黃新連

(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 北京 102600)

1 引言

近年來(lái)，隨著城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的加快，在已運(yùn)營(yíng)鐵路隧道上方近距離修建市政道路的工程逐漸增多。如何保證既有鐵路在安全運(yùn)營(yíng)的基礎(chǔ)上確定合理的上跨方式，使新建工程順利實(shí)施成為一項(xiàng)重要的研究課題，受到工程技術(shù)人員越來(lái)越多的關(guān)注。

一般而言，市政道路近距離上跨既有鐵路隧道主要有兩種基本方式:路基直接上跨[1-2]和橋梁間接上跨[3-5]。前者工期短、造價(jià)省，但在近距離條件下，道路運(yùn)營(yíng)期間的車(chē)輛荷載會(huì)不可避免地引起土層變形及隧道結(jié)構(gòu)的附加內(nèi)力，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損壞，危及行車(chē)安全，風(fēng)險(xiǎn)較大；后者通過(guò)橋梁樁基對(duì)車(chē)輛荷載進(jìn)行有效地轉(zhuǎn)移，僅在樁基施工過(guò)程會(huì)對(duì)既有隧道產(chǎn)生不利影響，風(fēng)險(xiǎn)較低，但工期長(zhǎng)，造價(jià)也相對(duì)較高。由此可見(jiàn)，兩種上跨方式各有利弊，合理的道路上跨隧道方式關(guān)鍵核心在于安全性、經(jīng)濟(jì)性以及可實(shí)施性的統(tǒng)一。

本文以四川省萬(wàn)源市某市政道路上跨既有萬(wàn)白鐵路專用線萬(wàn)源隧道為例，分別對(duì)路基直接上跨和橋梁間接上跨方式進(jìn)行研究，由此確定最優(yōu)上跨方式，為類似工程的設(shè)計(jì)、施工提供參考和借鑒。

2 工程概況

擬建道路為雙向四車(chē)道，路幅寬度20 m，組成為:3 m人行道＋7 m機(jī)動(dòng)車(chē)道＋7 m機(jī)動(dòng)車(chē)道＋3 m人行道，如圖1所示。

圖1 市政道路標(biāo)準(zhǔn)橫斷面(單位:m)

擬建道路于AK0＋408.5處以70°夾角上跨萬(wàn)白鐵路專用線萬(wàn)源隧道，上跨處鐵路里程為K0＋498.4，距離萬(wàn)源端洞口19.05 m，道路路面距離萬(wàn)源隧道拱頂約5.23 m。其平面和豎向位置關(guān)系分別如圖2和圖3所示。

圖2 擬建道路與運(yùn)營(yíng)鐵路平面位置關(guān)系(單位:m)

圖3 擬建道路與運(yùn)營(yíng)鐵路豎向位置關(guān)系(單位:m)

萬(wàn)源隧道于1975年投入運(yùn)營(yíng)，為單線隧道，內(nèi)燃牽引，直墻式混凝土襯砌，厚度0.45 m，采用混凝土軌枕、碎石道床。

根據(jù)地質(zhì)勘察情況，擬建場(chǎng)地地層為須家河組含礫砂巖(T3xj)，強(qiáng)風(fēng)化，呈黃褐色、灰黑色，礫、砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，質(zhì)較硬，礫石有長(zhǎng)石石英砂巖、燧石等，巖體基本質(zhì)量等級(jí)為V級(jí)。

3 路基直接上跨方式研究

3.1 車(chē)輛荷載對(duì)既有隧道的影響

市政道路在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，車(chē)輛荷載會(huì)引起既有隧道上方土體的應(yīng)力重分布，導(dǎo)致地層變形；車(chē)輛荷載通過(guò)圍巖作用在既有隧道襯砌上，破壞其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。對(duì)于路基近距離上跨而言，這種影響更加顯著。當(dāng)變形超過(guò)設(shè)計(jì)承受極限時(shí)，會(huì)導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)的損壞，危及行車(chē)安全。

對(duì)于荷載在土體中的應(yīng)力傳播，通?？刹捎脠D4進(jìn)行概略預(yù)測(cè)[6]。由此可見(jiàn)，當(dāng)既有隧道覆土較小時(shí)，土體對(duì)車(chē)輛荷載的分散作用小，既有隧道受到的影響較大。

