公路跨越既有鐵路隧道的方案設計與研究

周 超

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北 武漢 430063)

公路跨越既有鐵路隧道的方案設計與研究

周 超

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北 武漢 430063)

在既有隧道上方施作建(構)筑物，不僅會引起隧道局部地段的沉降或隆起變形，而且荷載的反復變化也會引起隧道襯砌開裂。因此，在結構設計及施工階段，應采取合理的措施來避免或減小對下方既有隧道的影響。結合某公路延伸段跨越既有鐵路隧道工程，提出了剛性板跨越、橋梁跨越、路基通過3種方案。對上述3種方案進行綜合對比分析，發現剛性板方案具有經濟性好、實施方便等優點。通過有限元數值模擬，驗證了剛性板方案的可實施性。采用剛性板方案跨越既有隧道，在國內尚屬首次。本工程的設計可為其他類似工程提供參考。

既有隧道；公路；沉降；剛性板；有限元

0 引言

一般情況下，在既有隧道上方施作建(構)筑物，將會對隧道結構產生一定的影響。例如，在隧道上方進行基坑開挖，會對隧道造成因土體卸載而隆起的現象；后期結構施作又相當于加載，隧道受加載及卸載雙重影響，襯砌結構受力及其不利，容易出現隧道襯砌開裂。

同樣，在隧道上方施作道路或橋樁等結構物，由于外荷載的增加，隧道結構的豎向荷載和側向荷載會增大。若原有隧道的結構安全儲備不夠，也會造成隧道結構破壞。另外，豎向荷載的增加會造成隧道沉降，對隧道內的交通運營造成安全隱患。

國內有不少成功在隧道上方開挖基坑或施作建筑的例子：某輕軌車站在既有隧道上方修建，車站底板與隧道結構頂板之間為8.0 m厚中風化砂質泥巖層，車站施工中采用淺層控制爆破和光面爆破技術，降低對既有隧道襯砌的影響，同時基坑開挖過程中采用水平成層開挖等方法，避免了對下方隧道造成偏壓影響[1]；杭州市平海路跨延安路過街地道在既有地鐵盾構隧道上方修建，施工中采用地基加固處理、精細施工、分段施作基坑等手段，將隧道變形控制在理想范圍之內[2]。

對于公路跨越既有鐵路隧道，國內案例較少。一般采用路基通過方案和橋跨方案，而采用剛性板方案還沒有先例。本文結合某規劃公路延伸段跨越既有鐵路隧道工程，對比研究了剛性板跨越方案、橋跨方案和路基方案，最終確定剛性板方案為最佳方案，并從數值模擬及研究襯砌結構受力入手，分析了剛性板方案對既有隧道的影響，并通過實際監測數據印證了計算結果的可靠性。

1 工程概況

本工程為現狀某規劃道路延伸段跨越既有鐵路隧道。鐵路隧道為單線隧道，隧道建筑限界及襯砌內輪廓按照電力牽引雙層集裝箱客貨共線120 km/h條件設計，隧道穿越地層為中風化及弱風化巖層，圍巖級別為Ⅳ級。隧道采用復合式襯砌結構，隧道初期支護厚210 mm，采用網噴混凝土+格柵鋼架組合；二次襯砌厚350 mm，采用模筑鋼筋混凝土。隧道洞身高度約10 m，寬度約7 m。隧道襯砌斷面圖見圖1。從洞內觀察來看，未出現滲水、襯砌裂損、道床損害等病變現象。

圖1 隧道襯砌斷面圖(單位：cm)

根據鐵路部門意見，平行現狀鐵路軌道位置將增設1條鐵路隧道，2條隧道的中心距離為25 m。隧道上部擬建道路處現狀地面標高為34.74～36.14 m，整個隧道的覆土厚度為10～12 m。主要地質情況為中風化巖層，巖石為泥盆系中下統砂巖，巖性為灰色、青灰色、棕紅色中細粒巖屑石英砂巖，厚52～56 m。隧道與待建公路的位置關系圖見圖2。

由于原來山體的無序開挖，隧道的覆土厚度發生了較大變化，對隧道的受力情況產生局部影響。同時，考慮到規劃路延伸段的主要交通車輛為重型車輛，荷載較大，在反復荷載作用下，容易對隧道造成不利影響。為避免對鐵路隧道造成損害，確保2條隧道的安全，經專項評估，確定對該處采取必要的安全加強措施。

