既有线下八达岭过境线隧道施工数值模拟分析

既有线下八达岭过境线隧道施工数值模拟分析

高文学^1，2　赵　鑫³　张　羽⁴　王晓宏⁴　揭庆芳⁴

（1北京工业大学建工学院　北京　100022；

2城市与工程安全减灾省部共建教育部重点实验室　北京　100022；

3北京市路政局　北京　100053；4路桥集团国际建设股份有限公司　北京　100027）

摘　要　根据围岩地质条件的变化，合理进行隧道结构设计和施工方法选择，满足工程安全性、适用性、耐久性的要求，则是公路隧道等地下工程建设需要关注的关键问题。本文结合既有线下公路隧道不同施工方法进行数值模拟，通过分析围岩和支护结构在不同施工条件下的应力、位移场的变化规律，探讨了既有线下公路隧道最优施工方案。研究结果对工程施工与监控具有指导作用。

关键词　公路隧道　下穿既有线　施工方法　数值分析

1　引　言

“新奥法施工技术”在我国广为应用。目前采用的主要施工方法有全断面法、台阶法、CD法和CRD法等。如何根据围岩地质条件的变化，进行合理的隧道结构设计和施工方法选择，在经济合理的前提下满足工程安全性、适用性、耐久性的要求，则是公路隧道等地下工程需要解决的关键问题。

根据围岩地质条件，台阶法主要适用于Ⅳ，Ⅴ级围岩且含软弱夹层带或节理发育地段。其特点是随着台阶长度的缩短，拱顶位移、地表沉降等明显减小。因此，根据围岩破碎程度，可调整台阶长度。CD法和CRD法则是在台阶法施工的基础上，对上台阶进行分步施工，先开挖一侧，再进行支护，另一侧开挖时保留中间的格栅钢架等支护措施。上台阶开挖完成后进行下台阶的开挖。其特点是，对于十分破碎的岩土体开挖效果明显，既能减少对岩土体的扰动，又能发挥岩土体自身的稳定性。缺点是工序复杂，不利于机械化施工，工程进度较慢。

不同的施工工法各有其适用条件，为了确保隧道工程的安全，施工前应充分考虑工程地质条件、隧道埋深和断面尺寸、围岩级别、施工进度与安排等因素。本文结合八达岭过境线公路隧道下穿铁路段的不同施工方法进行数值模拟，通过分析围岩和支护结构在不同施工条件下的应力、位移场分布的分布规律，并进行对比分析，探讨既有线下公路隧道施工的最优方案。分析结果对工程施工具有一定的指导作用。

2　工程概况

研究区域选择在八达岭过境线隧道进口段。该隧道位于军都山腹地，延庆八达岭镇境内，始于青龙桥，连续下穿京包铁路、八达岭长城、野生动物园、八达岭高速公路，终止于东沟村。设计为上下分离式双洞隧道，单跨净宽为9．2 m，净高为8．4 m。在京包铁路处左右隧道测设中线间距26 m。隧址区内主要分布燕山期侵入的花岗岩及其晚期脉岩侵入，地质构造形迹为燕山早期以来形成的，地貌上属剥蚀中低山区。

既有京包铁路在此处为“之”字形线路，隧道左线测设中线ZK0＋330处与京包铁路相交，对应京包铁路里程K70＋430，交角为75°4′，隧道右线测设中线K0＋324处与京包铁路里程K70＋404，交角为76°41′。左线隧道上方京包铁路两股道在同一平面上，两股道之间有一组道岔，岔尖里程K70＋425，右线隧道上方京包铁路两股道存在0．5 m的高差。京包铁路轨底与隧道设计结构顶部距离约为11．4 m。

3　隧道施工方法数值模拟

3．1　施工方案数值模拟

根据地质资料，既有铁路下方为各类风化花岗岩，根据围岩地质条件的变化，设计采用台阶法、CD法、CRD法等进行施工，如图1所示。基于3种施工方法，进行有限元数值模拟计算。通过对不同的施工方法下围岩和支护结构的应力场、位移场的分析，评价3种施工方法的合理性，得出最佳的施工方案。

图1　不同地质条件下隧道施工方法

3种施工方法的数值模拟施工步骤如下：

方案1（台阶法）：第1步模拟原始地应力情况下的围岩应力状况；第2步模拟右洞上台阶开挖；第3步模拟右洞上台阶施工初期支护；第4步模拟右洞下台阶开挖；第5步模拟右洞下台阶初期支护；第6步模拟右洞二次衬砌施工；第7步模拟左洞上台阶开挖；第8步模拟左洞上台阶施工初期支护；第9步模拟左洞下台阶开挖；第10步模拟左洞下台阶初期支护；第11步模拟左洞二次衬砌施工。

