新建鐵路路基對(duì)下臥公路隧道的影響

聶玉文，王 哲

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

0 引言

隨著我國(guó)城市化速度的逐漸加快，為緩解道路交通運(yùn)輸壓力及提高運(yùn)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(huì)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的影響，路塹開(kāi)挖產(chǎn)生的卸荷以及運(yùn)營(yíng)時(shí)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(guò)設(shè)計(jì)承受極限時(shí)，會(huì)對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)造成破環(huán)，影響行車安全。

針對(duì)新建路基對(duì)下臥隧道的影響，國(guó)內(nèi)許多學(xué)者通過(guò)采用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、理論分析和數(shù)值模擬等手段，對(duì)相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行了研究。張健、朱小鵬等通過(guò)數(shù)值模擬以及現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的方法研究了路塹開(kāi)挖對(duì)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(dòng)力學(xué)數(shù)值分析研究路塹邊坡開(kāi)挖對(duì)鄰近既有隧道的影響[4]；呂荔炫等分析考慮時(shí)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(lái)減小和對(duì)下方既有鐵路隧道的影響[6]；高玄濤、黃娟等通過(guò)建立三維模型分析高鐵列車振動(dòng)荷載下隧道的動(dòng)力響應(yīng)[7-8]。總體而言，針對(duì)路基上跨既有隧道的研究多以安全性評(píng)價(jià)為主，大體還處于總結(jié)和經(jīng)驗(yàn)積累的階段。

為確保下臥隧道的運(yùn)營(yíng)安全，分析深路塹邊坡開(kāi)挖以及運(yùn)營(yíng)時(shí)對(duì)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(yùn)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(kāi)挖及運(yùn)營(yíng)階段的受力和變形規(guī)律，進(jìn)而對(duì)深挖路塹施工過(guò)程提出合理性的建議，為相關(guān)的理論研究和工程實(shí)踐提供經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

鐵路客運(yùn)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(diǎn)地處丘陵地貌，地勢(shì)較起伏。鐵路以路塹型式通過(guò)該段，軌道類型為CRTSⅢ型板式無(wú)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(zhǎng)度均為495m，左右測(cè)設(shè)線距離約17～25m，設(shè)計(jì)時(shí)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(qiáng)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(jí)別為Ⅳ級(jí)，洞頂圍巖曾出現(xiàn)過(guò)塌方，采用XS-4c復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)，支護(hù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 隧道支護(hù)參數(shù)

2 有限元模型

采用MIDAS/GTS NX有限元軟件，根據(jù)實(shí)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(diǎn)如圖2所示，其中X軸方向?yàn)樗椒较?、Y軸正方向?yàn)殍F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(kù)倫模型和彈性模型。隧道襯砌、邊坡防護(hù)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(jì)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(shí)際值，物理力學(xué)參數(shù)參考地勘資料(快剪實(shí)驗(yàn))及地區(qū)規(guī)范選取?？紤]局部地層施工過(guò)程出現(xiàn)過(guò)塌方，對(duì)粉質(zhì)粘土與全風(fēng)化花崗巖彈性模量適當(dāng)弱化。計(jì)算中，各土質(zhì)地層采用摩爾-庫(kù)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(jiàn)表2。

表2 材料物理力學(xué)參數(shù)

2.3 全過(guò)程的模擬和實(shí)現(xiàn)

本次數(shù)值計(jì)算中鐵路路基上跨既有公路隧道路塹開(kāi)挖的施工過(guò)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(kāi)挖，激活襯砌單元，求解至平衡，位移清零。施工階段通過(guò)定義荷載釋放系數(shù)控制作用于襯砌上的圍巖壓力。

(3)開(kāi)挖邊坡1，激活邊坡錨桿、擋墻等防護(hù)措施，求解至平衡。

(4)重復(fù)步驟(3)直至邊坡開(kāi)挖完畢。

(5)求解至平衡。

(6)運(yùn)營(yíng)階段模擬：路基施加列車均布荷載，求解至平衡。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

圖3為鐵路路塹邊坡開(kāi)挖后的位移云圖。從圖3可以看出，路塹邊坡的開(kāi)挖位移影響區(qū)域包含開(kāi)挖部分鄰近區(qū)域。隨著路塹的開(kāi)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(kāi)挖時(shí)襯砌變形分析

由計(jì)算結(jié)果得出，路塹開(kāi)挖后對(duì)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(kāi)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(diǎn)的位置越近隧道結(jié)構(gòu)的變形就越明顯，路塹邊坡開(kāi)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(kāi)挖后襯砌豎向位移

