新建公路隧道上穿既有铁路隧道施工方案比选
摘要：新建公路隧道上穿既有铁路隧道的施工方案选择是否合理直接影响到既有铁路隧道的安全性。依托新建巴通万高速的羊子岭隧道上穿既有襄渝铁路二线隧道工程，比选了两台阶法、两台阶开挖预留核心土法及CD法施工对既有隧道的影响。研究结果表明：多步开挖能有效减少拱部及仰拱应力释放，减小隧道周边位移及仰拱上浮量；两台阶法施工对既有隧道影响较小，满足工程安全要求；地质条件较好且净距较大的交叉隧道工程，可以考虑不采用辅助措施进行施工。相关经验可供类似工程开挖施工借鉴。
关 键 词：近接施工； 工法优化； 既有隧道； 两台阶法； 两台阶开挖预留核心土法； CD法
随着我国经济的发展和西部大开发战略实施，基础设施需要加快建设的步伐，铁路公路交通网络需要不断完善，新建隧道穿越既有隧道的情况日渐增多且穿越情况越来越复杂。国内外许多学者对立体交叉隧道施工的力学行为进行过一些研究，研究的重点主要集中在3个方面：① 隧道开挖围岩的地层应力和变形问题[1-3]；② 邻近洞室净间距的优化[4-6]；③ 新建隧道施工对邻近既有隧道的影响[7-9]。立体交叉隧道的研究水平不断提高，研究内容也不断深入[10]。对于城市地区穿越既有隧道，隧道间净距较小，穿越情形复杂，新建隧道的施工会对既有隧道产生复杂的动力效应，为了保证既有隧道的安全运营，城区隧道施工往往采取偏保守、安全性较高的方案[11-12]，但对于隧道净距相对较大的情况，设计和施工方案创新远远落后于科研进展，很多研究成果未应用于实际工程。
本文依托新建巴通万高速羊子岭隧道上穿既有襄渝铁路二线隧道工程开展研究。新建隧道左右线间隔约28 m，与既有隧道的净距约18 m，隧道施工所产生的相互影响将被削弱，若按照既有交叉隧道施工经验指导该项目，虽安全度较高，但过于保守，造成不必要的施工浪费，且严重影响工期。因此，本文通过数值计算以及现场测试，对比分析了不同施工工法对既有隧道的影响，通过分析既有隧道衬砌变形，提出合理设计施工方案，以期对相似工程提供参考。
1 工程概况
羊子岭隧道位于巴通万高速路段，左右线分别在ZK231+193.753、K231+171.228处上跨襄渝铁路二线羊子岭铁路隧道，左线全长972 m，上跨铁路桩号为K441+490；右线长974 m，上跨铁路桩号为K441+524.74，相对位置见图1。
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图1 新建隧道与既有隧道相对位置示意(单位：m)
Fig.1 Plane and profile position of newly building tunnel
and built tunnel on Xiangyu second line
新建羊子岭隧道为双线双车道公路隧道，左线埋深约140 m，右线约100 m，全洞身主要穿越岩溶角砾岩，局部为白云质灰岩，胶结极差；洞身裂隙发育-极发育，岩体破碎，呈碎裂结构，局部见溶蚀现象。隧道进口为银沟河，河谷干涸，河水在河床下部岩溶管道内通过，在路线右侧约650 m(675 m高程)附近形成明流，可见隧址区地下水侵蚀基准面基本在670 m高程附近;隧道出口下方为后河，河谷宽缓，河床标高为671 m，雨季水流量大。工程区地下水类型及富水性较复杂，主要为第四系松散堆积层孔隙水和碳酸盐岩类裂隙溶洞水，因此该区的白云质灰岩为主要的含水层。钻探结果揭示，场地无统一地下水位，出口钻孔均为干孔，孔底设计标高为701. 06 m，且钻探过程中钻孔全孔漏水。隧道结构跨度约13 m，高度为7.15 m，新建隧道衬砌支护参数:① 初期支护为喷C20喷混凝土(拱墙、仰拱、厚度24 cm)+Φ22药卷锚杆(长3 m,环×纵间距2.1 m×1.2 m)+Φ8钢筋网(20 cm×20 cm);② 加强支护使用I18型工字钢钢架，间距0.6 m；③ 二次衬砌喷C30钢筋混凝土(拱墙、仰拱均厚50 cm)。既有隧道衬砌支护参数:① 初期支护为喷C20喷混凝土(环拱)+Φ22药卷锚杆(长2.5 m,环距1 m，排距1 m)+Φ8钢筋网(25 cm×25 cm);② 加强支护使用钢架；③ 二次衬砌喷C25钢筋混凝土(拱墙、仰拱分别厚30 cm和40 cm)。新建羊子岭隧道断面及既有襄渝铁路二线隧道断面见图2。
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图2 隧道横断面(单位：cm)
