新建公路隧道上跨既有鐵路隧道的安全性評價

趙法亮

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

隨著我國基礎(chǔ)交通設(shè)施不斷發(fā)展，公路、鐵路、城市等隧道越來越多的建設(shè)和運(yùn)營，受地形、地質(zhì)、周邊建筑等多種因素影響，不可避免地出現(xiàn)許多上下交叉隧道形式的工程，這些工程相互之間存在不同程度的不利影響。劉明高等[1]通過實際監(jiān)控量測數(shù)據(jù)，研究了市政隧道上跨既有鐵路隧道設(shè)計和施工采用的原則、方法與對策。熊文亮[2]研究了既有鐵路隧道的襯砌結(jié)構(gòu)安全檢算的依據(jù)和方法。張麗娟[3]探討了新建公路隧道上跨施工中施工技術(shù)及管理思路。張勤等[4]研究了路基排水施工對高速公路隧道結(jié)構(gòu)安全的影響，針對性地提出施工和運(yùn)營過程中的安全保障措施。以實際工程為依托，研究新建公路隧道上跨既有鐵路隧道的安全影響。

1 工程概況

新建蘭永臨高速柳泉隧道為分離式公路特長隧道，全長4956m，雙向四車道，設(shè)計時速80km/h。柳泉隧道與東坪村隧道平面關(guān)系見圖1。既有蘭新客專東坪村隧道位于甘肅省蘭州市西固區(qū)境內(nèi)，單洞雙線隧道，全長2088m，設(shè)計時速350km/h，線路采用無砟軌道，無縫鋼軌。

圖1 柳泉隧道與東坪村隧道平面關(guān)系圖

新建柳泉隧道于AZK6+129.23、AYK6+079處連續(xù)兩次上跨既有運(yùn)營蘭新客專東坪村隧道，左右線與東坪村隧道平面交叉交角分別為45°、48°，與蘭新客專東坪村隧道豎向距離分別為47.3m、45.3m。

圖2 柳泉隧道與蘭新客專東坪村隧道剖面關(guān)系圖

2 控制標(biāo)準(zhǔn)

上跨施工過程中對既有鐵路隧道的控制主要是結(jié)構(gòu)變形和內(nèi)力兩方面。其中內(nèi)力控制主要是驗算隧道斷面關(guān)鍵位置處的安全系數(shù)，結(jié)構(gòu)變形主要是隧道自身的襯砌結(jié)構(gòu)、隧洞內(nèi)鋼軌的變形。上跨施工引起的變形量和內(nèi)力值都要嚴(yán)格限制在允許范圍內(nèi)，避免對既有隧道的結(jié)構(gòu)和運(yùn)營安全造成危害。

2.1 襯砌變形控制標(biāo)準(zhǔn)

襯砌作為隧道最主要承受荷載的結(jié)構(gòu)，上跨施工中必須減少擾動，嚴(yán)格控制變形量在允許的范圍內(nèi)，變形一旦超限制可能會引起結(jié)構(gòu)變形開裂、掉塊、滲水，影響既有隧道的安全，甚至中斷列車的正常營運(yùn)。根據(jù)《鄰近鐵路營業(yè)線施工安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)程》(TB 10314—2021，J 2906—2021)規(guī)定，高速鐵路隧道位移變形監(jiān)測預(yù)警值、報警值和控制值標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 高速鐵路隧道位移變形監(jiān)測預(yù)警值、報警值和控制值 mm

新建高速公路隧道上跨開挖施工過程中，隨著巖體不斷開挖，既有高鐵隧道上方所受荷載也減小，襯砌結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生豎向位移，這里采用5mm作為控制標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行襯砌變形控制。

2.2 鐵路軌道控制標(biāo)準(zhǔn)

既有鐵路隧道內(nèi)鋼軌在復(fù)雜的受力條件下工作，會出現(xiàn)高低、水平、扭曲、軌向等各類不平順，會使得輪軌動力作用增強(qiáng)，從而導(dǎo)致輪軌系統(tǒng)劇烈振動，降低了列車行駛的穩(wěn)定性，嚴(yán)重時會引發(fā)脫軌事故。

根據(jù)《鄰近鐵路營業(yè)線施工安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)程》(TB 10314—2021，J 2906—2021)規(guī)定，高速鐵路軌道位移變形監(jiān)測預(yù)警值、報警值和控制值見表2。

