王志杰 ， 陳鐵衛(wèi)

(西南交通大學(xué), 四川成都 610031)

交通線路在修建過程中，新建線路受地形地勢、水文地質(zhì)等因素的限制，兩條線路在同一地區(qū)內(nèi)不同高度位置相互穿越的情況日益增多[1]。新建線路穿越既有線路時以穿越的方式居多，上跨方式相對較少，其中新建公路以路基形式上跨既有鐵路隧道的研究更少。新建公路施工與運(yùn)營過程中會擾動其周圍的土體，將不可避免地將引起土層的變形和隧道結(jié)構(gòu)的附加內(nèi)力[2]，嚴(yán)重情況下當(dāng)隧道結(jié)構(gòu)變形超過設(shè)計承受極限時，會直接導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的損壞，影響行車安全。因此在這種情況下，準(zhǔn)確快速的評估既有鐵路隧道的安全性具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

目前，國內(nèi)學(xué)者在安全評估隧道近距離穿越方面進(jìn)行了許多相關(guān)的研究，張健[3]通過數(shù)值模擬研究了新建鐵路以路基方式上跨既有隧道，運(yùn)營期間列車靜載作用下隧道結(jié)構(gòu)的安全性及位移的穩(wěn)定性。晏啟祥[4]采用地質(zhì)雷達(dá)對隧道襯砌后空洞病害進(jìn)行了檢測，利用有限元分析的結(jié)果對襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行了整體強(qiáng)度檢算，進(jìn)而整體評估隧道的安全性。丁祥[5]采用數(shù)值模擬法和經(jīng)驗(yàn)計算法對既有鐵路隧道受上跨路基爆破施工產(chǎn)生的振動影響進(jìn)行了分析。學(xué)者[6-8]建立隧道結(jié)構(gòu)有限元計算模型，計算了既有隧道在路基上跨情況下隧道結(jié)構(gòu)的內(nèi)力值和位移值，分析了公路施工中及建成后對既有隧道結(jié)構(gòu)的安全影響，提出注意事項(xiàng)和加固措施。然而，由于研究手段的局限性，目前大部分研究只能通過數(shù)值模擬對既有隧道的安全性進(jìn)行分析，尚無數(shù)值模擬結(jié)合現(xiàn)場檢測，進(jìn)而綜合評估既有隧道的安全性研究[9]。

針對上述問題，本文依托于四川巴中—坦溪公路改建工程與廣達(dá)鐵路交叉段專項(xiàng)評估實(shí)例，借助有限元軟件，探究新建公路路基上跨既有鐵路隧道的安全性影響，同時以隧道襯砌凈空檢測、襯砌強(qiáng)度檢測、襯砌裂縫及滲漏水調(diào)查、仰拱厚度檢測、襯砌厚度及背后空洞檢測為依據(jù)，結(jié)合數(shù)值模擬分析結(jié)果，綜合評估新建公路路基上跨既有隧道的安全性，為今后類似工程的安全性評估提供借鑒參考。

1 工程概況

S409線全線按雙車道二級公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，從四川巴中至蘭草，設(shè)計速度40 km/h，路基寬度為8.5 m，橋涵汽車荷載標(biāo)準(zhǔn)采用公路-Ⅰ級，其余指標(biāo)均按現(xiàn)行頒布JTG B01-2014《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》及有關(guān)設(shè)計規(guī)范執(zhí)行。廣達(dá)鐵路為國鐵Ⅰ級，單線，旅客列車設(shè)計行車速度160 km/h。

S409線巴中-蘭草段上跨廣達(dá)鐵路大灣隧道交叉處樁號K8+244(設(shè)計高程407.90 m)，對應(yīng)廣達(dá)鐵路大灣樁號為K186+011(設(shè)計高程390.38 m)，S409線與廣達(dá)鐵路大灣隧道斜交，角度為22.2 °,斜交處路基面距離拱頂16.52 m(圖1)。

圖1 S409線與大灣隧道交叉斷面(單位:m)

1.1 地質(zhì)概況

S409線巴中-蘭草段上跨大灣隧道區(qū)段下伏白堊系下統(tǒng)蒼溪組(K1c)，巖性為淺灰、灰紫色塊狀中細(xì)粒長石砂巖、巖屑長石砂巖夾棕色泥巖和粉砂巖，力學(xué)性能較差，完整性變化較大，節(jié)理裂隙發(fā)育，且?guī)r體較破碎。公路路基上跨隧道段的圍巖以Ⅴ級為主，具體圍巖參數(shù)見表1。

表1 圍巖參數(shù)

1.2 斷面尺寸

該隧道為單線鐵路隧道，總長710 m，開挖斷面凈高為9.98 m，最大開挖跨度為8.34 m，隧道開挖輪廓的斷面形狀、幾何尺寸如圖2所示。

圖2 開挖斷面(單位：m)