目前對于基坑開挖[3-4]及新建隧道的施工[5-7]對既有隧道的影響的研究較多。吳慶[8]結合上海人民路越江盾構隧道工程，研究了地面堆載對盾構隧道的影響，得出以下主要結論：堆載的重量一直是影響變形的主要原因，在3.5倍隧道直徑以內，堆載量越大，隧道變形越大；在1.5倍隧道直徑埋深以內，堆載對隧道變形的影響比較大。本工程隧道所處地層條件較差，埋深基本位于堆載影響敏感區內。

關于在隧道上方加載、卸載的文章，多從隧道結構的變形分析其安全性[9-10]；對于襯砌結構的安全儲備，則沒有進行詳細的分析。本文在考慮隧道變形的同時，引入二次襯砌的安全系數驗算，可以直觀地反映荷載的變化對結構的影響。

圖2 隧道與待建公路的位置關系圖(單位：m)Fig.2 Spatial relationship between tunnel and the highway to be built (m)

2 方案設計

對于道路跨越隧道部分，國內目前常采用的方法是根據新建道路的實際情況，進行加強設計。本文主要考慮剛性分載板方案、橋跨方案和路基通過方案。

2.1 剛性分載板方案

剛性分載板方案是在道路表面跨越隧道部分設置鋼筋混凝土剛性分載板的方法。施工中，應避免對已建隧道頂面的巖質的擾動，嚴禁開挖。采用剛性分載板，可以通過擴大受力面積，把單輛汽車的集中荷載平均分散到地面上，從而使隧道受到的局部力大大減少。同時，在剛性分載板下設置一定厚度的碎石層，既可以起到應力擴散作用，又能夠吸收汽車的沖擊力和振動，減少車輛震動對結構產生的不利效應。剛性板設計圖見圖3，剛性板跨越鐵路段示意圖見圖4。

圖3 剛性板設計圖(單位：m)

圖4 剛性板跨越鐵路段示意圖(單位：m)

2.2 橋跨方案

采用橋梁跨越形式，可以使汽車荷載不直接作用在隧道受力的影響范圍內。但是，采用橋跨方案，橋梁的基礎必須遠離隧道影響范圍，從而使橋梁的跨度加大，增加了工程投資。另外，橋梁基礎施工過程中也會對隧道產生不利影響。

2.3 路基通過方案

國內采用路基形式通過既有隧道的案例很少。福州羅源灣北岸鐵路支線疏解線以路基形式斜交從飛欒隧道洞身頂部通過。李輝[11]采用數值模擬方法分析了路基方案的可行性，研究了路基施工對既有隧道變形的影響。

就本工程而言，采用路基通過方案，會增加隧道上方的荷載。由于路基僅起分散荷載的作用，且公路主要為重載車輛通行，原有地面為出露破碎巖層，因此，如果本工程采用路基方案，會出現造價高、回填土石方大等問題。另外，路基本身對于下方既有鐵路隧道是一種堆載，對下方隧道結構受力不利。

2.4 方案對比分析

綜合分析后，得出以下結論：

剛性板方案簡單易行，造價便宜(采用剛性板方案，總造價約77.3萬元)。剛性板施工對下方隧道范圍內的巖石地基不擾動，避免了隧道結構由于施工而受到影響。其次，剛性分載板的范圍可根據以后鐵路建設的需要接長或拼寬，比較靈活、機動。

橋跨方案對隧道的影響較小。但是，由于需要建設大跨度橋梁，工程造價高(初步估算約400萬元)。另外，橋梁基礎施工對隧道存在一定的干擾；如果考慮將來需要增加鐵路線路的話，則需要建更大跨度的橋梁。

路基方案需對既有路面進行加高改造。由于既有路面規劃標高已定，如果采用路基方案，則會造成搭接困難；其次，路基整體性較差，后期規劃鐵路隧道下穿路基段，也會對既有道路產生不良影響。路基主要由路基工程和路面工程兩部分，從造價方面來看，考慮到本工程跨越隧道，路基相對較高，初步估算路基方案造價約210萬元，仍偏高。

根據上述分析，與剛性板方案相比，路基通過方案和橋跨方案都不具明顯優勢，因此不推薦采用。采用剛性分載板方案，可以大幅降低造價，并可為后期新增鐵路線路預留空間。由于剛性板整體性較好、剛度大，且后期隧道下穿亦不會造成較大的路面沉降，因此推薦采用剛性分載板方案。