Fig.2 Cross-section of tunnel
为减小新建隧道对既有隧道的影响，设计时建议新建隧道采用两台阶开挖预留核心土法，既有隧道施工斜井用素混凝土封堵，禁止爆破，后续施工过程中施工单位通过设计进行变更，同意采用控制爆破施工，爆破震速需小于2.4 cm/s，施工步距不大于2 m。
根据以往经验，铁路运营要求既有襄渝铁路二线隧道衬砌及轨道变形不得大于4 cm，应力不得超过C30混凝土极限强度。
2 施工工法理论计算比选
2.1 计算模型建立和参数选取
本文采用FLAC3D大型通用有限差分软件进行计算分析，为了尽可能消除边界影响，该计算模型取长150 m、宽175 m、高185 m，实体单元采用莫尔-库仑弹塑性准则来模拟土体，弹性实体单元来模拟隧道二次衬砌和初期支护，整体网格划分见图3，相对位置关系见图4。
根据该工程的地质勘察报告中取值，并参照地勘报告及万源地区相关工程的地层参数取值，地质土层的主要物理力学参数见表1。钢筋混凝土本构关系采用整体式的理想弹性模型，有关钢筋和混凝土物理参数按规范取值，见表2。
2.2 计算工况
为了有效地指导该工程施工，控制开挖时既有隧
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图3 FLAC3D计算模型
Fig.3 Computing model by FLAC3D
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图4 交叉隧道透视图
Fig.4 Perspective of cross tunnel
表1 土层计算参数
Tab.3 Calculation parameters of soil layer
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表2 混凝土和钢筋计算参数
Tab.2 Calculating parameters of concrete and steel bars
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道变形，初步拟选两台阶开挖预留核心土法、两台阶法和CD法进行分析对比，施工具体方案见图5～7，施工顺序按照图中标注进行。数值计算中步长均为2 m，初期支护按落后掌子面2 m支护，各台阶步距为8 m，初期支护成环后30 m进行二次衬砌。
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图5 两台阶开挖预留核心土法
Fig.5 Reserved core soil method for two steps excavation
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图6 两台阶法
Fig.6 Two steps method
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图7 CD法
Fig.7 CD method
2.3 计算结果分析
新建羊子岭隧道左右线分别穿过既有铁路隧道及施工斜井，为了保证既有铁路隧道的运营安全，新建隧道施工之前将既有铁路隧道施工斜井进行了混凝土封堵，故后续分析时，仅对既有铁路隧道正线二次衬砌变形进行分析,主要包括既有铁路隧道衬砌的左右边墙、左右拱腰、拱顶等特征部位竖向变形，特征部位分布见图8。两台阶开挖预留核心土法施工后衬砌位移变化曲线如图9所示。
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图8 特征部位示意
Fig.8 Diagram of characteristic positions
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图9 特征点竖向变形增量曲线
Fig.9 Vertical deformation increment curve of
characteristic points on Yangziling tunnel
由于施工完成后左侧隧道交叉处变形较大，故既有铁路隧道交叉点处的横断面在不同隧道施工状态时的变位情况见图10,其中Ux和Uy分别为考察点的水平及竖向位移。