2 數(shù)值模擬

2.1 計算模型

計算采用FLAC3D有限元分析軟件，采用彈塑性本構(gòu)模型。一般來說，隧道開挖對圍巖影響范圍距隧道中心約3倍距離，故確定本次計算模型的邊界：左側(cè)邊界至隧道中線30 m，右側(cè)邊界至隧道中線30 m，下側(cè)邊界至隧道底部30 m，上邊界為隧道實(shí)際埋深16.5 m。隧道左右有水平約束，下部有垂直約束，前后面均有垂直其面約束，地表為自由邊界，計算中用實(shí)體單元模擬圍巖、襯砌(圖3)。

圖3 模型示意

在研究過程中，為簡化計算，對模型采用了如下假設(shè)：

(1)圍巖視為均質(zhì)單一的地層，認(rèn)為圍巖為各項(xiàng)同性的彈塑性材料；

(2)初期支護(hù)與圍巖嚴(yán)格密貼，二者共同承載，共同變形；

(3)忽略了地下水滲流可能帶來的荷載；

(4)初期支護(hù)中鋼拱架與包裹在鋼拱架四周的混凝土粘結(jié)良好，共同承載及變形。

2.2 計算工況

隧道及路基施工過程模擬如下：

①隧道開挖→②隧道初期支護(hù)→③隧道施作二次襯砌→④隧道上方路基開挖卸載→⑤路基上施加人行荷載及汽車荷載作用。

為正確評估新建公路路基上跨大灣隧道結(jié)構(gòu)的安全性，重點(diǎn)分析二襯施作完成、路基開挖卸載、人行荷載及汽車荷載作用下襯砌安全系數(shù)的變化規(guī)律，得出路基修建對隧道襯砌結(jié)構(gòu)的影響，為實(shí)際工程提供參考。

2.3 模型參數(shù)

依據(jù)計算假設(shè)，并參考JTGD70/2-2014《公路隧道設(shè)計規(guī)范》[10]，計算模型中的支護(hù)參數(shù)的選取見表2。

表2 支護(hù)參數(shù)

2.4 安全系數(shù)的計算

依據(jù)TB 10003-2005《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》，按混凝土偏心受壓構(gòu)件的破壞階段進(jìn)行襯砌抗壓(抗拉)強(qiáng)度的驗(yàn)算。將安全系數(shù)K(極限承載力Nl與數(shù)值計算所得的內(nèi)力Nj之比)與規(guī)范中要求的安全系數(shù)kg進(jìn)行比較，見公式1。

Nl/Nj=K≥Kg

(1)

在隧道結(jié)構(gòu)上選取拱頂、左拱腰、右拱腰、左邊墻、右邊墻、左墻腳、右墻腳、仰拱作為典型截面，提取計算中典型截面的彎矩、軸力，然后再依據(jù)公式計算安全系數(shù)(圖4)。

圖4 隧道典型斷面

3 結(jié)果分析

3.1 應(yīng)力分析

由圖5、表3可以看出：既有隧道隧道圍巖應(yīng)力主要集中在隧道左右墻腳處，在隧道二襯施工完成時，最大主應(yīng)力出現(xiàn)在隧道右墻腳，其值為0.14 MPa，最小主應(yīng)力量值為-2.92 MPa；路基開挖卸載時，最大主應(yīng)力出現(xiàn)在隧道右墻腳，其值為0.13 MPa，最小主應(yīng)力量值為-2.80 MPa；在人行荷載及汽車荷載作用下，最大主應(yīng)力依舊出現(xiàn)在隧道右墻腳，其值為0.16 MPa，最小主應(yīng)力量值為-2.98 MPa。三種不同工況下，隧道二襯強(qiáng)度均滿足混凝土強(qiáng)度設(shè)計規(guī)范。

(a)第一主應(yīng)力

(b)第三主應(yīng)力

表3 主應(yīng)力數(shù)值 MPa

墻腳作為應(yīng)力集中的部位，隧道的破壞容易從墻腳開始，因此在上跨路基的施工過程中，應(yīng)時刻關(guān)注墻腳的襯砌安全，必要時建議對墻腳采取加固措施，提高墻腳的穩(wěn)定性，以確保路基安全上跨既有隧道。