下面通過有限元數值模擬，對剛性分載板方案對既有鐵路隧道及擬建鐵路隧道的影響進行分析研究，以驗證剛性分載板方案是否合理。

3 有限元數值分析計算理論

3.1 地應力場的模擬

隧道淺埋區域為Ⅳ級圍巖。該處構造應力場較小，因此，研究以自重應力場為主，進行原始應力場模擬。最大主應力σ1方向為垂直方向，其量值由埋深確定，計算式σ1=σy=γ·H；最小主應力為水平方向，其量值

(1)

地應力場示意圖如圖5所示。

圖5 地應力場示意圖

3.2 釋放荷載的計算

自然巖土體在開挖前處于一定的初始應力狀態，而開挖導致開挖邊界上的應力釋放，并由此引起周圍巖土體的變形及其中應力場的變化。在有限元計算中，可通過去掉被挖去部分的單元，并將由于開挖而產生的“釋放荷載”作用于開挖邊界面的方法來模擬其開挖過程。

隧道開挖后，在開挖邊界的節點i上將作用有釋放節點荷載

(2)

此節點荷載由連接節點i的有關單元在節點i上的換算節點力貢獻而成。

在施工階段，作用在開挖邊界上的釋放節點荷載fli=α1fi，式中α1為1個百分比系數，可根據測試資料加以確定，通常近似地將它定為本階段隧道控制測點的變形值與施工完畢、變形穩定后該控制測點的總變形值的比值[13]。在缺乏實測變形資料的情況下，亦可按工程類比法加以選定，并根據試算結果予以修正。

3.3 計算模型本構關系的選擇

在靜力分析中，圍巖體選用理想彈塑性本構關系，其屈服準則采用Drucke-Prager屈服準則(簡稱D-P準則)。所謂的D-P準則，是把對巖土屈服有重要影響的靜水應力因素加入到mises準則中去，來模擬巖土的塑性屈服。它的基本表達式為

(3)

其他如初期支護、二次襯砌等混凝土材料均使用彈性本構關系。

4 建模與計算

本文采用大型有限元軟件ANSYS進行數值計算。開挖過程中對于開挖掉的土體，采用ANSYS軟件的“生死”單元進行模擬，即“殺死”土體單元。在軟件的計算過程中，并非將該單元刪除，而是在其剛度矩陣中乘了幾個極小的數，并取消密度、慣性角速度等對其的影響。需要的情況下，可以將其“復活”，重新賦予屬性，模擬新施工的結構。采用荷載步的形式模擬隧道的連續開挖過程。

4.1 模型參數的選取

根據地質報告及相關規范，本文的計算按照表1取值。

表1 計算物理力學指標Table 1 Physical and mechanical parameters

4.2 模型單元的選取

在平面靜力分析中，使用平面4節點實體線性單元(plane 42)模擬圍巖和開挖單元。plane 42為平面線性單元，可用于平面應力、平面應變和軸對稱分析，同時單元支持包括Mises塑性、DP塑性、大變形等多種非線性計算，精度也較高。考慮到隧道的受力模式，需要將plane 42單元設置為平面應變狀態進行分析。

由于需要分析隧道二次襯砌和初期支護的彎矩及軸力等內力結果，因此，二次襯砌和初期支護采用梁單元(beam 3)進行模擬，錨桿采用link 10單元進行模擬，鋼筋混凝土剛性分載板采用梁單元(beam 3)進行模擬。有限元計算模型見圖6。

4.3 邊界條件的確定

關于計算模型的邊界條件，嚴格按照隧道力學分析結果，其橫向邊界到隧道邊界的距離約為6倍洞徑；垂直方向上，模型下邊界到隧道底部邊界的距離>3倍洞徑，上邊界取至地表，埋深為11 m。

圖6 有限元計算模型(單位：m)

4.4 計算步驟

計算共分4個階段進行：

1)第1階段。自重沉降模擬，計算中“殺死”初期支護及二次襯砌單元等結構單元。

2)第2階段。開挖左側隧道，模擬原既有鐵路隧道開挖，得到施作剛性板之前的既有隧道襯砌結構受力狀態及地層位移情況，以方便與后期結構內力變化進行對比。

3)第3階段。施加地面荷載，激活梁單元，模擬剛性板施工完成、公路開通運營對下方既有鐵路隧道(左側隧道)的影響。

4)第4階段。開挖右側規劃鐵路隧道，研究右側隧道開挖對上方既有公路沉降的影響，并對公路運營對下方2條隧道襯砌結構受力狀態的安全性進行評價。

4.5 計算結果分析

4.5.1 第1階段——自重應力場模擬

自重應力場模擬結果見圖7和圖8。

圖7 Y向主應力云圖(單位：Pa)

