摘要：文中通过数值模拟分析上下交叉穿越隧道在施工过程中的影响，并对主要的风险控制措施进行研究，以保证新建工程隧道在邻近既有隧道施工时的工程进度和施工质量，减轻或避免影响既有高铁隧道的结构及运营安全。
关键词：高铁隧道；交叉跨越；数值模拟；风险对策
0引言
高速铁路是国家重要的交通基础设施，作为大众化的交通运输设施，承担着繁重的客货运任务。铁路安全事关人民群众的生命财产安全，也影响着我国经济的发展。根据铁路管理要求，在设计施工过程中，需始终遵循“安全第一、预防为主、综合治理”的安全生产准则。临近既有高铁隧道的市政隧道工程暗挖施工安全风险涉及两个方面的问题：一是新建涉铁工程自身的安全；二是新建涉铁工程的建设与运营对铁路的安全影响。涉铁工程必须采取安全可靠的结构形式、施工方案、施工工艺，确保工程的绝对安全，重点突出对铁路安全的影响。本文通过数值模拟手段进行影响分析，保证新建工程施工建设的安全性。
1工程概况
1.1市政隧道概况
市政工程隧道左右线均采用矿山法施工，为双向六车道规模。该段隧道长约780m，隧道平面曲线半径为1850m，设人字坡，从进口到出口依次为4%（上坡），坡长为411m，-4%（下坡），坡长369m。交叉节点段采用单孔单层断面形式。建筑限界（W×H）为13.5m×4.5m，路面设置2%的单坡。主线三车道建筑限界组成为3.75m×2（机动车道）+3.5m（机动车道）+0.5m×2（路缘带）+0.75m×2（检修道）=13.5m，行车通行净高4.5m。设计时速为80km/h。隧道采用钻爆法施工，洞高11.3m，洞宽16.6m。隧道初期支护型式为工字钢、钢筋网片、锚杆、喷射混凝土，二次衬砌浇筑方式为整体式模板台车，采用抗渗钢筋混凝土。考虑到该隧道开挖断面较大，坚持“化整为零”的原则，对于Ⅴ级围岩地段及Ⅳ级围岩浅埋段，严格按照CD法施工，施工过程中做好监控量测工作，为保证变形控制，中隔壁临时支护拆除时机必须在初期支护变形收敛后进行。
1.2高铁隧道概况
该高铁线路采用板式无砟轨道，设计时速350km/h，运营时速300km/h。隧道全长4759m，施工方式为钻爆法，洞高12.74m，洞宽14.86m。交叉区隧道结构因节点交叉原因，施工期间已加强为III级复合式衬砌：初期支护结构的拱墙为15cm厚的挂网喷射混凝土（C25），二次衬砌拱部为40cm厚的C30混凝土，仰拱采用55cm厚的C30混凝土。市政工程隧道左线与广深港高铁隧道平面交叉角度为51°，右线平面交叉角为53°，左右线与高铁隧道之间的结构净距分别为21.976m、21.596m。隧道交叉段地质共6层，从上至下依次为含砾质粉质粘土、砂质黏性土、全风化中粒花岗岩、强风化中粒花岗岩、中风化中粒花岗岩、微风化中粒花岗岩。交叉段市政隧道围岩等级为Ⅴ级围岩，岩体完整程度为较破碎~破碎，岩石属极软岩~软岩，整体上呈碎石状镶嵌结构及碎石状压碎结构/镶嵌碎裂结构，围岩自稳定性差、易坍塌变形，如处理不当，则会出现大坍塌，侧壁经常出现小坍塌。交叉段高铁隧道所处围岩为III级。围岩自稳性较好，无支护时，暴露时间长可能产生局部小坍塌，侧壁基本稳定。
2技术要求
新建市政隧道的施工一定程序上会给高铁隧道运营带来风险，需对该风险进行预判和采取控制措施，以保证高铁的运营安全。结合相关文献，并参考既有的成功工程经验，本文提出如下控制标准值：（1）高速铁路正线无砟轨道变形控制值为：高低位移2mm，轨向位移2mm，轨距±1mm，扭曲2mm/（3m）。（2）隧道纵向隆起、沉降值控制为±5mm，结构拉应力增量容许值为0.5MPa，压应力增量容许值为2.0MPa。（3）无砟轨道路基工后沉降按15mm变形要求控制，以满足变形后线路路基的平顺，保证在扣件调整能力的的范围内保持结构稳定性。（4）按照GB6722–2014《爆破安全规程》的相关规定，振动速度10~20cm/s是交通隧道结构安全的允许范围。按照TB10313-2019《铁路工程爆破振动安全技术规程》，铁路路基和结构爆破振动安全允许值3~4cm/s。结合既有类似工程的安全控制标准，同时考虑到该高铁线路的重要性，以及该段高铁隧道的围岩资料、衬砌结构参数等现状情况，控制爆破振速取值为2cm/s，以保证隧道安全运营。
3隧道施工风险模拟分析
为研究上跨隧道施工对既有隧道结构变形及振动安全的影响，本次采用有限元软件GTSNX对该工程详细工可进行模拟分析［1-2］。为充分考虑隧道开挖的影响范围并消除模型边界效应，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倍为开挖洞径，土体应力应变关系采用摩尔—库伦准则。本次模型分析共划分36485个网格单元，生成25945个网格节点。模型顶面为无约束边界，地面同时约束X、Y、Z三方向位移，四个侧面约束X、Y方向位移。根据以上假设，建议三维有限元数值模型如图1所示：计算时，围岩和衬砌结构参数取值根据实际设计文件中的相关参数，物理力学指标根据岩土工程勘察报告选取，报告中未明的参数参考相关规范。钢拱架的弹性模量采用参数换算替代的方式，考虑到喷射混凝土计算参数中，模拟初支结构中的钢拱架作用效果。