维普资讯 http://www.cqvip.com ・隧道／地下工程・ 甬台温铁路前黄隧道下穿高速公路设计 刘 斌，宁茂权 （中铁第四勘察设计院集团有限公司城建院，武汉４３００６３） 摘要：结合软弱围岩隧道工程地质和支护设计特点，应用有 限元数值分析，并根据爆破安全性评价，为沿海通道甬台温铁 路前黄隧道下穿甬台温高速公路的设计方案提供依据。 关键词：铁路隧道；软弱围岩隧道；下穿高速公路；设计 中图分类号：ｕ４５５ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１００４—２９５４（２００８）０６—００９１—０３ 前黄隧道位于宁海县境内，为单洞双线隧道，里程 为ＤＫ６９＋７２９～ＤＫ７０＋２８４，隧道总长度为５５５ ｍ。隧 道出口ＤＫ７０＋２２６一ＤＫ７０＋２６３段下穿甬台温高速公 路（高速公路桩号为Ｋ８９＋５８８一Ｋ８９＋６１ １），路面与 隧道拱顶最小问距仅有３．０ ｍ；下穿高速公路地段，隧 道穿越花岗岩全～弱风化层，围岩较为破碎，裂隙较发 育，地下水为基岩裂隙水，较发育；再加上甬台温高速 公路交通繁忙，如何保证隧道施工安全和高速公路运 营安全是设计的关键。前黄隧道与甬台温高速公路平 面位置见图１。 宁波 温州 图１ 前黄隧道与甬台温高速公路平面位置 １ 隧道工程设计 １．１ 地质概况 前黄隧道位于低山区（Ⅱｂ），山坡植被发育；出口 地形平缓，高程在５０ ｍ左右，并下穿甬台温高速公路， 交通便利。 出口：燕山晚期侵入（ ５３）的钾长花岗岩，全风化 层为砂土状，厚８．０ ｍ，强风化为碎块状，厚７．０ ｍ，以 下弱风化。洞身穿越地层为弱风化层。 地下水主要为花岗岩节理裂隙及构造裂隙水，进 口可见少许基岩裂隙水渗出，出口地下水稍发育。 地震动峰值加速度小于０．０５ｇ。前黄隧道出口纵 断面见图２。 收稿日期：２００８—０１—１６ 作者简介：刘斌（１９７９一），男，工程师，２００３年毕业于长安大学，工学 学士。 铁道标准设计ＲＡＩＬＷＡＹ ＳＴＡＮＤＡＲＤ ＤＥＳＩＧＮ ２００８（６） 地质概况：花岗岩，全风化～弱风化，全风化呈砂状，厚 约８ ｍ，强风化呈碎块状，厚约７ ｍ，以下为弱风化，节 理发育，岩层较破碎。地下水为基岩裂隙水，稍发育。 图２ 前黄隧道出口纵断面（单位：ｍ） １．２设计概况 前黄隧道为甬台温铁路宁波至温州南段新建线路 双线隧道工程，隧道中旅客列车行车速度２００ ｋｍ／ｈ， 预留２５０ ｋｍ／ｈ提速条件，满足双层集装箱列车开行要 求中的新建电力牵引要求，轨面以上隧道有效净空面 积为９２ ｍ 。 前黄隧道下穿高速公路段采用复合式衬砌。初期 支护拱墙采用厚２８０ ｍｍ Ｃ２５网喷混凝土，仰拱采用厚 ２８０ ｍｍ Ｃ２５素喷混凝土；二次衬砌拱墙采用厚５００ ｍｍ Ｃ３０钢筋混凝土，仰拱采用厚６００ ｍｍ Ｃ３０钢筋混 凝土；仰拱填充采用Ｃ２０混凝土；拱墙网喷混凝土中 掺改性聚酯纤维，掺量为１．２ ｋｇ／ｍ ；钢筋网采用环纵 向为 ８钢筋，钢筋网格为２０ ｃｍ×２０ ｃｍ。 考虑到前黄隧道与甬台温高速公路净距仅为３ ｍ，因此设计中在ＤＫ７０＋２１５～ＤＫ７０＋２６０和ＤＫ７０＋ ２５０～ＤＫ７０＋２７９段拱部分别采用４，１ｏ８ ｍｍ超前长管 棚超前支护（长管棚环向间距０．