聶玉文，王 哲

(廣東省交通規(guī)劃設(shè)計研究院股份有限公司，廣州 510507)

0 引言

隨著我國城市化速度的逐漸加快，為緩解道路交通運輸壓力及提高運輸能力，地區(qū)間軌道交通的建設(shè)不斷增多，不可避免地與既有道路之間形成交叉工況。一般情況下，既有隧道上方修筑深路塹路基，會對隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的影響，路塹開挖產(chǎn)生的卸荷以及運營時列車荷載形成的附加應(yīng)力，造成隧道結(jié)構(gòu)發(fā)生變形變位[1]，當(dāng)襯砌受力超過設(shè)計承受極限時，會對隧道襯砌結(jié)構(gòu)造成破環(huán)，影響行車安全。

針對新建路基對下臥隧道的影響，國內(nèi)許多學(xué)者通過采用現(xiàn)場監(jiān)測、理論分析和數(shù)值模擬等手段，對相關(guān)問題進行了研究。張健、朱小鵬等通過數(shù)值模擬以及現(xiàn)場檢測的方法研究了路塹開挖對隧道結(jié)構(gòu)以及圍巖變形的影響[2-3]；趙東平等采用靜力學(xué)與動力學(xué)數(shù)值分析研究路塹邊坡開挖對鄰近既有隧道的影響[4]；呂荔炫等分析考慮時間效應(yīng)下既有隧道受路基堆載變形效應(yīng)[5]；周超等提出采用剛性板跨越方案來減小和對下方既有鐵路隧道的影響[6]；高玄濤、黃娟等通過建立三維模型分析高鐵列車振動荷載下隧道的動力響應(yīng)[7-8]?？傮w而言，針對路基上跨既有隧道的研究多以安全性評價為主，大體還處于總結(jié)和經(jīng)驗積累的階段。

為確保下臥隧道的運營安全，分析深路塹邊坡開挖以及運營時對隧道影響方式與程度，是必不可少的。鑒于此，本文以某鐵路客運專線路基上跨某高速公路隧道為依托，分析下穿隧道在深路塹開挖及運營階段的受力和變形規(guī)律，進而對深挖路塹施工過程提出合理性的建議，為相關(guān)的理論研究和工程實踐提供經(jīng)驗。

1 工程概況

鐵路客運專線于鐵路里程DK1+000～+136上跨某高速公路隧道，與既有隧道夾角約55°，位置如圖1所示。工點地處丘陵地貌，地勢較起伏。鐵路以路塹型式通過該段，軌道類型為CRTSⅢ型板式無砟軌道。公路隧道洞頂標(biāo)高約60.6m，鐵路軌面標(biāo)高約82.4m，距公路隧道洞頂約21.8m。

圖1 鐵路路基與既有公路隧道位置關(guān)系

既有隧道位于已建高速公路。隧道左、右線長度均為495m，左右測設(shè)線距離約17～25m，設(shè)計時速為100km/h，隧道埋深為10～60m，與鐵路路基相交處的隧道拱頂原始埋深30～50m。自上而下地層為：可塑狀粉質(zhì)粘土、硬塑狀粉質(zhì)粘土、全風(fēng)化花崗巖、強風(fēng)化花崗巖、中風(fēng)化花崗巖、微風(fēng)化花崗巖。其中，隧道洞身位于微風(fēng)化花崗巖，拱頂中、微風(fēng)化花崗巖層厚度大于4.8m。

隧道與鐵路斜交段圍巖級別為Ⅳ級，洞頂圍巖曾出現(xiàn)過塌方，采用XS-4c復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)，支護參數(shù)見表1。

表1 隧道支護參數(shù)

2 有限元模型

采用MIDAS/GTS NX有限元軟件，根據(jù)實際工程情況及圣維南原理，建立三維數(shù)值模型。

2.1 模型的建立

模型原點如圖2所示，其中X軸方向為水平方向、Y軸正方向為鐵路路基軸向方向、Z正方向豎直向上。建立的模型尺寸為：171m×238m×57(109)m。穿越區(qū)段土體分為4層，本構(gòu)模型為摩爾-庫倫模型和彈性模型。隧道襯砌、邊坡防護以及擋墻采用板單元模擬。模型的約束條件為：上部邊界為自由面，四周邊界施加水平約束，底部邊界施加水平約束和豎直約束。

圖2 三維有限元模型

2.2 計算參數(shù)

