鐵路隧道下穿高速公路設計方案分析

(中鐵工程設計咨詢集團，北京 100055)

1 工程概況

1．1 概況

山西中南部某隧道全長1 789 m，位于山西省長治縣境內。該隧道處于低山丘陵區，地形起伏較小，發育有溝谷。隧址屬寒冷地區，最冷月平均氣溫－5．3℃，場區土壤最大凍結深度59 cm。地震基本烈度為7度，本區地震動反應譜特征周期是0．40 s。本隧道于2009年開始施工。隧道為單面5．4‰的上坡，全隧道位于直線上。

隧址區地層巖性較復雜，分布有第四系上更新統坡洪積砂質黃土、黏質黃土;第四系中更新統坡洪積黏質黃土;第四系坡洪積角礫土;石炭系上統太原組頁巖夾灰巖、砂巖等;石炭系中統本溪組頁巖、炭質頁巖;奧陶系峰峰組灰巖等。

1．2 下穿高速公路情況簡述

隧道在DK503+122處下穿長安高速公路，交叉點公路里程為K70+360，交叉范圍內公路為路塹形式，公路路面寬為12 m+2 m+12 m=26 m，鐵路線路與公路線路斜交角度約為25°，下穿段里程影響范圍大致在DK503+070～DK503+160。長安高速公路為在建公路，計劃2010年年底通車運營。圖1為隧道下穿長安高速公路的平面圖。

圖1 隧道下穿高速公路平面示意圖

另外，與其他隧道下穿高速公路實例不同的是，本隧道與高速公路交叉點里程K70+360處公路為1-4 m鋼筋混凝土蓋板通道。通道涵洞長29 m，涵洞總寬6 m，基礎為擴大基礎。隧道結構頂至高速公路路面的距離僅有11．7 m，涵洞的基礎底距離隧道結構頂的距離為5．5 m。圖2為隧道與高速公路路面及涵洞的關系立面圖。

圖2 隧道與高速公路路面及涵洞的關系立面圖

隧道在勘測時，該蓋板通道正在進行施工，圖3為蓋板通道施工中的照片。

圖3 正在施工中的1-4 m鋼筋混凝土蓋板通道

地質情況:下穿公路段范圍內圍巖級別為Ⅴ級圍巖，隧道為超淺埋，洞身穿越C3t和C2b頁巖、砂巖、炭質頁巖和薄煤層，強風化，巖體破碎。

2 施工風險分析

隧道下穿高速公路處深較淺，隧道結構頂至高速公路路面的距離僅有11．7 m，且地質條件較差，該處洞身穿越C3t和C2b頁巖、砂巖、炭質頁巖和薄煤層，強風化，巖體破碎。而且根據施工時間推算，待隧道進行下穿施工時，高速公路已經開通運營，對路面沉降的要求加大，另外，隧道下穿高速公路范圍內為1座1-4 m的涵洞，涵洞的基礎底距離隧道結構頂的距離僅有5．5 m，隧道穿越施工時不確定因素多，因此施工風險極大。根據《鐵路隧道風險評估暫行規定》，隧道施工可能造成路面沉降、開裂，概率等級4，后果等級3，風險等級評為高級，設計中必須加強支護，將風險降低。

3 施工方法選擇及超前支護參數、初期支護參數的擬定

常用的施工方法有臺階法、開挖預留核心土法、雙側壁導坑法、中隔壁(CD)法、交叉中隔壁(CRD)法。目前，國內對于下穿隧道的施工方法大多采用交叉中隔壁(CRD)法或雙側壁導坑法。通過許多成功實施的工程實例可以看出，長管棚配合超前支護配合CRD法或者雙側壁導坑法開挖，能有效控制路面沉降。此外，在隧道下穿公路的大部分工程中都采用了大管棚超前支護，這說明大管棚超前支護可以防止路面坍塌。因此可以得出以下結論:對于軟弱圍巖淺埋鐵路隧道進行下穿高速公路及其他等級公路的施工時，采用大管棚進行超前支護，CRD法或雙側壁導坑法開挖，對公路路面的穩定、保證正常公路運行起到較好的控制作用。

本工程隧道在DK503+122處下穿長安高速公路，且K70+360處公路為1-4 m鋼筋混凝土蓋板通道，公路路面寬26 m，下穿段里程影響范圍大致在DK503+070～DK503+160。

考慮到鐵路隧道進行下穿施工時，公路已通車，由于隧道上方為蓋板涵，蓋板涵結構對隧道拱頂的沉降變形極為敏感，涵洞的沉降會直接傳遞到公路路面，從而造成公路路面開裂及沉降，為避免鐵路隧道施工對公路路面結構及行車造成影響，必須執行“短進尺、弱爆破、強支護、襯砌緊跟”的施工原則，加強超前支護及初期支護，避免土層損失造成路面沉降。

確定的本下穿段的超前支護措施:在DK503+070～DK503+160段采用φ108大管棚超前支護，環向間距0．3 m，管棚每節長15 m，搭接長度大于3 m。另外，φ42超前小導管注漿超前支護作為補充加強，長4．5 m，環向間距0．3 m。

