(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢(xún)集團(tuán)，北京 100055)

1 工程概況

1．1 概況

山西中南部某隧道全長(zhǎng)1 789 m，位于山西省長(zhǎng)治縣境內(nèi)。該隧道處于低山丘陵區(qū)，地形起伏較小，發(fā)育有溝谷。隧址屬寒冷地區(qū)，最冷月平均氣溫－5．3℃，場(chǎng)區(qū)土壤最大凍結(jié)深度59 cm。地震基本烈度為7度，本區(qū)地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期是0．40 s。本隧道于2009年開(kāi)始施工。隧道為單面5．4‰的上坡，全隧道位于直線上。

隧址區(qū)地層巖性較復(fù)雜，分布有第四系上更新統(tǒng)坡洪積砂質(zhì)黃土、黏質(zhì)黃土;第四系中更新統(tǒng)坡洪積黏質(zhì)黃土;第四系坡洪積角礫土;石炭系上統(tǒng)太原組頁(yè)巖夾灰?guī)r、砂巖等;石炭系中統(tǒng)本溪組頁(yè)巖、炭質(zhì)頁(yè)巖;奧陶系峰峰組灰?guī)r等。

1．2 下穿高速公路情況簡(jiǎn)述

隧道在DK503+122處下穿長(zhǎng)安高速公路，交叉點(diǎn)公路里程為K70+360，交叉范圍內(nèi)公路為路塹形式，公路路面寬為12 m+2 m+12 m=26 m，鐵路線路與公路線路斜交角度約為25°，下穿段里程影響范圍大致在DK503+070～DK503+160。長(zhǎng)安高速公路為在建公路，計(jì)劃2010年年底通車(chē)運(yùn)營(yíng)。圖1為隧道下穿長(zhǎng)安高速公路的平面圖。

圖1 隧道下穿高速公路平面示意圖

另外，與其他隧道下穿高速公路實(shí)例不同的是，本隧道與高速公路交叉點(diǎn)里程K70+360處公路為1-4 m鋼筋混凝土蓋板通道。通道涵洞長(zhǎng)29 m，涵洞總寬6 m，基礎(chǔ)為擴(kuò)大基礎(chǔ)。隧道結(jié)構(gòu)頂至高速公路路面的距離僅有11．7 m，涵洞的基礎(chǔ)底距離隧道結(jié)構(gòu)頂?shù)木嚯x為5．5 m。圖2為隧道與高速公路路面及涵洞的關(guān)系立面圖。

圖2 隧道與高速公路路面及涵洞的關(guān)系立面圖

隧道在勘測(cè)時(shí)，該蓋板通道正在進(jìn)行施工，圖3為蓋板通道施工中的照片。

圖3 正在施工中的1-4 m鋼筋混凝土蓋板通道

地質(zhì)情況:下穿公路段范圍內(nèi)圍巖級(jí)別為Ⅴ級(jí)圍巖，隧道為超淺埋，洞身穿越C3t和C2b頁(yè)巖、砂巖、炭質(zhì)頁(yè)巖和薄煤層，強(qiáng)風(fēng)化，巖體破碎。

2 施工風(fēng)險(xiǎn)分析

隧道下穿高速公路處深較淺，隧道結(jié)構(gòu)頂至高速公路路面的距離僅有11．7 m，且地質(zhì)條件較差，該處洞身穿越C3t和C2b頁(yè)巖、砂巖、炭質(zhì)頁(yè)巖和薄煤層，強(qiáng)風(fēng)化，巖體破碎。而且根據(jù)施工時(shí)間推算，待隧道進(jìn)行下穿施工時(shí)，高速公路已經(jīng)開(kāi)通運(yùn)營(yíng)，對(duì)路面沉降的要求加大，另外，隧道下穿高速公路范圍內(nèi)為1座1-4 m的涵洞，涵洞的基礎(chǔ)底距離隧道結(jié)構(gòu)頂?shù)木嚯x僅有5．5 m，隧道穿越施工時(shí)不確定因素多，因此施工風(fēng)險(xiǎn)極大。根據(jù)《鐵路隧道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估暫行規(guī)定》，隧道施工可能造成路面沉降、開(kāi)裂，概率等級(jí)4，后果等級(jí)3，風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)為高級(jí)，設(shè)計(jì)中必須加強(qiáng)支護(hù)，將風(fēng)險(xiǎn)降低。

