市政道路近距離上跨運(yùn)營鐵路隧道方式研究

黃新連

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

1 引言

近年來，隨著城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的加快，在已運(yùn)營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)營的基礎(chǔ)上確定合理的上跨方式，使新建工程順利實施成為一項重要的研究課題，受到工程技術(shù)人員越來越多的關(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、造價省，但在近距離條件下，道路運(yùn)營期間的車輛荷載會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)重時會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損壞，危及行車安全，風(fēng)險較大；后者通過橋梁樁基對車輛荷載進(jìn)行有效地轉(zhuǎn)移，僅在樁基施工過程會對既有隧道產(chǎn)生不利影響，風(fēng)險較低，但工期長，造價也相對較高。由此可見，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)性以及可實施性的統(tǒng)一。

本文以四川省萬源市某市政道路上跨既有萬白鐵路專用線萬源隧道為例，分別對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、施工提供參考和借鑒。

2 工程概況

擬建道路為雙向四車道，路幅寬度20 m，組成為:3 m人行道＋7 m機(jī)動車道＋7 m機(jī)動車道＋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°夾角上跨萬白鐵路專用線萬源隧道，上跨處鐵路里程為K0＋498.4，距離萬源端洞口19.05 m，道路路面距離萬源隧道拱頂約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)營鐵路平面位置關(guān)系(單位:m)

圖3 擬建道路與運(yùn)營鐵路豎向位置關(guān)系(單位:m)

萬源隧道于1975年投入運(yùn)營，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，礫石有長石石英砂巖、燧石等，巖體基本質(zhì)量等級為V級。

3 路基直接上跨方式研究

3.1 車輛荷載對既有隧道的影響

市政道路在運(yùn)營過程中，車輛荷載會引起既有隧道上方土體的應(yīng)力重分布，導(dǎo)致地層變形；車輛荷載通過圍巖作用在既有隧道襯砌上，破壞其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。對于路基近距離上跨而言，這種影響更加顯著。當(dāng)變形超過設(shè)計承受極限時，會導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)的損壞，危及行車安全。

對于荷載在土體中的應(yīng)力傳播，通常可采用圖4進(jìn)行概略預(yù)測[6]。由此可見，當(dāng)既有隧道覆土較小時，土體對車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，對萬源隧道受市政道路車輛荷載的影響進(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]，車道均布荷載按7.875 kN/m施加于模型中計算。

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算結(jié)果分析

在市政道路車輛荷載作用下，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。

為考察車輛荷載作用對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，這是因為該段埋深淺，且路基交叉后繼續(xù)從其側(cè)方通過。從總體上看，最大差異沉降值為0.3 mm，差異沉降較小。

圖6 車輛荷載作用下豎向位移云圖

圖7 車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)參照我國各地城市軌道交通工程監(jiān)測實例，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)合本線實際情況，采用設(shè)計行車速度不大于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6 mm。

因此，在本工程覆土條件下，由于新建道路車輛荷載作用，既有隧道拱頂、軌道沉降均超過控制值，鐵路行車安全受到嚴(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，既有隧道拱頂、軌道均能滿足沉降控制要求。

圖8 車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，在既有萬源隧道中線兩側(cè)平行布置，每側(cè)4根，如圖9所示?？紤]到樁基深入隧道以下對隧道影響最小，經(jīng)樁基受力計算，樁長定為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，市政道路車輛荷載主要通過樁基進(jìn)行傳遞，既有隧道主要受到樁基成孔的影響。樁基成孔的施工過程本質(zhì)上是在地層中開挖洞室的過程，洞室開挖卸載后，引起圍巖應(yīng)力重分布，進(jìn)而可能對既有隧道產(chǎn)生不利影響。

根據(jù)彈性介質(zhì)中開挖圓形洞室的應(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。橋梁樁基采用實體單元模擬，樁基與土體之間的接觸則通過無厚度四節(jié)點的Goodman單元實現(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算結(jié)果分析

在樁基開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，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)營的要求，經(jīng)綜合分析，采用橋梁間接上跨既有隧道方式實施。

為將上跨施工對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)行樁基開挖時，不采用爆破施工，且對既有隧道左側(cè)和右側(cè)樁基交叉開挖，同一側(cè)樁基間隔開挖。

(3)完善市政道路在施工及運(yùn)營期的排水設(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0.5 m。

(5)對受影響段落的隧道拱頂、軌道實施監(jiān)控量測。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，與計算值較為吻合，且均滿足既有鐵路安全運(yùn)營的要求。

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，車輛荷載對既有隧道影響較大。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)由于樁基對上部荷載的轉(zhuǎn)移作用，橋梁間接上跨方式對既有隧道的影響主要集中在樁基開挖的過程，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單、工期短、投資省，當(dāng)覆土大于1D時宜優(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)營安全。