圖4 帶狀荷載在土體中的應(yīng)力傳播

3.2 路基上跨既有隧道數(shù)值模型

本研究采用有限元軟件MIDAS-GTS，對(duì)萬(wàn)源隧道受市政道路車(chē)輛荷載的影響進(jìn)行三維仿真模擬分析。

為滿足邊界效應(yīng)要求，數(shù)值模型水平向尺寸為60 m(橫向)×50 m(縱向)，豎向取隧道底板以下25 m至山體表面。巖體及隧道結(jié)構(gòu)在三維實(shí)體上生成四面體網(wǎng)格，隧道襯砌在析取的幾何面上生成三角形單元，如圖5所示。

圖5 路基上跨既有隧道三維模型

巖體及隧道本構(gòu)模型采用隧道及巖土工程中常用的德魯克-普拉格(D-P)屈服準(zhǔn)則[7-9]；隧道襯砌則采用應(yīng)力與應(yīng)變直接成比例的線彈性模型。巖體和隧道襯砌的數(shù)值模擬參數(shù)依據(jù)工程地勘報(bào)告取值，如表1所示。

本市政道路為城市支路，參照《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JTG B01-2014)[10]，車(chē)道均布荷載按7.875 kN/m施加于模型中計(jì)算。

表1 巖體和隧道襯砌數(shù)值模擬參數(shù)

3.3 路基上跨既有隧道計(jì)算結(jié)果分析

在市政道路車(chē)輛荷載作用下，巖體及既有隧道襯砌豎向變形如圖6所示(圖中負(fù)位移表示沉降)。

由此可知，既有隧道豎向變形具有明顯的三維特征，在新建路基面下方形成了沉降槽。由于既有隧道埋深淺，基本處于沉降槽中，導(dǎo)致沉降量較大，最大值出現(xiàn)在拱頂處，達(dá)到10.9 mm。

為考察車(chē)輛荷載作用對(duì)既有隧道軌道沉降的影響，繪制既有隧道1軌和2軌縱向沉降曲線，如圖7所示。

由圖7可知，隧道內(nèi)軌道的豎向位移與拱頂位移趨勢(shì)一致，均為“U”形，2根軌道的最大沉降量均達(dá)到9.0 mm。差異沉降主要發(fā)生在隧道進(jìn)口段至交叉中心位置，這是因?yàn)樵摱温裆顪\，且路基交叉后繼續(xù)從其側(cè)方通過(guò)。從總體上看，最大差異沉降值為0.3 mm，差異沉降較小。

圖6 車(chē)輛荷載作用下豎向位移云圖

圖7 車(chē)輛荷載作用下隧道軌道縱向沉降曲線

隧道結(jié)構(gòu)沉降控制標(biāo)準(zhǔn)參照我國(guó)各地城市軌道交通工程監(jiān)測(cè)實(shí)例，按10 mm控制；軌道變形則依據(jù)《鐵路線路維修規(guī)則》[11]，并結(jié)合本線實(shí)際情況，采用設(shè)計(jì)行車(chē)速度不大于120 km/h普速鐵路經(jīng)常保養(yǎng)值控制，軌道水平、高低及軌向沉降均不應(yīng)超過(guò)6 mm。

因此，在本工程覆土條件下，由于新建道路車(chē)輛荷載作用，既有隧道拱頂、軌道沉降均超過(guò)控制值，鐵路行車(chē)安全受到嚴(yán)重影響。

為了確定適宜采用路基直接上跨方式的覆土厚度，取不同的覆土值進(jìn)行分析，得到既有隧道拱頂、軌道變形，如圖8所示。當(dāng)覆土達(dá)到7.67 m，即約1D(D為隧道最大跨度)時(shí)，既有隧道拱頂、軌道均能滿足沉降控制要求。

圖8 車(chē)輛荷載作用下隧道最大沉降與覆土關(guān)系

4 橋梁間接上跨方式研究

4.1 橋梁上跨既有隧道概述

采用橋梁上跨既有隧道，橋?qū)?1 m。上部采用1×25 m預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁，橋臺(tái)背墻連續(xù)，斜交角度110°；橋樁采用直徑1.5 m的鉆孔灌注樁，在既有萬(wàn)源隧道中線兩側(cè)平行布置，每側(cè)4根，如圖9所示。考慮到樁基深入隧道以下對(duì)隧道影響最小，經(jīng)樁基受力計(jì)算，樁長(zhǎng)定為24 m。

圖9 橋梁平面布置示意圖(單位:m)