方案2（CD法）：第1步模拟原始地应力情况下的围岩应力状况；第2步模拟右洞①室开挖；第3步模拟右洞①室初期支护和中隔工字钢支护；第4步模拟右洞②室开挖；第5步模拟右洞②室初期支护和中隔工字钢支护；第6步模拟右洞③室开挖；第7步模拟右洞③室初期支护和中隔工字钢支护；第8步模拟右洞④室开挖；第9步模拟右洞④室初期支护；第10步模拟右洞⑤室开挖；第11步模拟右洞⑤室初期支护；第12步模拟右洞⑥室开挖；第13步模拟右洞⑥室初期支护；第14步模拟右洞整体二次衬砌施工。左洞模拟与右洞完全相同。

方案3（CRD法）：开挖、衬砌过程与方案2工序相同，只是具体开挖部位不同；方案2是从左到右，方案3则是从上到下。

3．2　数值分析计算模型

根据地质勘测报告，基于同济曙光有限元软件进行数值分析，采用弹塑性模型、平面应变单元进行模拟；隧道采用复合型支护结构，初期支护包括在隧道拱部采用小管棚注浆加固超前预支护；在隧道边墙采用中空式注浆锚杆、格栅、钢筋网、喷射混凝土等初期支护；二次支护为40 cm厚钢筋混凝土；隧道开挖采用机械破碎配合钻爆法施工。围岩类型、锚杆、钢支撑、喷射混凝土、二次衬砌的参数见表1。模型左右边界设置为水平约束，底部为竖直约束，具体计算模型如图2所示。

表1　岩层及复合衬砌参数信息

图2　数值模拟模型

当列车驶过隧道上方时对隧道开挖影响最大。假设机车为3₀-3₀轴式的东风9（DF9）型，轴重23 t，固定轴距为400 cm，两转向架之间的距离为1 190 cm，机车通过隧道顶部时视为一均布荷载分析。

3．3　数值模拟结果分析

3．3．1　主应力分析

由于施工方法的不同，导致了围岩应力分布形式和应力大小的不同。从最大主应力的分布来看，隧道在拱顶、仰拱处围岩均出现拉应力，侧墙则为压应力；从应力分布图来看，由于方案1（台阶法）开挖过程中岩体面积暴露较方案2、方案3大，导致底脚和侧壁处产生应力集中，且明显高于其他两个施工方案，如图3所示；采用方案2和方案3施工时，由于采用分步多洞室开挖和初衬，应力逐步释放，加之中隔墙采用工字型钢支撑，初衬作用明显，应力分布相对比较均匀；从应力分布形式和应力大小分析，方案2（CD法）和方案3（CRD法）区别不大，但从方便施工和监控量测、提高工程效率等方面分析，CRD法优于CD法。另外，设置仰拱后，底脚处的塑性区范围变小，因此要求仰拱超前，及早形成封闭结构，对提高底部承载力，稳定整个隧道结构具有重要作用。

基于上述分析，既有线下隧道开挖采用CRD法施工是合理的。

图3　不同施工方案应力分布图

3．3．2　位移分析

拱顶下沉及边墙水平收敛对隧道围岩的松弛有较大影响，同时也是量测监控判定隧道失稳的一个关键指标。在对各施工方案位移变化进行分析时，主要考虑隧道竖直和水平方向的最大位移。采用方案1时，竖直方向最大位移为1．41 cm，如图4（a）所示；采用方案2、方案3施工时，竖直方向最大位移分别为1．14，1．08 cm，如图4（b），（c）所示；水平方向位移主要集中在两侧边墙，3种施工方案，边墙位移分别为0．34，0．28，0．29 cm。方案1的竖直位移较其他两种施工方法的位移大，为方案2的123．7%，为方案3的130．6%；方案1水平方向最大位移分别是方案2的121．4%，方案3的117．2%。究其原因，方案1由于开挖断面大，拱脚处岩体发生较大的水平收敛，从而导致竖直和水平位移均大于方案2和方案3。

从控制隧道最大沉降量，确保既有铁路线的运营安全，方便施工和监控量测，减少对临洞的开挖影响等方面综合分析，方案3优于其他两种施工方法。

图4　不同施工方案位移分布图

4　结　语

基于既有线下公路隧道的施工，通过对不同施工方案的数值模拟分析，得出如下几点结论：

①在相同的围岩地质条件下，由于施工方法的不同，产生不同的应力、位移场分布。台阶法虽然施工方法简单，但由于开挖断面大，施工引起的应力集中、位移变形也较大，不利于既有线下隧道施工的安全。CD法、CRD法由于采用分步多室开挖和衬砌，应力和变形得到有效控制，并能尽快封闭结构，对提高承载力，稳定整个隧道结构具有重要作用。

②对于相同或相似的施工方法，由于施工工序的不同，也会产生不同的结果。CD法和CRD法应力分布、位移变化规律相似，但从控制最大沉降量、方便施工和监控量测、提高工程质量和效率等方面分析，CRD法优于CD法。

③对于比较坚硬的岩石采用钻爆法施工时，应严格遵循“短进尺，弱爆破，勤量测，早封闭”的原则，并通过综合监测优化爆破设计，严格控制爆破震动对既有铁路、洞口边坡以及临洞的影响，确保隧道施工的安全。

参考文献

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