下穿高速公路铁路隧道对高速公路的影响研究

・隧道／地下工程・　

下穿高速公路铁路隧道对高速公路的影响研究　

郭　磊　，帖卉霞　，周　钦　

（１．中铁工程设计咨询集团有限公司城交院，北京　１０００５５；２．北京市工程咨询公司，北京　１０００３１）　

摘　要：以草帽山隧道工程为背景，采用数值模拟的方式，对铁　路隧道下穿高速公路时对高速公路的影响进行研究。分析高　速路面在７种隧道埋深时的沉降量，得出路面沉降和隧道埋深　的关系曲线，将隧道合理埋深确定在３０　ｍ左右；并且对埋深　３２ｍ时的隧道围岩变形以及公路路面沉降进行详细分析，得出　隧道施工对高速公路的影响范围，即公路荷栽的压力扩散对隧　道的影响长度为路面宽度的４倍，路面产生较大沉降的范围约　为隧道跨度的２倍。从而对工程设计和施工提供参考。　关键词：铁路隧道；下穿高速公路；数值模拟；沉降曲线　中图分类号：Ｕ４５２；Ｕ４１２．３６　６　文献标识码：Ａ　文章编号：１００４—２９５４（２０ｌＯ）Ｏ５—００９４—０３　

在既有高速公路下修建铁路隧道，是否对高速公　

路的正常运营有影响；高速公路荷载的存在，是否对隧　

道施工带来不利因素；铁路隧道以多大埋深下穿最为　

合理，这些都是值得研究的问题。以某新建城际铁路　

草帽山隧道为背景对以上问题展开研究。　

１　工程概况　

１．１　工程基本情况　

某新建城际铁路为国家Ｉ级铁路，该段设计时速　

３５０　ｋｍ。草帽山隧道穿越草帽山的主脉，山势陡峭。　

设计中，隧道洞身在ＤＫ１７５＋７２０处下穿张承高速公　

路，洞顶覆土为第四系上更新统洪坡积新黄土，硬塑，　

具有非自重湿陷性，如图１所示。　

１．２　工程地质　

高速公路附近地层岩性主要为第四系上更新统洪　坡积层（Ｑ，ｐｌ＋ｄ１）新黄土，中生界侏罗系（Ｊ　）凝灰岩。　

根据岩性特征自上而下为：　

②第四系上更新统洪坡积（Ｑ　）　

②　新黄土　黄褐色，硬塑，大部分土质较均匀，　

收稿日期：２Ｏ　ＬＯ一０２—０５　作者简介：郭磊（１９８２一），男，助理工程师，２００８年毕业于东南大学　岩土工程专业，工学硕士。　张承高速公路７１４．５８　ｍ　

Ｑ　

：二：　：　：：　：．　二：二二：二二：二二二：　二二二：二：　③　Ｊ　ｗ　——　轨面线　图１　隧道局部纵断面　

局部含钙质结核，其间角砾土呈薄层状或透镜体状分　

布，砂性较重。　

③中生界侏罗系中统（Ｊ：）　

③　凝灰岩棕红色，强风化，碎屑结构，层状构　

造，岩芯主要呈块状，该层中局部含有膨胀岩包体（膨　

润土矿），呈灰绿色，灰白色，粉红色硬块状，岩性较　

软，手摸有滑腻感，膨胀岩主要分布于山体表层，厚度　

１～３　ｒｎ不等，膨胀岩包体主要分布于山体表层，对于　

隧道工程影响不大。　

③　凝灰岩　棕红色，弱风化，碎屑结构，层状构　

造，岩芯主要呈柱状，节理裂隙发育，局部夹有气孔　

状一杏仁状流纹岩。　

１．３衬砌支护设计　

张承高速公路对隧道有影响的地段包括公路、隧　

道相交段和公路压力扩散段，该段划定为Ｖ级围岩，隧　

道衬砌采用单洞双线的马蹄形断面，初喷混凝土厚　

２８　ｃｍ，二衬厚度拱墙处为５０　ｃｍ，仰拱处为６０　ｃｍ。公　

路、隧道相交段采用　８９　ｍｍ大管棚进行超前支护，压　

力扩散段采用（５４２　ｍｍ超前小导管支护。衬砌断面如　

图２所示。　

１．４　研究目的　

为了减小隧道下穿引起的高速公路沉降，隧道下　

穿深度越大越好；但随着下穿深度增加，隧道长度也会　

加长，从而使工程造价上升。因此，选择一个合理的下　

穿深度，既可以保证将隧道和公路的相互影响降到最　

低，又能将工程投资控制在一定范围之内。　●●Ｉｌｌ●ｉＩ￣ｌ●Ⅲ◆●●◆●ｉＩＩｉ●◆◆・◆◆◆●　（３）在建设管理工期控制过程中，可以在不增加　

投资的情况下，通过合理组织，实现节约工期的目的。　

参考文献：　

［１］　武合铁路湖北有限公司．合武铁路湖北段工程指导性施工组织设　计［Ｒ］．武汉：２００５．　

９４　［２］铁建设［２００５］１６０号，客运专线铁路隧道工程施工质量验收暂行　标准［Ｓ］．　［３］　干昆蓉．对隧道施工地质超前预报工作的反思与探讨［Ｊ］．隧道建　设，２００７（１）．　［４］　王梦恕．隧道工程浅埋暗挖法施工要点［Ｊ］．隧道建设，２００７（１）．　

