杨建烽

(西南交通大学，四川成都 610031)

随着我国交通的发展，国内各城市存在许多城市、城际交通互相穿越的工程[1]，线路立交下穿的交叉形式有助于交通环境与交通组织的管理，但也对既有结构的变形控制提出了挑战。修建下穿结构时，考虑到经济性与对穿越结构的变形控制难度，会比选不同形式的支护结构，选择更利于下穿控制的支护形式[2-3]。因此，有必要分析采用不同支护形式修建下穿隧道对既有结构影响的变形规律，以此评估不同支护形式在下穿工程中的适应性。

1 工程概况

国内某拟建的软岩地段修建地铁出入线段下穿上方普速铁路工程，普速铁路的下穿节点里程为K35+385。本工程分别比选喷锚支护、整体式衬砌与复合式衬砌等支护形式，以此选择下穿铁路的大跨度隧道的合适支护形式。

大跨度隧道截面为三心圆加仰拱的形式，最大洞宽为15.7 m，最大洞高为12.3 m。新建工程所比选的隧道支护形式分别如表1所示。

表1 比选支护形式

2 建立模型

本文计算采用有限元计算软件Midas GTS NX，计算模型(图1)长宽高尺寸为80 m×120 m×70 m。隧道拱顶埋深22 m，铁路路基高8.75 m。

采用实体单元模拟围岩、隧道土体及路基，梁单元模拟铁路钢轨，桁架单元模拟锚杆，板壳单元模拟喷混及模筑混凝土。四周及底面设置法向位移边界，顶部自由。

图1 计算模型

2.1 围岩参数

地勘报告所提供的土体物理力学参数见表2。

表2 围岩物理力学参数

2.2 支护参数

本工程支护比选中采用了相同等级的锚杆、喷射与模筑混凝土，物理力学参数如表3所示。

表3 支护物理力学参数

3 模拟结果及分析

不同形式的隧道支护对下穿体系而言是不同路径的卸载过程，会导致路基及轨道变形，因此通过分析路基变形及轨道的位移来评价支护的适应性。

3.1 隧道轴线上方变形分析

以开挖后的隧道轴线上方地表变形进行分析，可以体现隧道开挖对正上方地表变形的影响。各支护工况下开挖完成后地表变形曲线见图2。

图2 地表变形曲线

图2中纵轴为地表沉降，横轴为模型纵向距离，其中40 m附近为下穿节点。根据图2看出，与自由平面地表不一样的是，地表的铁路路基对地表有加固作用，路基有使K35+385断面下穿处地表变形减小的趋势，使地表形成上拱，路基沉降在不同支护形式下约减小0.3～0.5 mm。另外根据沉降大小的比较，可以看出复合式衬砌对地表的影响是最小的，K35+385断面处沉降为1.29 mm；喷锚支护与整体式支护影响接近，喷锚支护的下穿节点沉降为1.91 mm，整体式衬砌的沉降为1.93 mm。

3.2 施工后铁轨变形分析

施工开挖后，铁路路基上靠近先开挖方向的铁轨变形最大，以其为研究对象分析影响。以复合式衬砌施作后的最大铁轨变形(图3)为例，可以看出下穿开挖对铁路影响较大区域为K35+385断面前后约50 m的范围，下穿节点上方为最大沉降为1.31 mm，变形斜率最大范围为前后距离20 m处，线路轨道最大10 m弦高低偏差为0.37 mm。

图3 最大铁轨变形(施作复合式衬砌)

根据各支护形式下的铁轨变形曲线(图4)可以看出施作不同形式的支护对上方轨道变形影响基本一致，上方轨道变形均呈U型曲线，最大变形及最大变形斜率基本相同，施作复合式衬砌对铁轨变形影响较小，喷锚支护与整体式衬砌影响较大且相似。

3.3 施工过程铁轨变形分析

以铁轨K35+385处断面为监测点，监测随下穿开挖的铁轨变形过程(图5)，横轴为隧道开挖距离。

图4 各支护形式的最大铁轨变形曲线

图5 施工过程监测点变形曲线

由图5可以看出，整个施工过程中复合式衬砌所造成的铁轨变形均是最小的，但根据与最大变形的比值可以得知，喷锚支护形式达到最大变形的80 %、90 %是最早的，分别是开挖至56 m及64 m处，整体式衬砌落后2～4 m，复合式衬砌落后2～6 m。采取喷锚支护，铁轨变形达到稳定的时间更早。

4 结论

本文通过模拟采用不同支护形式修建大跨度隧道对轨道的影响进行适应性分析，得出以下结论：

(1)铁路路基对地表有加固作用，可使下穿处地表变形减小，且复合式衬砌对地表的影响最小。

(2)不同形式支护对轨道变形影响基本一致，最大变形及最大变形斜率的位置基本相同，施作复合式衬砌对铁轨变形影响最小。

(3)采取喷锚支护，铁轨变形稳定的时间最早，整体式衬砌次之，复合式衬砌最晚。

(4)综合变形及稳定时间分析，支护成本接近时，复合式衬砌对此类大跨度下穿工程适应性更佳。