由圖7和圖8可以看出，圍巖自重應力與深度成正比關系。

4.5.2 第2階段——左側既有隧道開挖

左側既有隧道開挖的模擬結果見圖9和圖10。

圖8 初始地表沉降(單位：m)

圖9 隧洞開挖引起的地表沉降(單位：m)Fig.9 Ground surface settlement caused by tunnel excavation (m)

圖10 二次襯砌彎矩圖(單位：N·m)

由圖10可知，邊墻腳處彎矩最大為121 kN·m；相對于初期支護，二次襯砌承擔了相對較小的圍巖壓力，初期支護和圍巖承擔了較大的圍巖壓力。這符合新奧法的基本理念，即充分發揮圍巖的承載能力，二次襯砌僅作為安全儲備。

4.5.3 第3階段——公路運營后對既有隧道的影響

公路施工完成后，隧道結構上方的豎向荷載有所增加。需要研究公路運營對隧道結構的影響，驗證隧道結構是否安全、鋼筋混凝土剛性分載板的荷載分散作用對減小隧道結構受力是否有利。車道荷載的取值按照文獻[15]中的相應規定選取。

對公路運營后對既有隧道的影響進行模擬的有限元模型見圖11，車道荷載示意圖見圖12。

圖11用于對公路運營后對既有隧道的影響進行模擬的有限元模型
Fig.11 Finite element model used to simulate influence of highway operation on existing tunnel

圖12 車道荷載示意圖

公路運營后對既有隧道的影響的模擬結果見圖13—16。

圖13 X向主應力云圖(單位：Pa)

圖14 Y向主應力云圖(單位：Pa)

從圖13和圖14可以看出，塑性區分布在邊墻底部及仰拱腳部。

根據以往經驗，鐵路沉降最大允許值為10 mm。從圖15可知，施作剛性板后，地層發生約4 mm的豎向沉降，隧道拱頂發生2.3 mm的沉降。沉降值滿足允許沉降值要求。經計算可知，剛性板較好地分擔了地面豎向荷載，并均勻地傳遞給下方地層，隧道拱頂沉降較小。

圖15 沉降圖(單位：m)

圖16 二次襯砌彎矩圖(單位：N·m)

從圖16可知，公路運營后，邊墻腳處彎矩增大約13 kN·m。總體來看，公路運營對下方既有隧道結構的影響較小。

4.5.4 第4階段：右側規劃隧道施工

右側規劃隧道施工的模擬結果見圖17—20。

圖17 X向主應力云圖(單位：Pa)

從圖17和圖18可以看出，地表豎向荷載的增加使橫向和豎向應力有所增加，在隧道邊墻腳處有壓應力集中現象，但應力值較小，約-0.83 MPa，圍巖處于較為穩定的狀態。

圖18 Y向主應力云圖(單位：Pa)

圖19 沉降圖(單位：m)

從圖19可知，右側規劃隧道修建完成后，上方公路發生約2.8 mm的豎向位移，說明左線隧道開挖對公路運營的影響較小，圍巖仍有較大的承載能力。可以看出，隧道開挖、支護及二次襯砌施作后，在隧道周邊一定范圍內形成了應力場的重新分布；重分布的應力云圖相對獨立，沒有形成明顯的相互影響區域；超出隧道一定范圍后，應力云圖基本恢復到原始自重應力場狀態。綜合分析顯示，剛性板對減小地表沉降作用明顯。

圖20 二次襯砌彎矩圖(單位：N·m)

從圖20可知，公路運營對下方既有隧道二次襯砌結構受力的影響較小，彎矩變化值為0～10 kN·m，其中邊墻腳處彎矩最大，為139 kN·m。

4.5.5 結構受力及襯砌變形分析

為判斷原設計中二次襯砌結構是否具有足夠的安全儲備，本次計算選取受力最不利狀態(即第4階段右線隧道開挖完成后的結構受力狀態)進行計算驗證。

以下根據文獻[16]中的要求進行安全系數驗算。

偏心受壓構件抗壓強度

KN≤φαRabh。

(4)

式中：Ra為混凝土或砌體的抗壓極限強度；K為安全系數；N為軸向力(MN)；b為截面寬度；h為截面的厚度；φ為構件的縱向彎曲系數；α為軸向力的偏心影響系數。

取縱向長b=1 m為1個計算單位，根據規范選取各參數，并將軸力代入，抗壓安全系數K=2.82>2.0，第4階段二次襯砌受力滿足要求，且有較大安全儲備。相對于第4階段，第3階段結構內力較小，說明公路運營對既有左線隧道的影響較小，二次襯砌的承載能力有較大富余。這說明剛性板具有良好的荷載分散作用。