鐵路路基上跨既有公路隧道的三維數(shù)值模型中的地層和相關(guān)結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)為實際值，物理力學(xué)參數(shù)參考地勘資料(快剪實驗)及地區(qū)規(guī)范選取?？紤]局部地層施工過程出現(xiàn)過塌方，對粉質(zhì)粘土與全風(fēng)化花崗巖彈性模量適當(dāng)弱化。計算中，各土質(zhì)地層采用摩爾-庫倫彈塑性本構(gòu)模型，巖質(zhì)地層及隧道襯砌采用彈性模型，各材料具體的參數(shù)見表2。

表2 材料物理力學(xué)參數(shù)

2.3 全過程的模擬和實現(xiàn)

本次數(shù)值計算中鐵路路基上跨既有公路隧道路塹開挖的施工過程為：

(1)激活土層，模型的四周和底部的邊界條件為法向約束，地表為自由邊界條件，在自重條件下求解至平衡，位移清零。

(2)隧道開挖，激活襯砌單元，求解至平衡，位移清零。施工階段通過定義荷載釋放系數(shù)控制作用于襯砌上的圍巖壓力。

(3)開挖邊坡1，激活邊坡錨桿、擋墻等防護措施，求解至平衡。

(4)重復(fù)步驟(3)直至邊坡開挖完畢。

(5)求解至平衡。

(6)運營階段模擬：路基施加列車均布荷載，求解至平衡。

3 計算結(jié)果及分析

圖3為鐵路路塹邊坡開挖后的位移云圖。從圖3可以看出，路塹邊坡的開挖位移影響區(qū)域包含開挖部分鄰近區(qū)域。隨著路塹的開挖，路塹整體有向上隆起的變形，最大隆起量5.9cm。水平位移方向主要為路基方向指向邊坡方向，最大位移值為2.4cm。

圖3 位移云圖

3.1 路塹開挖時襯砌變形分析

由計算結(jié)果得出，路塹開挖后對隧道水平方向上的位移影響很小，在豎直方向上的位移影響較大。路塹開挖后，隧道拱頂發(fā)生方向向上的豎向位移。如圖4所示，左線隧道拱頂隆起最大值為1.1mm，右線隧道拱頂隆起最大值為1.5mm。在路塹與公路隧道交叉點的位置越近隧道結(jié)構(gòu)的變形就越明顯，路塹邊坡開挖，地表覆土挖除，拱頂存在一定的卸載，豎向圍巖壓力降低，拱頂存在向上位移。

圖4 路塹開挖后襯砌豎向位移

如圖5所示，橫坐標(biāo)零點為鐵路路線與隧道平面交叉的位置，既有隧道受路塹邊坡開挖的影響范圍大致在路線交叉處前后約50m左右，且隨著隧道開挖卸載的影響，拱頂位移逐漸增大。在第三、四級卸載過程，交叉點處隧道拱頂位移變化明顯，分別占總位移的31%和36%。因此在施工時，應(yīng)加強三、四級開挖卸載時隧道拱頂?shù)谋O(jiān)控量測，發(fā)現(xiàn)位移速率變化過大應(yīng)及時采取保護措施。

圖5 隧道拱頂隨路塹開挖位移

洞口段出現(xiàn)豎向位移增大的趨勢，此處埋深較淺，洞身位于全風(fēng)化地層中，受地層條件以及埋深的影響，在開挖卸荷時隧道結(jié)構(gòu)隆起值增加，拱頂上部山體對應(yīng)出現(xiàn)隆起現(xiàn)象。因此,在路塹開挖前，應(yīng)將洞口一側(cè)山體的小塊及破碎巖體進行清除，并在洞口設(shè)置被動防護網(wǎng)，防止次生災(zāi)害的影響。

3.2 路塹開挖時襯砌內(nèi)力分析

圖6為路塹開挖后隧道襯砌軸力和彎矩云圖。由計算結(jié)果可知，隨著路塹開挖，隧道襯砌的軸力與彎矩量值略有增大，但內(nèi)力分布位置幾乎不變。埋深較小的洞口段襯砌內(nèi)力受路塹開挖影響明顯，埋深較大的洞身段隧道內(nèi)力變化不明顯，在交叉處內(nèi)力值較小。路基下臥隧道圍巖為中-微風(fēng)化花崗巖，巖體破碎，摩爾-庫倫本構(gòu)模型在模擬破碎圍巖有一定的局限性，無法考慮圍巖破碎的影響。

