用微差分段爆破，减小爆破振动影响。

刘明高[1]在进行深圳鸡公山隧道上跨既有厦深铁路隧道工程施工时采用电子数码雷管微差爆破，有效减少了爆破振动。李富涛[2]对丽龙高速塔石岭隧道上跨新建衢州至宁德铁路塔石岭隧道工程的施工建议为：在人行通道以及车行通道的交叉口位置开挖阶段采用弱爆破技术，与临时搭建的钢支架相配合，同时利用挖掘设备进行开挖作业。

(2)采用新型施工方法。

隗建波[3]在进行坂银通道新建公路隧道上跨既有铁路隧道工程的施工时使用双侧壁导坑法开挖，从而有效减小了开挖面积，降低了单次爆破的装药量。李璐[4]，张兆杰[5]，程刚[6]对巴中至万源高速公路新建羊子岭隧道上跨既有襄渝铁路二线羊子岭隧道工程的施工时建议采用机械和人工混合开挖的方式。袁润湿[7]在大丽高速34合同段龙翔隧道上跨广大铁路浴龙山隧道、大丽铁路新浴龙山隧道的工程中采用了“人工开挖，零爆破，零扰动，全破碎锤、挖掘机、风镐凿边清洗界限”的施工方法进行施工作业。

同时，也需要开展超前地质预报以及对交叠段隧道既有铁路的专项监控量测。胡贵松[8]在鸡公山隧道上跨既有厦深铁路隧道施工过程中，采用自动监测技术监测了厦深铁路梅林隧道的爆破震动、衬砌结构内力、二衬收敛变形、衬砌裂缝发展、拱部沉降、轨道位移、隧道内轨道几何状态以及既有设备的运行状态。

1.2 研究方法

国内众多学者在采用上述控制措施时使用的研究方法各不相同，丁祥[9]采用经验计算法和数值模拟方法分析上跨隧道路基爆破施工产生的振动对已有铁路隧道产生的影响。张良[10]利用三维有限元软件进行数值模拟分析，针对既有铁路隧道受上方公路工程施工的影响进行分析。最终得出：工程施工对既有隧道的影响在安全范围之内。王志杰[11]采用FLAC3D模拟分析了新建公路上跨已有铁路隧道的衬砌安全系数以及应力云图，结合现场监测数据，综合评估了施工的安全性。由以上研究可知，数值模拟在研究复杂条件下的隧道结构安全性具有操作简便、可靠性高、数据结果可视化等突出优势。

2 工程概况

侨城东路某隧道于左线K1+689，右线K1+675上跨正在运营的广深港高铁羊台山隧道(时速350 km单洞双线)，左线与广深港高铁羊台山隧道平面交叉角度为51°，右线平面交叉角为53°，广深港高铁羊台山隧道与侨城东路隧道左、右线交叉点里程分别为GSGDK96+801、GSGDK96+756。3#隧道左右线与广深港高铁羊台山隧道之间的结构净距分别为27.976 m、27.596 m。

广深港高铁深圳北站至福田站段采用板式无砟轨道，设计时速350 km/h，运营时速300 km/h。交叉段广深港高铁段为羊台山隧道，隧道全长4 759 m，采用钻爆法施工，洞高12.74 m，洞宽14.86 m。隧道开挖轮廓14.1 m(宽)×10.39 m(高)，交叉区位于III级围岩，隧道结构采用III级复合式衬砌：初期支护拱墙采用15 cm厚的C25喷混凝土，二次衬砌拱部采用40 cm厚的C30混凝土，仰拱采用55 cm厚的C30混凝土。

侨城东路某隧道左右线均采用矿山法施工，线路大致呈南北走向，为双向六车道规模。右线隧道起讫里程RK1+584～RK2+364，长780 m，左线隧道起讫里程LK1+586～LK2+336，长750 m。3#隧道平面曲线半径为1 850 m，洞内人字坡，坡度为4%。隧道初期支护以喷射混凝土、钢筋网、锚杆、工字钢为主要支护手段，二次衬砌采用抗渗钢筋混凝土，整体式模板台车浇筑。交叉段设计采用超前管棚支护，并采取径向注浆。