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图10 既有隧道横断面变形(单位：mm)
Fig.10 Cross-sectional deformation of existing tunnel
在整个上浮过程中，上穿隧道施工完成后，左、右边墙累计上浮量不同，左边墙较右边墙上浮大，左拱腰及拱顶最终上浮量相等，右拱腰较左拱腰上浮量稍小，但差别不大。说明由于上下隧道大角度交叉重叠使下部隧道断面向右发生了较小的偏转，这使隧道衬砌在横断面容易产生拉伸变形，即产生较大的拉应力增量。由图9可知，既有隧道衬砌最大位移处于拱顶处，且3种施工工法衬砌变形规律基本相同，故仅以既有隧道拱顶位移进行分析，得到了3种施工工法开挖新建隧道时既有隧道拱顶处位移曲线如图11，12所示。新建羊子岭隧道施工对既有铁路隧道衬砌的影响主要来自于新建羊子岭隧道自身的土体开挖，即上部隧道施工的“卸载”作用，使既有铁路隧道衬砌表现为上浮。
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图11 不同工法下新建隧道左线穿越既有隧道后
既有隧道位移曲线
Fig.11 Displacement curves of existing tunnel after the left
line of newly built tunnel crossing existing tunnel under
different construction methods
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图12 不同工法下新建隧道右线穿越既有隧道后
既有隧道位移曲线
Fig.12 Displacement curves of existing tunnel after the right
line of newly built tunnel crossing existing tunnel under
different construction methods
由图11,12可知，当右线隧道施工完成时，既有隧道拱顶最大位移增量为3.3 mm，此沉降说明采用两台阶开挖预留核心土法施工对既有铁路隧道影响较小，以设计采用的两台阶开挖预留核心土法施工导致既有隧道拱顶变形为基准，台阶法施工时既有隧道拱顶衬砌位移为3.4 mm，使既有隧道拱顶衬砌量增加3.0%；CD法施工时既有隧道拱顶衬砌位移为2.5 mm，使既有隧道拱顶衬砌量减小24.2%。
对隧道进行分部开挖，主要是为了抑制隧道开挖后拱部下沉，而学者们对开挖后仰拱卸载的上浮关注相对较少。1993年，仇文革提出穿越软弱围岩隧道工程时，设置仰拱能够有效控制洞室周边位移[13]。本次研究对新建隧道仰拱变形进行了计算分析，不同施工工法下新建隧道仰拱随开挖部变形曲线见图13。
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图13 不同施工工法下新建隧道仰拱随开步变形曲线
Fig.13 Deformation curves of inverted arch along excavation
steps of new tunnels under different construction methods
由图13可知，采用两台阶开挖预留核心土法施工，卸载后拱顶上浮45 mm，而台阶法、CD法分别为51 mm和38 mm，台阶法较之增加13.3%，CD法较之减小15.6%。
综上所述，多步开挖能有效减少拱部及仰拱应力释放，从而减小隧道周边位移及仰拱上浮量，但开挖步过多不仅工序转换复杂，还大量增加施工预算和延长工期。对于该工程，3种施工工法均能够满足施工及既有隧道运营安全要求。CD法在控制既有隧道变形上优于两台阶开挖预留核心土法及两台阶法，但是施工技术复杂、造价高、施工进度慢；而两台阶法产生的位移较两台阶开挖预留核心土法小，且施工速度快、工序简单、成本较低。综合考虑施工安全及施工成本，建议采用两台阶法作为隧道开挖方法。
3 既有隧道衬砌现场测试分析
为了验证上述分析的正确性，在现场交叉段进行了对比试验。2017年10月23日至11月30日，施工左线隧道的ZK231+180～ZK231+230段，采用两台阶开挖预留核心土法，控制爆破开挖；2017年11月1日至12月5日，施工右线隧道的YK231+170～YK231+220段，采用两台阶法，控制爆破开挖。