4.5.6 地表沉降分析

提取各個階段模型頂部節點豎向位移后處理結果，減去初始地應力沉降，得到隧道開挖、公路運營階段地表沉降圖，見圖21。從圖21中可以看出，總體地表沉降較小；第3階段剛性板施作后，地面發生4 mm沉降；左洞和右洞拱頂處地表沉降最大，向兩側延伸，位移逐漸趨于穩定。

圖21 地表沉降圖

5 監控量測

在公路投入運營后，對隧道拱頂及軌面沉降進行了監測。采用自動化監測技術手段，通過布設光纖光柵靜力水準儀進行沉降監測。沿隧道縱向剛性板跨越區域共設置15個監測點，得到各點隧道拱頂沉降和軌面沉降累計值。沉降曲線見圖22。

根據以往的工程經驗，鐵路軌面沉降最大允許值為10 mm，相鄰兩股鋼軌不均勻沉降最大允許值為6 mm。本次監測拱頂最大沉降為2.4 mm，軌面沉降為1.8 mm，與計算結果基本吻合。說明剛性板對減小下方運營隧道的沉降效果明顯，也驗證了本次數值模擬結果的正確性。

圖22 沉降曲線

6 剛性板結構設計

對剛性承載板采用彈性地基梁進行計算，板荷載采用公路Ⅰ級的車輛荷載，按最不利情況進行加載。計算模型取端部30 m范圍進行計算。計算方法采用文克爾有限元法。計算簡圖見圖23，位移圖見圖24，彎矩圖見圖25，剛性板路面橫斷面示意圖見圖26。

圖23 計算簡圖

圖24位移圖(單位：mm)
Fig.24 Settlement diagram (mm)

圖25 彎矩圖(單位：kN·m)

圖26 剛性板路面橫斷面示意圖(單位：cm)

為增加結構剛度，在板內加型鋼構件。由于長度較大，為滿足溫度變形要求，可以在墊層上增設厚1 cm的油毛氈，以減少基底約束。同時，澆筑時可以分段澆筑，并摻入微膨脹劑，以減少收縮。

7 結論與建議

本文通過數值模擬，分析了隧道變形及結構受力，并通過計算結構的安全系數，直觀反映隧道二次襯砌的安全儲備情況。

綜上所述，得出以下結論：

1)由以上分析可知，公路施工對鐵路隧道的影響很小，不會對鐵路隧道的安全及正常運營造成不利影響。

2)施工期間，應精心施工，隨時觀測鐵路隧道的狀態，發現異常立即查找原因，確保鐵路隧道的安全。在施工全過程中，除按要求做好洞內監控量測外，在公路路面及路基范圍內應建立沉降與位移變形觀測點，進行全程監控量測。

3)本工程采用剛性板跨越既有隧道，在國內尚屬首次。由于剛性板跨越方案具有經濟性好、剛度大、對既有隧道影響小等優點，在條件允許情況下應加以推廣。

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CaseStudyonDesignofHighwayOvercrossingExistingRailwayTunnel

ZHOU Chao

(ChinaRailwaySiyuanSurveyandDesignInstituteGroupCo.,Ltd.,Wuhan430063,Hubei,China)

The construction of buildings (structures) above existing tunnels will not only cause settlement or uplift of the tunnel，but also repeated changes in the load will cause cracking of the tunnel lining.Therefore,in the design and construction of the buildings (structures),rational measures should be taken to avoid or minimize the influence on the existing tunnels below.The extension line of a highway is designed to overcross an existing tunnel,for which three overcrossing options,i.e.,overcrossing by means of rigid board,overcrossing by means of bridge and overcrossing by means of subgrade,are proposed.Comparison and contrast is made among the mentioned three overcrossing options,which shows that the option of overcrossing by means of rigid board has such advantages as being cost efficient and easy to be implemented.The implementation of overcrossing by means of rigid board is verified by means of numerical simulation.It is the first time in China that rigid board is adopted to overcross existing tunnel.The design of the works described can provide reference for similar works in the future.

existing tunnel; highway; settlement; rigid board; finite element

2013-06-07;

2013-11-15

周超(1984—)，男，山東濟寧人，2010年畢業于西南交通大學，隧道與地下工程專業，碩士，工程師，主要從事城市軌道交通、地下空間與工程、隧道等領域的設計與科研工作。

10.3973/j.issn.1672-741X.2014.01.006

U 455.46

A

1672-741X(2014)01-0032-09