新建斜井上跨既有鐵路隧道的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

王漢晨

（中鐵第六勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司隧道設(shè)計(jì)分公司，天津300000）

1 引言

隨著我國(guó)鐵路的快速發(fā)展，越來(lái)越多與鐵路營(yíng)業(yè)線(xiàn)存在立體交叉的工程難題擺在建設(shè)者面前，其中尤以隧道處理難度高。究其原因，一方面是由于鐵路運(yùn)營(yíng)線(xiàn)路意義重大，改造前后均不得中斷行車(chē)；另一方面是由于隧道工程其本身的特殊性，作業(yè)空間嚴(yán)重受限，既有線(xiàn)路支護(hù)條件難以改變，而交叉段施工會(huì)造成襯砌背后圍巖應(yīng)力的重新分布和地下水環(huán)境的改變，繼而影響營(yíng)業(yè)線(xiàn)隧道的安全運(yùn)營(yíng)。

2 工程地質(zhì)背景

營(yíng)業(yè)線(xiàn)隧道位于山西省境內(nèi)，隧道左右線(xiàn)間距30m，隧道最大埋深約550m，隧道斷面設(shè)計(jì)采用“隧限-2A”。隧址區(qū)是構(gòu)造侵蝕剝蝕基巖山區(qū)地貌，新建斜井位于營(yíng)業(yè)線(xiàn)隧道上方，斜井按雙車(chē)道設(shè)計(jì)，斜井?dāng)嗝娉叽鐬?.6m 高、10m 寬，斜井仰拱與隧道拱頂凈距最小僅有8m，小于1 倍洞徑。

3 上跨正線(xiàn)段斜井主要設(shè)計(jì)參數(shù)

拱部φ42mm 超前小導(dǎo)管，L=3.5m，間距40cm；邊墻φ22mm 砂漿錨桿，L=3m，間距1.0m×1.0m；全環(huán)25cm 厚C25噴射混凝土，全環(huán)I18 型鋼鋼架，間距0.75m/榀；全環(huán)40cm 厚C40 鋼筋混凝土；路面鋪設(shè)I40a 型鋼鋼便梁。

4 計(jì)算分析

4.1 計(jì)算模型及實(shí)際工況模擬

計(jì)算采用MIDAS-GTSNX 軟件建立模型。土體采用實(shí)體單元模擬，初支和二襯采用殼單元模擬，錨桿采用“嵌入式桁架”單元模擬。新建斜井覆土約200m 屬于深埋隧道，為簡(jiǎn)化模，取左右各30m 寬度，豎向高度各取50m，模型底部固定約束，兩側(cè)施加豎直滑動(dòng)約束，表面取為自由邊界，模型如圖1、圖2 所示。

圖1 三維數(shù)值模型

通過(guò)GTS-NX“鈍化”功能鈍化斜井部分巖體來(lái)實(shí)現(xiàn)模擬斜井開(kāi)挖，巖體及被跨越正洞雙線(xiàn)“激活”功能形成初始應(yīng)力場(chǎng)，通過(guò)分布實(shí)現(xiàn)斜井的開(kāi)挖和支護(hù)完成對(duì)實(shí)際工況的模擬，其中計(jì)算荷載主要為結(jié)構(gòu)和巖體的自重。計(jì)算選取參數(shù)詳見(jiàn)表1。

圖2 立體交叉關(guān)系三維模型

表1 主要物理力學(xué)參數(shù)表

4.2 計(jì)算云圖及結(jié)論

豎向變形云圖、應(yīng)力云圖分別如圖3、圖4 所示。

圖3 隧道完成開(kāi)挖后豎向變形云圖

圖4 隧道開(kāi)挖應(yīng)力云圖

由分析可知，既有營(yíng)業(yè)線(xiàn)受上跨隧道施工影響產(chǎn)生的最大豎向位移位于隧道拱頂，位移值為1.56mm，最大位移處最大主應(yīng)力為426kN/m2，軸力為182kN。

