大跨度双连拱隧道施工对上方既有铁路的变形影响分析

摘要：通过有限元数值计算对大跨度双连拱隧道优化前后的开挖方法对既有线的影响进行了对比分析，从理论上论证优化后开挖方案的合理性。对两种开挖方案的对地层变形的影响进行了深入分析，以指导实际施工，并对制定合理的加固方案提供有效的理论指导。

关键词：大跨度双连拱隧道；地层变形；加固方案；数值模拟

中图分类号：U45文献标识码： A

引言

隧道施工在下穿既有线时，无可避免地要对地层产生扰动，造成上方既有线路的隆沉，影响运营；同时，既有线路处于运营状态也对新建下穿隧道的设计和施工提出了更高的要求。因此需要科学的制定考虑时空效应的开挖和支撑的施工设计方案，进而可靠合理的利用土体自身在开挖过程中控制位移的潜力，有效的控制地表隆沉变形，保证既有线路安全运营。

本文针对某新建客专4线双连拱隧道下穿既有线的隧道开挖方法进行了优化，通过有限元数值计算对优化前后的开挖方法对既有线的影响进行了对比分析。

1 工程概况

暗挖下穿隧道的里程段长度约为80m，拱顶埋深1.92～9.47m，隧道开挖跨度达28m。其支护结构横断面见图2-6-1。隧道采取的支护和加固措施为：

（1）超前支护：隧道拱部120°范围采用φ159×8mm双层管棚超前支护，管棚沿隧道外轮廓布置，环向间距30cm，排间距30cm；在隧道开挖过程中，设φ42×5mm超前小导管进行支护，小导管环向间距30cm，纵向间距1.0m，长2.5m。

（2）初期支护：初期支护喷射C25纤维早强砼，厚度为35cm，纵、横隔壁厚度为30cm，钢架采用型钢钢架，每0.5m设置一榀。

（3）防水及二次衬砌： 隧道全断面铺设自粘式防水卷材，二次衬砌C35P12钢筋砼浇筑。

（4）线路加固：采用注浆方式加固路基。

隧道开挖采用中洞法+CRD工法，将整个断面开挖横向分为侧洞和中洞共3个洞，单个洞室采用CRD工法开挖支护。先施工中洞，再对称自上而下施工两侧洞。

由于隧道洞身大部分位于砂层中，围岩稳定性极差，因此施工严格执行“小分块，多循环，快封闭，勤量测，及时支撑，步步成环”大断面初期支护体系的原则，严格控制每循环进尺在0.5m，每循环开挖结束后，立即喷射5cm厚混凝土封闭掌子面。

2 计算模型和相关物理力学参数

有限元模拟中所需的物理力学参数如下。

材料参数

表1 计算输入支护参数

表2 计算输入土层参数

不同开挖方案的有限元建模

图1 优化前的隧道开挖方案

图2 优化前开挖方案的有限元模型

图3 优化后的开挖方案

图4 优化后开挖方案的有限元模型

图5优化前的开挖方案中二衬施工前的竖向位移云图

图6优化后的开挖方案中二衬施工前的竖向位移云图

（4）两种开挖方案的地表沉降曲线

图7优化前的开挖方案施工过程中地表沉降变化曲线

图8 优化后的开挖方案施工过程中地表沉降变化曲线

根据优化前开挖方案和优化后开挖方案的土层变形和地表沉降的分析结果，可知，两种开挖方案的变形趋势基本一致，由于左右两隧洞的断面是不对称的，因此地表沉降也呈现出不对称的趋势，左洞的地表沉降要明显大于右洞；在施作完中隔墙后，中隔墙的支护效果明显，使得地表沉降呈现双峰曲线的形状，之后在进行开挖作业时，右洞开挖引起的地表沉降要明显大于左洞。

总体来看，优化前的开挖方案引起的地表沉降最大值为23mm左右，而优化后引起的最大地表沉降则为16mm左右，可见，从控制地表沉降的角度来看，优化后的开挖支护方案要明显优于传统的开挖支护方案。

3 结论与讨论

本文借助有限元软件对新建大跨度铁路隧道下穿既有线的不同施工方法对地表沉降的影响进行了计算分析，在相同土层状况和相同加固方案的条件下：

（1）单纯从不同施工方案对地表沉降的影响来看，优化后的隧道分部施工开挖方案要明显优于优化前的方案；

（2）由于该双连拱隧道断面的不对称性所引起的地表不均匀沉降应予以重视，如在隧道顶部区域采取不对称的加固方案。

由于岩土材料和工程地质的复杂性，数值模拟分析时极难选取合适的参数来反映现场实际，而且，由于施工工序的高度复杂性，采取二维平面应变分析对真实施工的模拟结果也有较大影响。这些都是有待于进一步研究和讨论的。

参考文献：

[1] 万灵．大跨度前埋深隧道施工对地表变形影响数值分析研究[D]．广州：广东工业大学岩土工程专业，2011

[2] 袁金秀，李现者.下穿既有客运专线浅埋大跨双连拱隧道施工方法比选[J]．河北交通职业技术学院学报，2012

[3] 赵玉肖．下穿既有客运专线城市铁路双连拱隧道施工方法优化[J]．中外公路，2013