铁道标准设计ＲＡＩＬＷＡＹ　ＳＴＡＮＤＡＲＤ　ＤＥＳＩＧＮ　２０１０（５）

　郭　磊，帖卉霞，周　钦一下穿高速公路铁路隧道对高速公路的影响研究　

图２衬砌断面（单位：ｃｍ）　

２数值模拟分析　

２．１　模型简述　

采用“地层一结构”模型进行模拟计算，根据圣维　

南原理，将模型横向宽度设为８０　ｍ，为隧道宽度的　

５倍，纵向考虑到公路压力扩散段产生的影响，将长度　

设定为４５０　ｍ。模型竖向设定为１０４．１５　ｍ，约为隧道　

高度的８．５倍。为了对隧道不同下穿深度进行研究，　

分别将隧道覆土设定为５、１０、１５、２０、２５、３２、３５　ｍ。高　

速公路设于模型纵向中心处，采用梯形断面路基，顶面　

宽３３．５　ｍ，底面宽７２　ｍ。模型网格如图３所示。　

图３计算模型　

２．２　模型参数　

２．２．１　地层参数　

根据工程地质资料，隧道围岩从上到下按３层建　

模，分别是黄土区、强风化凝灰岩区和弱风化凝灰岩　

区。岩体采用ｍｏｈｒ—ｃｏｕｌｏｍｂ模型进行模拟，各层岩体　

参数见表１。　

表１岩体参数　

零　／　（　Ｎ　ｋｃ／Ｐａ　厚／ｍ度　编号　名称　ｍ　）　ＭＰａ　（。）　；　：　

②２　新黄土　１４　５００　４３　０．３５　３６　２２　

③ｌ强风化凝灰岩２７　０００　１　７２００．１８　４５０　７０　

③２弱风化凝灰岩２８　０００　２　１０００．１３　６００　７８　

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２．２．２衬砌结构参数　

衬砌结构包括初支和二衬，初支为喷混凝土，二衬　

为钢筋混凝土，均采用弹性模型进行模拟，模型参数见　

表２。　

表２衬砌结构参数　

２．３荷载和工况　

２．３．１　计算荷载　

荷载分为永久荷载和可变荷载，永久荷载包括结　

构自重、岩体自重等，可由程序自动加载；可变荷载指　

作用于高速公路路面的车道荷载，根据《公路工程技　

术标准》（ＪＴＧ　Ｂ０１—２００３），车道荷载采用公路一Ｉ级，　

均布荷载标准值为ｑ　＝１０．５　ｋＮ／ｍ，集中荷载标准值　

为Ｐ　＝３６０　ｋＮ，将集中荷载作用于模型路面中心处。　

２．３．２　分析工况　

按照隧道开挖衬砌过程设定分析工况。忽略隧道　

的施工工法，采用开挖一初支以及开挖～初支一二衬的循　

环工况进行模拟。首次掘进６３　ｍ，之后一边对开挖部　

分施作二衬，一边进行开挖和初支，每个工况循环中，　

施作二衬和开挖支护均按９　ｍ进行，故掌子面始终超　

前二衬５４～６３　ｍ，直到全部开挖完毕，再用７个循环　

施作剩余二衬。因此，分析工况共有５１步，第１步为　

开挖支护工况，２～４４步为二衬和开挖支护同时进行　

的循环，４５～５１步为二衬工况。　

２．４计算结果分析　

２．４．１　隧道施工对高速公路的影响研究　

（１）隧道埋深对路面沉降的影响　

将７种埋深的路面沉降量绘制成沉降一埋深曲　

线，如图４所示，ｕ为有公路荷载时的曲线，Ｌ２为无　

公路荷载时的曲线。　

置　｛　世　蜉　癌　癌　

图４路面沉降一隧道埋深曲线　

对Ｌｌ和Ｌ２进行比较，可以看出，Ｌ１位于Ｌ２之　

下，且两条曲线的差值逐渐减小。这说明有公路荷载　

时的路面沉降比没有公路荷载时大；在隧道埋深较小　

时，路面荷载能使路面产生较大沉降，而当隧道埋深增　

大后，路面荷载引发的路面沉降趋于减小并稳定。　

９５　・隧道／地下工程・　郭磊，帖卉霞，周　钦一下穿高速公路铁路隧道对高速公路的影响研究　

由Ｌ１曲线可见，埋深超过１０　ｉｎ以后，随着埋深加　