3 施工方法選擇及超前支護(hù)參數(shù)、初期支護(hù)參數(shù)的擬定

常用的施工方法有臺(tái)階法、開(kāi)挖預(yù)留核心土法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、中隔壁(CD)法、交叉中隔壁(CRD)法。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)于下穿隧道的施工方法大多采用交叉中隔壁(CRD)法或雙側(cè)壁導(dǎo)坑法。通過(guò)許多成功實(shí)施的工程實(shí)例可以看出，長(zhǎng)管棚配合超前支護(hù)配合CRD法或者雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開(kāi)挖，能有效控制路面沉降。此外，在隧道下穿公路的大部分工程中都采用了大管棚超前支護(hù)，這說(shuō)明大管棚超前支護(hù)可以防止路面坍塌。因此可以得出以下結(jié)論:對(duì)于軟弱圍巖淺埋鐵路隧道進(jìn)行下穿高速公路及其他等級(jí)公路的施工時(shí)，采用大管棚進(jìn)行超前支護(hù)，CRD法或雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開(kāi)挖，對(duì)公路路面的穩(wěn)定、保證正常公路運(yùn)行起到較好的控制作用。

本工程隧道在DK503+122處下穿長(zhǎng)安高速公路，且K70+360處公路為1-4 m鋼筋混凝土蓋板通道，公路路面寬26 m，下穿段里程影響范圍大致在DK503+070～DK503+160。

考慮到鐵路隧道進(jìn)行下穿施工時(shí)，公路已通車(chē)，由于隧道上方為蓋板涵，蓋板涵結(jié)構(gòu)對(duì)隧道拱頂?shù)某两底冃螛O為敏感，涵洞的沉降會(huì)直接傳遞到公路路面，從而造成公路路面開(kāi)裂及沉降，為避免鐵路隧道施工對(duì)公路路面結(jié)構(gòu)及行車(chē)造成影響，必須執(zhí)行“短進(jìn)尺、弱爆破、強(qiáng)支護(hù)、襯砌緊跟”的施工原則，加強(qiáng)超前支護(hù)及初期支護(hù)，避免土層損失造成路面沉降。

確定的本下穿段的超前支護(hù)措施:在DK503+070～DK503+160段采用φ108大管棚超前支護(hù)，環(huán)向間距0．3 m，管棚每節(jié)長(zhǎng)15 m，搭接長(zhǎng)度大于3 m。另外，φ42超前小導(dǎo)管注漿超前支護(hù)作為補(bǔ)充加強(qiáng)，長(zhǎng)4．5 m，環(huán)向間距0．3 m。

初期支護(hù):鋼架采用Ⅰ20a型鋼鋼架，縱向間距0．5 m，噴射C25混凝土，厚度25 cm。錨桿:長(zhǎng)度3．5 m，環(huán)向間距×縱向間距:1．0 m ×1．0 m。

施工方法采用交叉中隔壁(CRD)工法。

4 下穿段隧道承受的荷載分析

最不利情況下隧道結(jié)構(gòu)所承擔(dān)的荷載情況:1)垂直荷載:隧道上方的土石自重荷載、高速公路路面車(chē)輛傳遞的荷載、涵洞自重傳遞的荷載、涵洞內(nèi)機(jī)車(chē)車(chē)輛傳遞的荷載。2)水平荷載:側(cè)向土壓力及垂直荷載造成的附加水平土壓力。現(xiàn)在分別計(jì)算如下。

4．1 垂直荷載

4．1．1 隧道結(jié)構(gòu)上方的5．5 m的土石荷載

根據(jù)《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄 E的公式，q1=，近似取 q1= γh，則 q1=γh=20 ×5．5=110．0 kPa。

4．1．2 結(jié)構(gòu)傳下來(lái)高速公路車(chē)輛的荷載

高速公路的路面車(chē)輛荷載，按設(shè)計(jì)公路車(chē)輛荷載公路—Ⅰ級(jí)來(lái)計(jì)算。按JTG D60-2004公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范，公路—Ⅰ級(jí)車(chē)輛荷載圖如圖4所示。

圖4 公路—Ⅰ 級(jí)車(chē)輛荷載圖

路面的車(chē)輛荷載通過(guò)涵洞的結(jié)構(gòu)傳至涵洞基礎(chǔ)，然后再通過(guò)5．5 m厚的土層傳至隧道結(jié)構(gòu)頂上，高速公路單向有3個(gè)車(chē)道，車(chē)道總寬度為12 m，涵洞的基礎(chǔ)寬度為1．8 m。因?yàn)楹错斆婵倢挾葹? m，所以車(chē)輛荷載只能由后軸加前軸或前軸加中軸作用在涵洞結(jié)構(gòu)頂面上，取其大值，前軸和后軸相加:軸重=140+140+30=310 kN計(jì)算，3個(gè)車(chē)道軸重同時(shí)傳遞，總軸重=310×3=930 kN。路面車(chē)輛荷載通過(guò)涵洞基礎(chǔ)按45°角擴(kuò)散經(jīng)5．5 m覆土傳遞到隧道結(jié)構(gòu)頂，傳遞到結(jié)構(gòu)頂?shù)暮奢dq2計(jì)算如下:

4．1．3 涵洞結(jié)構(gòu)自重傳遞下來(lái)的荷載

涵洞每延長(zhǎng)米混凝土方量為17．19 m3，混凝土的重度按25 kN/m3計(jì)算，涵洞自重傳遞至結(jié)構(gòu)頂?shù)暮奢d為(按45°擴(kuò)散角進(jìn)行傳遞):

4．1．4 涵洞內(nèi)機(jī)車(chē)通行傳遞的荷載

涵洞為交通涵洞，需要考慮最不利情況下上方有車(chē)輛通行的荷載，按JTG D60-2004公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范，公路—Ⅱ級(jí)車(chē)輛荷載按1個(gè)車(chē)輛荷載計(jì)算:

4．1．5 所有垂直荷載求和

以上疊加，所有垂直荷載q=q1+q2+q3+q4=110．0+6+34．7+2=152．7 kPa。

4．2 水平荷載

4．2．1 由洞頂土壓力形成的側(cè)壓力

根據(jù)《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄E的公式，e1=γh1λ，經(jīng)計(jì)算λ=0．47，所以隧道結(jié)構(gòu)上部的水平荷載:

隧道拱腳部位的水平荷載:

4．2．2 由路面公路荷載引起的側(cè)壓力

5 數(shù)值模擬分析

5．1 結(jié)構(gòu)計(jì)算

在最不利荷載作用下，下穿高速公路段隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算模型如圖5所示。

圖5 隧道計(jì)算模型

擬定襯砌采用C35鋼筋混凝土，彈性模量為31 000 MPa，泊松比為0．2，重度為25 kN/m3。采用基于有限單元法數(shù)值模擬軟件SAP84對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算中采用荷載—結(jié)構(gòu)模式，圍巖對(duì)墻背及拱背的彈性抗力采用彈簧單元模擬，計(jì)算結(jié)果如圖6～圖8所示。

5．2 受力特征總結(jié)

從上面結(jié)果可以看出，下穿高速公路段，由于隧道上方為涵洞，降低了垂直應(yīng)力，但是由于側(cè)壓力較大，最大的彎矩出現(xiàn)在邊墻腳部。

圖6 剪力圖

圖7 軸力圖

圖8 彎矩圖

最大負(fù)彎矩為641 kN·m，集中在邊墻腳;其最大正彎矩為120．4 kN·m，集中在拱腰部位;其最大軸力為1 540 kN，集中在拱頂和仰拱;最小軸力為594．5 kN，集中在邊墻;其最大剪力為513．5 kN，集中在邊墻與仰拱連接處。

5．3 襯砌斷面設(shè)計(jì)

通過(guò)計(jì)算結(jié)果確定結(jié)構(gòu)斷面的尺寸和配筋，結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1，表2為控制截面處的安全系數(shù)，滿足《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》鋼筋混凝土安全系數(shù)2．0的要求。

表1 結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果

表2 控制截面處安全系數(shù)

6 結(jié)語(yǔ)

鐵路隧道下穿高速公路現(xiàn)在遇到的情況較多，但是交叉的部位有其他構(gòu)筑物的情況較少見(jiàn)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工情況來(lái)看，高速公路的地表沉降控制的較好，說(shuō)明設(shè)計(jì)方案是成功的，現(xiàn)把得到的體會(huì)及經(jīng)驗(yàn)歸納如下:1)在下穿高速公路的設(shè)計(jì)中，在軟質(zhì)巖層中，超前大管棚支護(hù)配合CRD工法，對(duì)確保施工安全、控制地表下沉的效果是很明顯的。2)在數(shù)值計(jì)算中，將車(chē)輛荷載等相關(guān)荷載考慮全面，將是確定后期襯砌結(jié)構(gòu)參數(shù)擬定的關(guān)鍵。

［1］TB 10003-2005，鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．

［2］鐵建設(shè)〔2007〕200號(hào)，鐵路隧道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估暫行規(guī)定［S］．

［3］關(guān)寶樹(shù)．鐵路工程設(shè)計(jì)要點(diǎn)集［M］．北京:人民交通出版社，2003．