圖6 內(nèi)力分布云圖

3.3 運營時襯砌位移分析

根據(jù)《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》[9]表6.1.15，CRTSⅢ型板式無砟軌道的軌道及列車均布荷載為54.1 kN/m2。如圖7(a)所示，隧道在運營階段由于車輛靜載作用，左線隧道隆起最大值為1.0mm，右線隧道最大位移為1.3mm。取右線隧道拱頂縱向位移變化繪制曲線，如圖7(b)所示。相較于路基開挖結(jié)束后隧道豎向的上拱位移均有所減少，隧道縱向位移分布與路基開挖卸載時一致。

圖7 運營時襯砌豎向位移

3.4 運營時襯砌承載力分析

根據(jù)設(shè)計資料，路塹下部隧道圍巖為中～微風(fēng)化花崗巖，巖體破碎，圍巖完整性較差。由于摩爾-庫倫本構(gòu)模型的局限性，無法考慮圍巖破碎的影響，在中、微風(fēng)化條件下，從圖6可看出交叉段襯砌內(nèi)力計算偏小，因此在運營階段將采用荷載結(jié)構(gòu)法分析襯砌承載力的影響。

根據(jù)《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》CRTSⅢ型板式無砟軌道的軌道及列車均布荷載為54.1 kN/m2，均布荷載分布寬度取13.6m，結(jié)合附加應(yīng)力分布規(guī)律，路基中心底下20m位置附加應(yīng)力分布系數(shù)取0.4，隧道位置受軌道及列車均布荷載21.6 kN/m2?？紤]鐵路路基與公路隧道55°斜交，對軌道及列車均布荷載進行等效為正交斷面，公路隧道受軌道及列車均布荷載26.4 kN/m2。

圖8 軌道與列車均布荷載正截面等效圖

隧道圍巖荷載根據(jù)《公路隧道設(shè)計細(xì)則》[10]進行取值計算，結(jié)果見表3。

表3 Ⅳ級淺埋圍巖荷載

根據(jù)《公路隧道設(shè)計細(xì)則》(JTG/T D70-2010)，二次襯砌承載比≥40%，考慮隧道在該區(qū)段施工中出現(xiàn)過塌方，本工點偏保守地考慮二襯承擔(dān)50%土壓力。采用結(jié)構(gòu)荷載法對隧道襯砌進行結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算，計算結(jié)果如圖9所示。

圖9 內(nèi)力分布云圖

在運營期間，經(jīng)過計算在永久荷載+軌道與列車荷載下二襯結(jié)構(gòu)仍可滿足要求，但拱頂處安全系數(shù)僅為3.9，接近于規(guī)范要求的最低限值;且隧道在該區(qū)段二次襯砌為無仰拱的素混凝土結(jié)構(gòu)，鑒于荷載結(jié)構(gòu)法模型對二襯的敏感性，應(yīng)對隧道襯砌及塌腔回填情況進行檢測，尤其是襯砌強度及厚度是否滿足原設(shè)計要求，并確保襯砌無病害影響。

4 結(jié)語

本文針對新建客運專線以路塹形式上跨既有公路隧道交叉部位建立三維計算模型，模擬鐵路路塹邊坡開挖至運營階段的全過程，分析了邊坡開挖和運營過程中對隧道變形及受力的變化情況，得到以下結(jié)論：

(1)新建鐵路路塹的開挖對既有隧道產(chǎn)生整體向上的卸荷回彈，對水平方向的影響較??；隧道結(jié)構(gòu)的豎直方向變形隨距離路塹與公路隧道交叉點位置的減小而變大，影響范圍大致在路線交叉處兩側(cè)約50m左右，變形最大值在隧道拱部位置。

(2)受地層條件以及埋深的影響，在開挖卸荷時靠近洞口段位置，隧道結(jié)構(gòu)出現(xiàn)豎直方向上位移增大的現(xiàn)象，在路塹開挖前，應(yīng)將洞口一側(cè)山體的小塊及破碎巖體進行清除，并在洞口設(shè)置被動防護網(wǎng)，防止次生災(zāi)害的影響。

(3)隨著路塹開挖，隧道襯砌的軸力與彎矩量值略有增大，但內(nèi)力分布位置幾乎不變，埋深越小時，襯砌內(nèi)力受路塹開挖影響明顯，靠近山體內(nèi)側(cè)，襯砌內(nèi)力變化不明顯。

(4)在運營階段考慮列車靜載時，隧道結(jié)構(gòu)向上的變形減小，變形分布與路塹開挖后一致。通過荷載結(jié)構(gòu)法進行計算，隧道二襯結(jié)構(gòu)可滿足運營期間承載能力的要求。由于運營階段拱頂處安全系數(shù)僅為3.9，需對隧道襯砌及塌腔回填情況進行檢測，防止隧道結(jié)構(gòu)出現(xiàn)破壞。