大，路面沉降量成比例减小，在埋深增大到２７　ｍ左右　

时，曲线斜率减小，沉降量基本稳定。埋深５　ｍ的沉降　

量比３２　ｍ的沉降量大２７　ｍｍ。　

（２）隧道埋深３２　ｍ时的路面沉降分析　

由于隧道埋深超过３０　１１３时，路面下沉较小，所以　

在工程设计中，将埋深定为３２　ｍ。　

图５表示路面中心点沉降随隧道开挖的变化过　

程。当隧道开挖到公路下方时，路面沉降值增长较快；　

当开挖通过公路下方，沉降量又恢复到缓慢增大并趋　

于恒定的过程。　

吕　｛　世　蜉　陋　渔　

隧道开挖长度，ｍ　图５　公路路面沉降一隧道开挖长度曲线　

暑　｛　世　娉　暄　蠹　

路面中轴线距离／ｍ　图６最终状态路面中轴线沉降　

根据最终状态下路面中轴线的沉降曲线（图６），　

可以分析出隧道下穿对路面沉降的影响范围。路面沉　

降曲线接近余弦曲线，隧道两侧各１２　ｍ范围沉降超过　

１　ｍｍ，以外部分沉降逐渐减小。因此，公路在２倍隧　

道宽度内受影响较大。　

２．４．２公路荷载对隧道的影响研究　

沿隧道纵向选取两个位于拱顶围岩的分析点，分　

别是模型纵向中心点和中心点之前１８０　ｍ的点（以下　

简称ＮＯＤＥ１、ＮＯＤＥ２）。将７种埋深下的围岩变形绘　

制成变形一埋深曲线，如图７所示。　

比较两条曲线，可以看出，由于ＮＯＤＥ１位于公路　

下方，受路面荷载的影响，变形量比ＮＯＤＥ２大；且它　

们之间的差值随着埋深加大而减小。说明增大隧道的　

埋深可以削弱公路荷载的不利影响，而且当埋深达到　

３０　ｍ以后，公路荷载引起的变形量差值只有２　ｍｍ。　

同前文所述，对３２　ｍ埋深下公路荷载对隧道的影　

响进行分析。　

９６　隧道埋深，ｍ　图７拱顶围岩变形一隧道埋深曲线　

图８为最终状态下拱顶围岩沿隧道纵向的变形分　

布。首先，公路下方的变形量最大，为７．３９　ｍｍ；另外，　

公路两侧１４４　ｍ范围受到较大影响，其余部分变形较　

小，基本稳定在５　ｍｍ左右。　

暑　

匪　

隧道纵向距离，ｍ　图８　最终状态隧道纵向拱顶围岩变形分布　

３　结论　

（１）公路沉降随着隧道埋深增大而减小，当埋深　

超过３０　ｍ以后，隧道对路面沉降的影响很小，可以将　

３０　ｍ定为该隧道的合理埋深。　

（２）在隧道埋深３２　ｍ时，公路荷载的压力扩散对　

隧道的影响长度为路面宽度的４倍。　

（３）路面产生较大沉降的范围约为隧道跨度的　

２倍。　

参考文献：　

［１］　帖卉霞．浅埋近距隧道下穿高速公路差异沉降率理论分析与施工　措施［Ｊ］．铁道标准设计，２００８（４）：９４—９７．　［２］　郑俊杰，包德勇，龚彦峰，等．铁路隧道下穿既有高速公路隧道施　工控制技术研究［Ｊ］．铁道工程学报，２００６（８）：８Ｏ一８４．　［３］　王志，杜守继，张文波，等．浅埋铁路隧道下穿高速公路施工沉　降分析［Ｊ］．地下空间与工程学报，２００９，５（３）：５３１—５３５，５７２．　［４］ＪＴＧ　Ｂ０１—２Ｏ０３，公路工程技术标准［Ｓ］．　［５］ＪＴＧ　Ｄ３０－－２００４，公路路基设计规范［Ｓ］．　［６］ＪＴＧ　Ｄ６０－－２００４，公路桥涵设计通用规范［Ｓ］．　［７］ＴＢ１０００３－－２００５，铁路隧道设计规范［Ｓ］．　［８］　铁道部第二勘测设计院．铁路工程设计技术手册一隧道［Ｍ］．北　京：中国铁道出版社，１９９９．　［９］　铁道部第一勘测设计院．铁路工程地质手册［Ｍ］．北京：中国铁道　出版社，２００５．　［１Ｏ］　关宝树．铁路工程设计要点集［Ｍ］．北京：人民交通出版　社．２００３．　

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