3.2 安全系數(shù)分析

表4為不同工況下大灣隧道二襯的安全系數(shù)，由表可知：(1)大灣隧道襯砌結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)在路基開挖卸載后，典型部位的安全系數(shù)均呈增長趨勢，后在道路荷載作用下，襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)均有所降低；(2)墻腳作為應(yīng)力集中的部位，是襯砌結(jié)構(gòu)受力的薄弱部位，其中右墻腳在路面荷載作用下安全系數(shù)最小，數(shù)值為5.04；(3)仰拱在軟弱圍巖(Ⅴ級圍巖)中時，作用在仰拱上的圍巖荷載增大，導(dǎo)致仰拱承受較大的彎矩，成為結(jié)構(gòu)受力的不利位置；(4)大灣隧道襯砌的安全系數(shù)均大于TB 10003-2005《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》的限值2.4，說明大灣隧道在新建路基上跨的情況下，襯砌結(jié)構(gòu)在路面荷載作用下是安全的。

4 現(xiàn)場驗(yàn)證

為進(jìn)一步驗(yàn)證S409線在上跨大灣隧道施工期間及道路運(yùn)行后的鐵路運(yùn)營安全，根據(jù)本項(xiàng)目的實(shí)際情況，針對大灣隧道交叉段進(jìn)行隧道襯砌厚度及背后空洞檢測、襯砌強(qiáng)度檢測、襯砌凈空檢測、仰拱厚度檢測、襯砌裂縫及滲漏水調(diào)查，檢測結(jié)果如下。

4.1 厚度及背后空洞檢測

在大灣隧道交叉段前后50 m范圍，采用SIR-3000地質(zhì)雷達(dá)對大灣隧道的拱頂、左邊墻、右邊墻、左墻腰、右墻腰5條測線做了二襯厚度及背后空洞檢測，讀取數(shù)據(jù)得襯砌厚度平均值為52 cm，大于設(shè)計值50 cm，未發(fā)現(xiàn)不密實(shí)和空洞現(xiàn)象(圖6)。

表4 大灣隧道二襯安全系數(shù)分析

圖6 地質(zhì)雷達(dá)檢測現(xiàn)場

4.2 強(qiáng)度檢測

如圖7所示，在大灣隧道左右邊墻處鉆取直徑10 cm、高度10 cm的圓柱，打磨平整后采用壓力機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，強(qiáng)度測試值為35.4 MPa，隧道設(shè)計采用C30耐腐蝕混凝土，襯砌強(qiáng)度滿足既有隧道的設(shè)計要求。

圖7 邊墻取芯

4.3 凈空檢測

采用國產(chǎn)BJSD-2型隧道限界檢測儀開展襯砌凈空檢測，每10 m布置一個檢測斷面，共檢測10個斷面，對檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，給出了檢測測點(diǎn)數(shù)、實(shí)測面積、侵界面積、檢測斷面最大侵限厚度，結(jié)果表明隧道凈空尺寸未見侵入設(shè)計限界，滿足既有隧道的凈空設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

4.4 仰拱厚度檢測

采用取芯機(jī)對基底進(jìn)行鉆探，為確保每個鉆孔已經(jīng)鉆透基底，現(xiàn)場采用人工觸探對每個鉆孔進(jìn)行檢查，結(jié)果表明隧道仰拱加填充層厚度在153～170 cm，V級復(fù)合襯砌的2個鉆孔芯樣滿足設(shè)計要求，拱填充層密實(shí)，仰拱下方密實(shí)(圖8)。

圖8 仰拱取芯

4.5 襯砌裂縫及滲漏水調(diào)查

在隧道內(nèi)對襯砌的變形和破損、裂縫及滲漏水位置沿隧道洞身里程采用人工目測分格素描的方法進(jìn)行檢查，記錄裂縫的情況，檢測中未發(fā)現(xiàn)襯砌裂縫。

綜上，通過對襯砌厚度、背后空洞、滲漏水、裂縫、凈空、基床等檢測結(jié)果進(jìn)行綜合評級，新建公路路基上跨大灣隧道交叉段襯砌安全等級評定為安全，對行車安全無影響。

5 結(jié)束語

本文采用FLAC3D有限元軟件對新建公路路基上跨既有鐵路隧道進(jìn)行了數(shù)值模擬，同時以隧道現(xiàn)場檢測結(jié)果作為驗(yàn)證，綜合評估了新建公路路基上跨既有隧道的安全性，研究結(jié)果表明：

(1)襯砌結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)在路基開挖卸載后，典型部位的安全系數(shù)均呈增長趨勢，后在道路荷載作用下，襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)均有所降低。

(2)墻腳作為應(yīng)力集中的部位，是襯砌結(jié)構(gòu)受力的薄弱部位；仰拱在軟弱圍巖中時，作用在仰拱上的圍巖荷載增大，導(dǎo)致仰拱承受較大的彎矩，容易成為結(jié)構(gòu)受力的不利位置。

(3)大灣隧道襯砌結(jié)構(gòu)在新建公路路基上跨的情況下是安全的，總體滿足了設(shè)計要求。