为简化计算，考虑系统锚杆等施工辅助措施以提高周边土体参数的形式体现在模型中。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。本计算考虑爆破施工引起的振动速度为2cm/s。因该节点处于Ⅴ级围岩地段，施工开挖方法严格采用CD法，根据CD法施工的工艺流程，模拟市政隧道的开挖工况。基于上述建立的数值计算模型，按照新建隧道上跨高铁隧道实际开挖工况进行数值模拟，计算高铁隧道二衬结构的内力最大值及安全系数最小值，以及路基、轨道及隧道结构的沉降值和差异沉降值。计算结果提取时，为避免模型边界约束的影响，剔除两端一倍洞径范围内的计算值，再从中提取各部位的最大值。根据计算结果，可得出如下分析结论：（1）高铁隧道结构最大变形值1.16mm，小于本工程建议保护标准5mm。（2）高铁隧道二衬结构轴力值为5745kN，弯矩最大值为304.63kN•m，安全系数最小值为9.09，大于规范安全系数限值3.6。（3）高铁路基的最大变形为0.82mm，小于规范限值15mm。（4）高铁轨道的最大轨向位移为0.08mm，最大竖向位移为0.68mm，小于高速铁路正线无砟轨道位移控制值2mm。因此，新建隧道上跨施工对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。
4风险控制措施
4.1爆破振动控制
为保证既有高铁隧道的正常运营，必须尽可能将施工风险降至可控范围。因此，有必要在分析爆破振动对现有高速铁路隧道结构的影响基础上，设计爆破专篇。同时，在施工过程中，做好现场跟踪监测，根据信息化施工反馈，调整爆破参数，以确保高速铁路隧道运营安全［3-4］。根据《爆破安全规程》相关规定，可以结合萨道夫斯基公式求出起爆点距离铁路隧道交叉点处不同位置爆破振速控制2cm/s时相应同段起爆最大药量，对于交叉处既有铁路隧道两侧50m范围内的爆破开挖，须严格控制相应的装药量和爆破振速。交叉里程两侧0~10m范围建议设置为严格施工段，严格控制同段起爆最大药量，10~50m为控制段，该段范围根据上述允许平均药量作相应调整，以满足施工及控制要求。（1）掏槽方式的正确选择。楔形的掏槽方式能够通过凹面的易投掷和减振效果，以达到最大程度减少振动的目的。（2）适当选择炸药种类。炸药种类影响了施工过程中造成的爆破振动速度，在选取合适的炸药类型的过程中，应充分考虑相关项目的工程地质。（3）合理划分爆破分段，并控制各分段的装药量。隧道爆破各分段的最大炸药量很大程度上决定了爆破振动速度，合理划分爆破分段，并控制各分段的装药量，对降低爆破施工的影响有较大作用。（4）选取合适钻爆参数。应通过现场测试及相关实验来确定合理的钻爆参数，结合新建隧道的断面尺寸、与既有工程的相对位置、交叉节点的工程地质条件等来选择。（5）采用先进技术。选择数字电子雷管，基于微分原理技术减弱爆破造成的振动强度。将总爆破药量根据实际情况进行分组，各分组炸药引爆顺序按毫秒间隔执行。（6）选择合理的开挖工法。应尽可能分部开挖减小单次掌子面面积，从而减少每次的爆破装药量，控制爆破振动速度，降低新建工程施工对高铁隧道结构的安全影响［5］。
4.2其他工程措施
（1）为避免后期市政隧道运营过程中，车辆等振动荷载对高铁隧道的影响，可结合地质情况，考虑对市政隧道结构底部采取隔振措施。（2）交叉区域地质条件复杂，在施工过程中应进一步核实地质调查资料，加强地质超前预报工作，对施工开挖方法和支护参数及时进行调整，实行动态化施工。（3）可依据《铁路工务安全规则》，在施工交叉点两侧设置减速信号牌，防护人员应随时掌握列车运行情况，提醒、监督施工作业人员遵守相应规定，列车达到施工地点前10min，建议停止影响列车运行的施工工序。时刻关注既有线路状态，制定好应急预案。（4）现场量测是监测围岩稳定性和检查设计施工方案是否合理、是否安全的重要手段之一。通过监控量测，能够及时将相关信息反馈给设计和施工方，在施工过程中及时调整初支、二次衬砌的设计与施工方案，从而达到安全快速施工的目的。
5结语
依据高铁隧道与市政工程位置关系、荷载、环境等因素，对影响范围内的风险进行了分析。参照相关沉降变形控制标准，结合计算结果，提出风险控制措施。通过三维数值模拟计算、理论分析等，能够判断该新建市政隧道施工对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。交叉处既有铁路隧道两侧50m范围内的爆破开挖须严格要求相应的装药量，控制爆破振速。交叉里程两侧0~10m范围建议设置为严格施工段，采用电子雷管微差爆破，严格控制同段起爆最大药量，10~50m为控制段，该段范围根据上述允许平均药量相应调整，以满足施工及控制要求。同时，应及时与铁路工部门联系，编制详细的控制爆破施工组织方案及爆破防护方案，爆破施工组织方案及爆破防护方案需经有关部门批准后方可施工。施工过程中，严格按照（铁运〔2012〕280号）《铁路营业线施工安全管理办法》《铁路营业线施工及安全管理实施细则》等相关施工安全规范进行施工并加强防护。
作者：林辉 单位：中铁上海设计院集团有限公司