由于条件所限，无法对衬砌围岩压力、钢筋应力等进行监测，故仅监测二衬变形(拱顶沉降、轨道变形)以及衬砌表面应力。在既有隧道内与新建隧道左、右线立面相交处设置断面1(K441+490)、断面3(K441+524.74)，断面2(K441+507)位于断面1、3中间，各断面均布置2个断面进行监测，拱顶沉降及轨道变形通过设置监测点利用水准仪进行监测，衬砌表面应变通过在二衬内表面粘贴混凝土应变计利用振弦仪进行监测。由于既有铁路隧道仍在运营且受空间及经费限制，采用的是人工监测，利用天窗时间及行车间隔每天测试1次。
断面布置见图1，位移量测点及衬砌表面应力监测点见图14。
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图14 衬砌表面应力监测点
Fig.14 Lining surface stress monitoring points
3.1 拱顶、轨道变形分析
既有隧道拱顶、轨道变形的施工监测结果如图15所示。由图15可知：左线施工时(两台阶开挖预留核心土法)，既有隧道断面1拱顶累计位移达到最大值2.1～2.2 mm且趋于稳定，轨道累计位移为0.3 mm且趋于稳定；断面2拱顶产生0.5 mm位移、轨道产生0.05 mm位移；断面3拱顶产生0.1 mm位移、轨道产生位移为0。
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图15 断面拱顶及轨道累计位移
Fig.15 Cumulative displacement of vault and track
右线施工时(两台阶法)，既有隧道断面3拱顶累计位移2.7 mm，轨道累计位移为0.4 mm，使断面2拱顶累计位移增加到1 mm、轨道累计位移增加到0.1 mm。如图15(a)所示，右线开始施工时，左线尚未施工结束，拱顶及轨道变形继续成正比增加，未发生突变，因而右线施工对断面1影响较小。
综上所述，不同工法下左右线隧道的施工对既有隧道二次衬砌变形几乎不产生影响，左右线施工无相互影响。
3.2 衬砌表面应力分析
既有隧道衬砌表面应力施工监测结果如图16所示。由图16可知：断面1在左拱腰处产生最大拉应力约为0.1 MPa，在拱顶处产生最大压应力为0.02 MPa；而断面3在左右拱腰处产生最大拉应力约为0.6 MPa，在拱顶处产生最大压应力0.4 MPa。
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图16 断面特征点应力
Fig.16 Stress of characteristic points at different sections
由数值计算(见图10)及现场监测(见图15)结果可知，隧道整体呈上浮状态。衬砌拱顶受围岩挤压，使临空面侧受压；衬砌边墙受围岩不均匀上浮，产生拉伸作用，产生拉应力。故隧道除拱顶承受压应力外，左右边墙及腰拱皆承受拉应力。因隧道衬砌主要材料为素混凝土，受拉易开裂。实际监测结果显示，在混凝土受拉区即左右边墙及腰拱表面未发现新增裂缝，即左右线施工工法均能满足衬砌受力要求。
4 结 论
本文依托新建公路羊子岭隧道上穿既有襄渝二线铁路隧道工程，通过理论分析和现场试验，对既有隧道衬砌安全性进行分析，得到如下结论。
(1) 通过对两台阶开挖预留核心土法、两台阶法、CD法理论计算并对比可知，多步开挖能有效减少拱部及仰拱应力释放，从而减小隧道周边位移及仰拱上浮量，但开挖步过多不仅工序转换复杂，还大量增加了施工预算和延长工期。
(2) 3种施工工法均能够满足施工及既有隧道运营安全要求。CD法在控制既有隧道变形上优于两台阶开挖预留核心土法和两台阶法，但是施工技术复杂、造价高、施工进度慢。而两台阶法产生位移较两台阶开挖预留核心土法增加较小，且施工速度快、工序简单、成本较低。综合考虑施工安全及施工成本，建议采用两台阶法作为隧道开挖方法。
(3) 通过现场测试结果可知：当采用台阶法施工时，既有隧道位移及应力增量相较于采用两台阶开挖预留核心土法变化不大，均能保证既有铁路隧道正常安全运营。
(4) 对于地质条件相对较好及隧道净距较大的工程施工，可以考虑不采取辅助措施施工，以减少施工成本及缩短工期。
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