如圖5所示，橫坐標(biāo)零點(diǎn)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(kāi)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(kāi)挖卸載的影響，拱頂位移逐漸增大。在第三、四級(jí)卸載過(guò)程，交叉點(diǎn)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(shí)，應(yīng)加強(qiáng)三、四級(jí)開(kāi)挖卸載時(shí)隧道拱頂?shù)谋O(jiān)控量測(cè)，發(fā)現(xiàn)位移速率變化過(guò)大應(yīng)及時(shí)采取保護(hù)措施。

圖5 隧道拱頂隨路塹開(kāi)挖位移

洞口段出現(xiàn)豎向位移增大的趨勢(shì)，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(kāi)挖卸荷時(shí)隧道結(jié)構(gòu)隆起值增加，拱頂上部山體對(duì)應(yīng)出現(xiàn)隆起現(xiàn)象。因此,在路塹開(kāi)挖前，應(yīng)將洞口一側(cè)山體的小塊及破碎巖體進(jìn)行清除，并在洞口設(shè)置被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)，防止次生災(zāi)害的影響。

3.2 路塹開(kāi)挖時(shí)襯砌內(nèi)力分析

圖6為路塹開(kāi)挖后隧道襯砌軸力和彎矩云圖。由計(jì)算結(jié)果可知，隨著路塹開(kāi)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(kāi)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(kù)倫本構(gòu)模型在模擬破碎圍巖有一定的局限性，無(wú)法考慮圍巖破碎的影響。

圖6 內(nèi)力分布云圖

3.3 運(yùn)營(yíng)時(shí)襯砌位移分析

根據(jù)《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》[9]表6.1.15，CRTSⅢ型板式無(wú)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(yùn)營(yíng)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(kāi)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(kāi)挖卸載時(shí)一致。

圖7 運(yùn)營(yíng)時(shí)襯砌豎向位移

3.4 運(yùn)營(yíng)時(shí)襯砌承載力分析

根據(jù)設(shè)計(jì)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(kù)倫本構(gòu)模型的局限性，無(wú)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(jì)算偏小，因此在運(yùn)營(yíng)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(jì)規(guī)范》CRTSⅢ型板式無(wú)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(duì)軌道及列車均布荷載進(jìn)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(jì)細(xì)則》[10]進(jìn)行取值計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 Ⅳ級(jí)淺埋圍巖荷載

根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)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(guò)塌方，本工點(diǎn)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(duì)隧道襯砌進(jìn)行結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖9所示。

圖9 內(nèi)力分布云圖

在運(yùn)營(yíng)期間，經(jīng)過(guò)計(jì)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(wú)仰拱的素混凝土結(jié)構(gòu)，鑒于荷載結(jié)構(gòu)法模型對(duì)二襯的敏感性，應(yīng)對(duì)隧道襯砌及塌腔回填情況進(jìn)行檢測(cè)，尤其是襯砌強(qiáng)度及厚度是否滿足原設(shè)計(jì)要求，并確保襯砌無(wú)病害影響。

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)新建客運(yùn)專線以路塹形式上跨既有公路隧道交叉部位建立三維計(jì)算模型，模擬鐵路路塹邊坡開(kāi)挖至運(yùn)營(yíng)階段的全過(guò)程，分析了邊坡開(kāi)挖和運(yùn)營(yíng)過(guò)程中對(duì)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(kāi)挖對(duì)既有隧道產(chǎn)生整體向上的卸荷回彈，對(duì)水平方向的影響較?。凰淼澜Y(jié)構(gòu)的豎直方向變形隨距離路塹與公路隧道交叉點(diǎn)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(kāi)挖卸荷時(shí)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(kāi)挖前，應(yīng)將洞口一側(cè)山體的小塊及破碎巖體進(jìn)行清除，并在洞口設(shè)置被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)，防止次生災(zāi)害的影響。

(3)隨著路塹開(kāi)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(shí)，襯砌內(nèi)力受路塹開(kāi)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(yùn)營(yíng)階段考慮列車靜載時(shí)，隧道結(jié)構(gòu)向上的變形減小，變形分布與路塹開(kāi)挖后一致。通過(guò)荷載結(jié)構(gòu)法進(jìn)行計(jì)算，隧道二襯結(jié)構(gòu)可滿足運(yùn)營(yíng)期間承載能力的要求。由于運(yùn)營(yíng)階段拱頂處安全系數(shù)僅為3.9，需對(duì)隧道襯砌及塌腔回填情況進(jìn)行檢測(cè)，防止隧道結(jié)構(gòu)出現(xiàn)破壞。