４ ｍ布置），初期支护 采用Ｉ２０ａ钢架加强（钢架间距０．５ ｍ １榀布置），并在 ＤＫ７０＋２１５～ＤＫ７０＋２７９段采用ＣＲＤ法施工（图３）。 Ｉ１８临时 １１８横撑 喷１５ ｃｍ厚１ ｃ２５混凝土／ 笪／ Ｉ１８横撑／ 图３ ＣＲＤ工法示意（单位：ｍ） １．３结构数值分析 前黄隧道下穿甬台温高速公路设计理论依据ＡＮ． ＳＹＳ有限元软件，地层一结构模式，二维模拟分析隧道一 ９１ 维普资讯 http://www.cqvip.com ・隧道／地下工程・ 刘 斌，宁茂权一甬台温铁路前黄隧道下穿高速公路设计 围岩体系的应变一应力。 在有限元数据分析中，没有考 虑爆破影响。 第二步 模拟隧道拱部管棚施工； 第三步 模拟隧道第一块土体开挖及其对应的初 期支护及临时支护； （１）计算参数 地层地质计算参数：围岩采用ＤＰ材料模型，其弹 性模量为１．５ ＧＰａ，密度为１ ８００ ｋｇ／ｍ ，泊松比为 第四步第五步第六步模拟隧道第二块土体开挖及其对应的初 模拟隧道第三块土体开挖及其对应的初 模拟隧道第四块土体开挖及其对应的初 期支护及临时支护； 期支护及临时支护； 期支护及临时支护； ０．４０，内摩擦角为２５。，粘聚力为０．１２５ ＭＰａ。 高速公路路面层计算参数：弹性模量为１．３ ＧＰａ， 密度为２ ０００ ｋｇ／ｍ ，泊松比为０．３０。 隧道结构采用弹性材料模型，其中二次衬砌为 Ｃ３５钢筋混凝土，其计算参数为：弹性模量２９．５ ＧＰａ， 密度２ ５００ ｋｇ／ｍ ，泊松比０．２０；初期支护为Ｃ２５喷射 混凝土，其计算参数为：弹性模量２３ ＧＰａ，密度２ ２００ ｋｇ／ｍ ，泊松比０．２２；仰拱填充及其边沟为Ｃ２５混凝 土，其计算参数为：弹性模量２８ ＧＰａ，密度２ ３００ ｋｇ／ｍ ， 泊松比０．２０；隧道拱部管棚加固地层参数为：弹性模 量２１ ＧＰａ，密度２ ２００ ｋｇ／ｍ ，泊松比０．２３；临时钢架、 喷射混凝土支护计算参数为：弹性模量２１ ＧＰａ，密度 ２ ２００ ｋｇ／ｍ ，泊松比０．２２； （２）计算模型（图４） 图４计算模型 计算分析时，土体与结构体系采用ＰＬＡＮＥ４２单元 模拟，临时钢架、喷射混凝土支护采用Ｂｅａｍ３单元模 拟。边界采用位移边界条件，水平向四周采用水平约 束，竖向在模型底部采用竖向约束。计算模型水平宽 度取５５ ｍ，竖向自地面向下取３６ ｍ。 （３）计算荷载 列车竖向静荷载采用ＺＫ活载（《京沪高速铁路设 计暂行规定》（铁建设［２００４］１５７号）），列车竖向动力 作用荷载等于列车静活载乘以动力系数。动力系数按 桥梁结构中动力系数计算。高速公路列车荷载按公路 一Ｉ级荷载取均布荷载标准值为１０．５ ｋＮ／ｍ，集中荷载 为１８０ ｋＮ；车辆荷载总重５５０ ｋＮ（前轴３０ ｋＮ，中轴２× １２０ ｋＮ，后轴２×１４０ ｋＮ），轴距（３＋１．４＋７＋１．４）ｍ； 轮距１．８ ｍ；车辆横向布置间距２．８ ｍ。 （４）计算分析步骤 计算分析按１０个过程分析，分别为： 第一步围岩体系在自重作用下的地应力分析， 并消除初始位移； ９２ 第七步模拟隧道第五块土体开挖及其对应的初 期支护及临时支护； 第八步模拟隧道第六块土体开挖及其对应的初 期支护及临时支护； 第九步模拟拆除临时支护，浇筑二次衬砌及仰 拱填充； 第十步模拟列车车辆荷载作用。 （５）计算结果（表１） 表１计算结果 竖向位移ＵＹ／ｍｉｌｌ 第一主应力Ｓｌ／ＭＰａ 第三主应力ｓ３／ＭＰａ 时间步 向下最大 最小 最大 最小 最大 ｌ Ｏ 一０、４０３ 一Ｏ、０ｏ５ —０．６０７ 一Ｏ．０ｏ３ ２ 一Ｏ．３１１ —０．４０８ ０．００４ —０．６２０ —０．００１ ３ —０、６８０ —０．４７５ Ｏ、ｌｌ３ —１．２５０ ０．０００ ４ —０．６７０ —０、３９６ ０、０８０ —１．２５０ ０．０４７ ５ —１．１８６ —０、６９５ Ｏ．１Ｏ３ —２．２３０ ０．０５３ ６ —１、１５７ —０．３８２ Ｏ．１２１ —１．６３０ ０．０５９ ７ —０．６９９ —０、３７４ ０、１０６ —３、１３Ｏ 一０．００１ ８ —１、Ｏ１８ —０．３８５ ０、３２４ —３．７３０ ０．００４ ９ —１．Ｏｌ８ —０．３８５ ０．３２４ —３、７３０ ０．００４ １０ —０、９４２ —０．３８７ Ｏ．５３１ —３．５８０ Ｏ．Ｏ３１ 注：表中应力“一”表不为压应力或向一Ｆ位移。 通过计算，得到围岩一结构体系最大竖向位移为一 １．１８６ ｍｍ；第一主应力Ｓ 最小为一０．６９５ ＭＰａ，最大为 ０．５３１ ＭＰａ；第三主应力Ｓ 最小为一３．７３０ ＭＰａ，最大 为０．０５９ ＭＰａ。 计算结果表明：前黄隧道在下穿甬台温高速公路 施工过程中所产生的最大竖向位移为１．１８６ ｍｍ，对公 路影响很小；前黄隧道在拱部超前长管棚预支护进行 ＣＲＤ法分部开挖时，隧道的衬砌和支护参数能满足公 路、铁路施工、运营期间的安全。 ２爆破安全性分析 隧洞开挖爆破时，在隧洞拱顶上方或两侧距爆破 点较近的地面布点，对爆破作业产生的地震波影响进 行测试。 铁道标准设计ＲＡ儿ＷＡＹ ＳＴＡＮＤＡＲＤ ＤＥＳＩＧＮ ＺＯＯＳ（６） 维普资讯 http://www.cqvip.com
刘 斌，宁茂权一甬台温铁路前黄隧道下穿高速公路设计 测点主要布设在隧洞上方的高速公路地面。根据 路面的结构情况，确保施工期间路面的安全，应将施工 爆破所引起的地面质点振动速度控制在设计和规范要 求以内。 该段隧道施工采用微振爆破的控制爆破技术。微 振爆破主要从控制最大一段爆破用药量、减弱爆破振 速传递、减少爆破振动波叠加３个方面控制。 ２．１ 确定最大一段爆破用药量 根据钻爆设计，最大一段爆破用药量为上台阶，依 据公式Ｑ…＝Ｒ，×（ ／Ｋ）×３／ａ计算微振爆破作业 段最大一段允许装药量为１２ ｋｇ（８０节１５０ ｇ药卷）２ 号岩石销铵炸药，单次起爆最大用药量９６ ｋｇ。 式中：Ｑ…为最大一段爆破药量，ｋｇ；Ｖｋ。为安全速 度，ｃｍ／ｓ，设计要求 。＝４ ｃｍ／ｓ；Ｒ，为爆破安全距离， 取６ ｍ；Ｋ为地形、地质影响系数，根据爆破安全规程 （ＧＢ６７２２－－８６）取１００；ａ为衰减系数，根据爆破安全规 程（ＧＢ６７２２－－８６）取１．４。 以上数据均要依据试验段实测指标进行校对、更 正。尽量减小单段起爆用药量，增大起爆段别延期时 间，避免振动波叠加；在开挖轮廓线上方１２０。范围设 间距１５ ｃｍ的减振眼，减弱爆破振动波传递；炮眼堵塞 采用水压爆破，在确保同等爆破效果的条件下减少炸 药用量。 ２．