采用橋梁方式上跨既有鐵路隧道，市政道路車(chē)輛荷載主要通過(guò)樁基進(jìn)行傳遞，既有隧道主要受到樁基成孔的影響。樁基成孔的施工過(guò)程本質(zhì)上是在地層中開(kāi)挖洞室的過(guò)程，洞室開(kāi)挖卸載后，引起圍巖應(yīng)力重分布，進(jìn)而可能對(duì)既有隧道產(chǎn)生不利影響。

根據(jù)彈性介質(zhì)中開(kāi)挖圓形洞室的應(yīng)力平衡方程解析解[12]，在等圍壓作用下，圓形洞室開(kāi)挖后，應(yīng)力重分布范圍一般為3～5倍洞徑，在此之外，其應(yīng)力基本上為圍巖的初始應(yīng)力。所以橋梁樁基與既有隧道的凈距應(yīng)控制在3～5倍洞徑外，以降低對(duì)既有隧道的影響。

4.2 橋梁上跨既有隧道數(shù)值模型

圖10 既有隧道與樁基數(shù)值模型

巖體、隧道及路面數(shù)值模型與路基上跨模型一致。橋梁樁基采用實(shí)體單元模擬，樁基與土體之間的接觸則通過(guò)無(wú)厚度四節(jié)點(diǎn)的Goodman單元實(shí)現(xiàn)。既有隧道與樁基數(shù)值模型如圖10所示。

4.3 橋梁上跨既有隧道計(jì)算結(jié)果分析

在樁基開(kāi)挖及樁頂荷載作用下，既有隧道變形與路基荷載作用不同，對(duì)整體巖體的影響相比而言較小，僅在垂直既有隧道方向形成“U”形沉降場(chǎng)，如圖11所示。

圖11 樁基作用下地層豎向變形云圖

以既有隧道拱頂及軌面為研究對(duì)象，繪制其沿隧道縱向的變形曲線如圖12所示。由此得到拱頂、軌面的最大豎向沉降約為3.4 mm及3.3 mm，均未超過(guò)變形控制標(biāo)準(zhǔn)。

圖12 樁基作用下隧道縱向沉降曲線

5 上跨方式的確定及實(shí)施

在市政道路近距離(覆土小于1D)上跨既有鐵路隧道條件下，采用路基直接上跨方式難于滿足既有鐵路安全運(yùn)營(yíng)的要求，經(jīng)綜合分析，采用橋梁間接上跨既有隧道方式實(shí)施。

為將上跨施工對(duì)既有隧道的影響降到最低，主要采取以下工程措施:

(1)以人工及小型機(jī)具為主，不采用大型重型施工機(jī)具，確保安全。

(2)進(jìn)行樁基開(kāi)挖時(shí)，不采用爆破施工，且對(duì)既有隧道左側(cè)和右側(cè)樁基交叉開(kāi)挖，同一側(cè)樁基間隔開(kāi)挖。

(3)完善市政道路在施工及運(yùn)營(yíng)期的排水設(shè)施建設(shè)，確保既有隧道上方不出現(xiàn)積水現(xiàn)象。

(4)填、挖土按照分段、分層的模式進(jìn)行，每層厚度均不超過(guò)0.5 m。

(5)對(duì)受影響段落的隧道拱頂、軌道實(shí)施監(jiān)控量測(cè)。結(jié)果顯示，上跨施工完成后，既有隧道拱頂和軌道處最大沉降值分別約為2.9 mm和2.4 mm，與計(jì)算值較為吻合，且均滿足既有鐵路安全運(yùn)營(yíng)的要求。

6 結(jié)論

(1)路基直接上跨和橋梁間接上跨既有隧道兩種方式在施工難度、工期、投資等方面均差異較大，需結(jié)合工程條件進(jìn)行充分論證，慎重決策。

(2)路基直接上跨方式，車(chē)輛荷載對(duì)既有隧道影響較大。若覆土厚度不大于1D(D為隧道最大跨度)，則隧道結(jié)構(gòu)及軌道沉降均難以滿足變形控制要求。

(3)由于樁基對(duì)上部荷載的轉(zhuǎn)移作用，橋梁間接上跨方式對(duì)既有隧道的影響主要集中在樁基開(kāi)挖的過(guò)程，應(yīng)保證樁基與既有隧道凈距不小于3～5倍樁徑。

(4)路基直接上跨方式施工簡(jiǎn)單、工期短、投資省，當(dāng)覆土大于1D時(shí)宜優(yōu)先考慮；否則，應(yīng)采用橋梁間接上跨方式，并付諸以相應(yīng)的工程措施，以確保既有鐵路隧道的運(yùn)營(yíng)安全。