初期支護:鋼架采用Ⅰ20a型鋼鋼架，縱向間距0．5 m，噴射C25混凝土，厚度25 cm。錨桿:長度3．5 m，環向間距×縱向間距:1．0 m ×1．0 m。

施工方法采用交叉中隔壁(CRD)工法。

4 下穿段隧道承受的荷載分析

最不利情況下隧道結構所承擔的荷載情況:1)垂直荷載:隧道上方的土石自重荷載、高速公路路面車輛傳遞的荷載、涵洞自重傳遞的荷載、涵洞內機車車輛傳遞的荷載。2)水平荷載:側向土壓力及垂直荷載造成的附加水平土壓力。現在分別計算如下。

4．1 垂直荷載

4．1．1 隧道結構上方的5．5 m的土石荷載

根據《鐵路隧道設計規范》附錄 E的公式，q1=，近似取 q1= γh，則 q1=γh=20 ×5．5=110．0 kPa。

4．1．2 結構傳下來高速公路車輛的荷載

高速公路的路面車輛荷載，按設計公路車輛荷載公路—Ⅰ級來計算。按JTG D60-2004公路橋涵設計通用規范，公路—Ⅰ級車輛荷載圖如圖4所示。

圖4 公路—Ⅰ 級車輛荷載圖

路面的車輛荷載通過涵洞的結構傳至涵洞基礎，然后再通過5．5 m厚的土層傳至隧道結構頂上，高速公路單向有3個車道，車道總寬度為12 m，涵洞的基礎寬度為1．8 m。因為涵洞頂面總寬度為6 m，所以車輛荷載只能由后軸加前軸或前軸加中軸作用在涵洞結構頂面上，取其大值，前軸和后軸相加:軸重=140+140+30=310 kN計算，3個車道軸重同時傳遞，總軸重=310×3=930 kN。路面車輛荷載通過涵洞基礎按45°角擴散經5．5 m覆土傳遞到隧道結構頂，傳遞到結構頂的荷載q2計算如下:

4．1．3 涵洞結構自重傳遞下來的荷載

涵洞每延長米混凝土方量為17．19 m3，混凝土的重度按25 kN/m3計算，涵洞自重傳遞至結構頂的荷載為(按45°擴散角進行傳遞):

4．1．4 涵洞內機車通行傳遞的荷載

涵洞為交通涵洞，需要考慮最不利情況下上方有車輛通行的荷載，按JTG D60-2004公路橋涵設計通用規范，公路—Ⅱ級車輛荷載按1個車輛荷載計算:

4．1．5 所有垂直荷載求和

以上疊加，所有垂直荷載q=q1+q2+q3+q4=110．0+6+34．7+2=152．7 kPa。

4．2 水平荷載

4．2．1 由洞頂土壓力形成的側壓力

根據《鐵路隧道設計規范》附錄E的公式，e1=γh1λ，經計算λ=0．47，所以隧道結構上部的水平荷載:

隧道拱腳部位的水平荷載:

4．2．2 由路面公路荷載引起的側壓力

5 數值模擬分析

5．1 結構計算

在最不利荷載作用下，下穿高速公路段隧道結構計算模型如圖5所示。

圖5 隧道計算模型

擬定襯砌采用C35鋼筋混凝土，彈性模量為31 000 MPa，泊松比為0．2，重度為25 kN/m3。采用基于有限單元法數值模擬軟件SAP84對隧道襯砌結構進行計算，計算中采用荷載—結構模式，圍巖對墻背及拱背的彈性抗力采用彈簧單元模擬，計算結果如圖6～圖8所示。

5．2 受力特征總結

從上面結果可以看出，下穿高速公路段，由于隧道上方為涵洞，降低了垂直應力，但是由于側壓力較大，最大的彎矩出現在邊墻腳部。

圖6 剪力圖

圖7 軸力圖

圖8 彎矩圖

最大負彎矩為641 kN·m，集中在邊墻腳;其最大正彎矩為120．4 kN·m，集中在拱腰部位;其最大軸力為1 540 kN，集中在拱頂和仰拱;最小軸力為594．5 kN，集中在邊墻;其最大剪力為513．5 kN，集中在邊墻與仰拱連接處。

5．3 襯砌斷面設計

通過計算結果確定結構斷面的尺寸和配筋，結構計算結果見表1，表2為控制截面處的安全系數，滿足《鐵路隧道設計規范》鋼筋混凝土安全系數2．0的要求。

表1 結構計算結果

表2 控制截面處安全系數

6 結語

鐵路隧道下穿高速公路現在遇到的情況較多，但是交叉的部位有其他構筑物的情況較少見，根據現場施工情況來看，高速公路的地表沉降控制的較好，說明設計方案是成功的，現把得到的體會及經驗歸納如下:1)在下穿高速公路的設計中，在軟質巖層中，超前大管棚支護配合CRD工法，對確保施工安全、控制地表下沉的效果是很明顯的。2)在數值計算中，將車輛荷載等相關荷載考慮全面，將是確定后期襯砌結構參數擬定的關鍵。

［1］TB 10003-2005，鐵路隧道設計規范［S］．

［2］鐵建設〔2007〕200號，鐵路隧道風險評估暫行規定［S］．

［3］關寶樹．鐵路工程設計要點集［M］．北京:人民交通出版社，2003．