２减弱爆破振速传递 三台阶法开挖时，在拱部１２０。范围开挖轮廓线上 方５ ｃｍ设减振空眼，空眼深４．０ ｍ，间距１５ ｃｍ，以便较 好地起到减弱爆破振动波传递的效果。 ２．３减少爆破振动波叠加 采用孔内控制微差起爆网络技术，施作中增大爆 破起爆段别，增加起爆间隔时间，采用１、３、５、７、９、１１、 １３、１５、１７、１９段１０个段别非电雷管间隔起爆系统，增 大爆破间隔时间避免振动波的叠加，有效地控制爆破 振动效应和发挥微差爆破作用效果。 另外，炮眼堵塞采用水压爆破，炮眼中未装药部分 全部用塑料水袋填塞密实，炮泥堵塞炮眼口，确保在同 等爆破效果条件下减少炸药用量。周边眼用，／，２５× ２００小药卷，不耦合装药，其余炮眼用 ４０×２００药卷， 不耦合装药系数一般控制在１．２（Ｄ＝５２／４５）范围内。 通过分析，按照以上措施实施，根据高速公路路 面、边坡等的结构形式和爆破距离合理确定质点安全 速度和每段单次起爆最大装药量，是可以保证隧道和 高速公路的运营安全。 ３超前地质预报 针对前黄隧道与甬台温高速公路交叉段的重要性 铁道标准设计ＲＡＩＬＷＡＹ ＳＴＡＮＤＡＲＤ ＤＥＳＩＧＮ ２００８（６） ・隧道／地下工程・ 和敏感性，搞好地质的超前预报十分必要，也是确保隧 道施工安全的重要措施。施工中除了工作面地质描述 外，结合现场的实际情况，特增设平孔钻探取芯超前预 报，在左右线工作面上按三角形布置三孔。依据取芯 岩样分析，充分了解工作面前方的围岩情况，及时将结 果反馈到有关单位，为施工、支护提供基础资料，以便 及时采取相应的技术措施，有效防止意外事故发生，确 保施工安全。 ４ 监控量测 监控量测是监视围岩稳定及判断设计与施工方法 是否正确的重要手段，亦是保证安全施工的重要条件。 在下穿甬台温高速公路施工过程中，必须坚持施工和 测量信息反馈一体化。 （１）监控量测的内容 ①支护结构及岩体的的位移量测； ②支护应力测量； ③隧道内沉降和振动速度观测，量测断面距离 ５ ｍ； ④对高速公路路面下沉位移量测。 （２）量测数据管理基准 地面最大沉陷采用３０ ｍｍ；洞内拱顶下沉５０ ｍｍ， 最大允许振动速度为３ ｃｍ／ｓ。 ５ 结语 通过对前黄隧道下穿甬台温高速公路的理论分 析，笔者认为，在做好隧道超前地质预报和监控量测的 前提下，对隧道进行控制爆破施工，可以确保隧道下穿 高速公路顺利施工，也可以保证隧道和高速公路的运 营安全。 参考文献： ｆ１］ 铁道部工程设计鉴定中心．高速铁路隧道［Ｍ］．北京：中国铁道出 版社。２００６、 ［２］ 华晓滨．前黄隧道工程地质勘察报告［Ｒ］．武汉：铁道第四勘察设 计院，２００５． ［３］ 许建．前黄隧道施工图［ｚ］．武汉：铁道第四勘察设计院，２００５． ［４］ 近接隧道施工的设计与指南［Ｍ］．日本：铁道综合技术研究 所，１９８７． ［５］ＴＢ１０００３－－２００５，铁路隧道设计规范［Ｓ］． ［６］ＧＢ６７２２－－８６，爆破安全规程［Ｓ］． ［７］ 齐景搬，等．隧道爆破现代技术［Ｍ］．北京：中国铁道出版 社．１９９９． ［８］ 铁道第二勘察设计院．铁路工程设计技术手册・隧道［Ｋ］．北京： 中国铁道出版社，１９９９． ［９］ 武海光．ＣＲＤ法穿越既有铁路路基下双线软岩隧道施工技术 ［Ｊ］．铁道标准设计，２００６（６）． ９３