3 上跨广深港高铁羊台山隧道结构安全分析

3.1 规范与控制指标

根据《高速铁路设计规范》可知，正线轨道静态精度标准如表1所示。

表1 正线轨道静态精度标准

《高速铁路无砟轨道线路维修规则(试行)》规定，250(不含)～300 km/h轨道静态几何尺寸容许偏差如表2所示。

表2 轨道静态几何尺寸容许偏差

3.2 数值模型构建及分析

(1)数值模型构建

通过建立侨城东路隧道上跨广深港高铁隧道的数值计算模型对隧道位移，轨道变形，二衬受力进行安全分析。计算采用大型岩土有限元分析软件midas GTS NX建立整体三维有限元模型进行数值分析。模型以垂直于侨城东路方向为x轴，侨城东路隧道方向为y轴，竖向为z轴建立计算坐标系。为充分考虑隧道开挖的影响范围，且消除模型边界效应，基于实际工程现场条件，确定模型边界范围以隧道开挖为中心点取3～5倍开挖洞径，x向取140 m，y向取140 m，z向取为130 m。将地层简化成5层均质土层，从地表往下分别为：粉质粘土，全风化、强风化、中风化、微风化中粒花岗岩。土体本构关系采用摩尔-库伦准则。

物理力学指标根据《侨城东路北延通道工程-第一标段(工可阶段勘察至详勘)初步勘察阶段岩土工程勘察报告》选取，如表3所示。

表3 岩体物理力学指标

为简化计算，将管棚超前支护等施工辅助措施对土体参数的提高作用作为安全储备，未考虑其预加固作用。选取混凝土弹性模量如表4所示。

表4 混凝土弹性模量

(2)既有隧道开挖扰动分析

①隧道变形分析

当单线隧道完成施工时，既有隧道的最大竖向变形为0.87 mm；当双线隧道施工完成之后，既有隧道的最大累计变形为1.16 mm。小于本工程建议的隧道结构变形保护标准5 mm，满足安全要求。

②轨道位移量分析

轨道的最大竖向变形为0.68 mm，小于高速铁路正线无砟轨道高低位移控制值2 mm；轨道的最大轨向位移(水平位移)为0.08 mm，小于高速铁路正线无砟轨道轨向位移控制值±1 mm，竖向变形及轨向位移均满足规范规定的安全要求。

③既有铁路二衬受力分析

二衬结构轴力值为5 745 kN，弯矩最大值为304.63 kN·m，经过计算二衬结果安全系数最小值为9.09，远大于安全系数限值3.6。满足安全要求。二衬受力表如表5所示。

表5 广深港高铁羊台山隧道二衬结构

④路基位移量分析

由计算结果可知，当单线隧道完成施工时，路基的最大竖向变形为0.58 mm；侨城东路隧道双线施工完成之后，路基的最大变形为0.82 mm，远小于规范要求的15 mm，满足安全要求。

3.3 爆破振速安全分析

根据《广州局集团公司地方涉铁工程建设管理办法》(广铁科信发〔2019〕103号)相关规定，在铁路线路路堤坡脚、路堑坡顶、铁路桥梁外侧起向外各1 000 m范围内，以及在铁路隧道上方中心线两侧各1 000 m范围内，原则上不得从事露天采矿、采石或者爆破作业，特殊情况下确需从事的，须采取可靠安全防护措施。综合《爆破安全规程》(GB6722—2014)，根据《铁路工程爆破振动安全技术规程》(TB10313—2019)，结合类似工程的经验，为确保运营高铁隧道的安全运行，隧道安全运营控制振速取值2 cm/s。振动速度公式采用萨道夫斯基公式(1)。

(1)

表6 K，α取值

表7 爆破振速计算

根据计算结果可得，理论爆破振速控制在2 cm/s的范围内。当起爆点距离隧道下方中心线直接距离为30 m处时，理论计算求得的爆破振速为1.74 cm/s，安全系数为1.15；当起爆点距离隧道下方中心线越远，同样起爆药量下，爆破振速越小。

4 结 论

(1)侨城东路北延通道施工对广深港高铁隧道的影响满足规范要求的控制限值，对高铁隧道的结构安全与运营安全影响较小：广深港羊台山隧道结构最大变形值1.16 mm；广深港羊台山隧道二衬结构轴力值为5 745 kN，弯矩最大值为304.63 kN·m，安全系数最小值为9.09，远大于安全系数限值3.6；广深港羊台山隧道路基的最大变形为0.82 mm；广深港羊台山隧道轨道的最大轨向位移为0.08 mm；轨道的最大竖向变形为0.68 mm。均小于本工程控制建议值。

(2)计算得出最大爆破装药量为6.21 kg。当起爆点距离隧道下方中心线越远，同样起爆药量下，爆破振速越小。

(3)新建隧道应加强现场施工监测量测，严格控制地表沉降及爆破振速。在新建隧道施工前应对已有的高铁隧道进行一次全面检测，了解既有隧道的结构现状，若已产生隧道病害，应先采取相应措施整治病害、再行爆破施工；施工期及观察期可采用自动化监测仪器对既有隧道结构沉降、爆破振速及结构净空收敛等进行监测。