4.3 施工監(jiān)測(cè)驗(yàn)證

如圖5 所示為營(yíng)業(yè)線(xiàn)隧道位移變化監(jiān)測(cè)值。

分析監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，斜井在開(kāi)挖過(guò)程中變形及應(yīng)力較三維數(shù)值模擬趨勢(shì)相符，拱頂最大沉降為10.75mm，較三維數(shù)值模擬結(jié)果偏大，因此，在實(shí)際施工過(guò)程中還應(yīng)考慮臨時(shí)過(guò)渡方案，本工程在完成開(kāi)挖后，采用鋼便梁將作用在斜井底部的活載轉(zhuǎn)換到正線(xiàn)隧道以外部分。

圖5 營(yíng)業(yè)線(xiàn)隧道位移變化監(jiān)測(cè)值

4.4 鋼便梁計(jì)算分析

依照J(rèn)TG D64—2015《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》【1】，臨時(shí)工程Q235B 鋼材的容許應(yīng)力取值：彎曲應(yīng)力及組合應(yīng)力203MPa，剪應(yīng)力119MPa。臨時(shí)工程16Mn 鋼材的容許應(yīng)力取值：彎應(yīng)力及綜合應(yīng)力294MPa，剪應(yīng)力168MPa。根據(jù)JTG D60—2015《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》【2】，對(duì)于橋梁細(xì)部構(gòu)件驗(yàn)算，主要采用車(chē)輛荷載，車(chē)輛荷載根據(jù)實(shí)際情況，取實(shí)際運(yùn)營(yíng)車(chē)輛。

4.4.1 鋼便梁荷載分析

本橋梁上主要活載為35t 渣土車(chē)及8m3混凝土運(yùn)輸車(chē)。

4.4.2 鋼便梁工況分析

主鋼便梁結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)，混凝土罐車(chē)行走至跨中情況的最不利工況考慮，采用midas civil 2017 進(jìn)行鋼便梁模型的建立計(jì)算，縱向工字鋼主梁采用梁?jiǎn)卧瑯蛎驿摪宀捎冒鍐卧?，橋面板與縱梁采用剛性連接來(lái)模擬焊接連接形式，縱梁與橋臺(tái)支撐采用一般支承形式。

1）變形計(jì)算

最大豎向變形為δmax=12.38mm＜L/400=7.5/400=18.75mm，滿(mǎn)足要求。

2）鋼便梁主梁

鋼便梁主梁采用I40a 工字鋼。

縱向主梁最大組合應(yīng)力σmax=182.55MPa＜205MPa，滿(mǎn)足要求。

縱向主梁剪切應(yīng)力σmax=41.86MPa＜120MPa，滿(mǎn)足要求。

經(jīng)計(jì)算，鋼便梁能滿(mǎn)足施工需求，同時(shí)，為避免車(chē)輛荷載傳遞至既有線(xiàn)拱頂，鋼便梁底部除橋臺(tái)位置下部脫空。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)三維數(shù)值模擬及實(shí)際工程驗(yàn)證表明，小凈距（8m）硬巖隧道上跨既有營(yíng)業(yè)線(xiàn)鐵路隧道的開(kāi)挖和支護(hù)產(chǎn)生的變形是可控的。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與三維數(shù)值模擬對(duì)比可見(jiàn)，三維模擬計(jì)算變形結(jié)果較現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)值趨勢(shì)一致，但總體變形相對(duì)較小，實(shí)際施工中還應(yīng)當(dāng)密切關(guān)注變形量測(cè)，為安全施工提供指導(dǎo)，當(dāng)發(fā)生突變位移時(shí)應(yīng)立即停止施工，程度較重時(shí)應(yīng)立即封鎖下側(cè)運(yùn)營(yíng)線(xiàn)路。工程考慮實(shí)際變形較三維數(shù)值模擬結(jié)果偏大及后期斜井安全使用等因素，在實(shí)際施工中對(duì)上跨區(qū)段采用了鋼便梁，成功轉(zhuǎn)換了荷載的傳遞，有效控制了小凈距上跨隧道施工對(duì)營(yíng)業(yè)線(xiàn)的影響。