表2 高速鐵路軌道位移變形監(jiān)測預(yù)警值、報警值和控制值 mm

本次采用軌道豎向、水平位移2mm作為控制標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行襯砌變形控制。

3 隧道結(jié)構(gòu)及軌道安全性評價

3.1 分析方法

根據(jù)新建隧道和既有隧道相對位置關(guān)系，建立三維有限元模型來分析上跨施工對既有隧道帶來的一系列影響，三維數(shù)值模型見圖3。在滿足邊界效應(yīng)及兩隧道交叉段落范圍的前提下，三維模型的左右長度為200m；前后長度為280m；下邊界至既有隧道底板以下50m，由于為上跨公路隧道埋深很大，上邊界至新建公路隧道塌落拱以上10m，共130m。

圖3 三維數(shù)值模型圖

3.2 基本參數(shù)的選取

采用的物理力學(xué)參數(shù)見表3。

表3 主要物理力學(xué)參數(shù)

3.3 分析結(jié)果

(1)既有鐵路隧道襯砌變形分析

從位移云圖(圖4)可知，既有鐵路隧道最大豎向位移出現(xiàn)在兩隧道交叉斷面處，為拱頂隆起變形，最大值為0.7mm，小于襯砌變形控制標(biāo)準(zhǔn)5mm。

圖4 既有鐵路隧道襯砌變形云圖

(2)隧道結(jié)構(gòu)安全系數(shù)檢算

在新建公路隧道開挖作用下，既有鐵路隧道襯砌的內(nèi)力結(jié)果如圖5所示。

圖5 既有鐵路隧道襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布圖

由于兩隧道交叉位置處的既有隧道襯砌內(nèi)力最大，僅需對交叉位置處斷面進(jìn)行安全檢算。根據(jù)《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》中“8.5襯砌計算”相關(guān)規(guī)定，驗算既有鐵路隧道襯砌斷面中拱頂、拱腳、仰拱3處特征位置的安全系數(shù)，由于篇幅有限，僅給出新建公路右線交叉斷面處驗算結(jié)果，如表4。

表4 與新建隧道右線交叉斷面襯砌結(jié)構(gòu)受力及安全系數(shù)檢算表

由表4中計算結(jié)果可知，既有鐵路隧道拱頂、拱腳、仰拱位置處安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求，新建公路上跨施工對既有鐵路隧道影響有限，不會危害襯砌結(jié)構(gòu)的安全。

(3)軌道變形分析

施工期既有鐵路隧道軌道的位移圖見圖6、圖7所示(x、y、z方向正值代表變形與x、y、z軸正值一致)。

圖6 鐵路左線軌道位移云圖

圖7 鐵路右線軌道位移云圖

由以上數(shù)據(jù)可知，軌道變形整體較小，且左、右線左右軌道變形趨勢基本一致，軌道豎向位移和水平位移最大值出現(xiàn)在鐵路左線軌道上，豎向位移最大值為0.53mm，水平位移最大值為0.14mm，均小于2mm的控制標(biāo)準(zhǔn)。

上述計算結(jié)果均小于控制值(水平、高低5mm，軌向4mm)，不影響軌道的安全狀態(tài)。

4 結(jié)論

新建公路左線隧道AZK6+085.95～AZK6+172.51段共86.56m、右線隧道AYK6+030.54～AZK6+121.46段共90.92m位于影響范圍內(nèi)，公路隧道設(shè)計采取了相應(yīng)的加強(qiáng)處理措施，可以保證新建公路隧道上跨施工及既有鐵路隧道的安全：

(1)新建公路隧道的開挖使得既有鐵路隧道在拱頂處發(fā)生隆起變形，最大變形值僅為0.7mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于5mm的控制標(biāo)準(zhǔn)，襯砌結(jié)構(gòu)是安全的。

(2)既有鐵路施工期軌道最大變形值豎向為0.35mm、水平方向為0.03mm，均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于2mm的控制標(biāo)準(zhǔn)。因此，新建公路隧道的開挖不會對既有鐵路隧道內(nèi)軌道產(chǎn)生不良影響。

(3)新建公路上跨施工對既有鐵路隧道影響有限，未形成拉裂、壓裂破壞，既有隧道拱頂、拱腳、仰拱等處安全系數(shù)遠(yuǎn)大于規(guī)范規(guī)定，襯砌結(jié)構(gòu)安全。