公路隧道施工對下穿的運營中的鐵路隧道襯砌影響的研究

公路隧道施工對下穿的運營中的鐵路隧道襯砌影響的研究

1　問題背景和研究目的

索契城市的地形地貌和城市建設特點，包括河流、峽谷、鐵路線路對區域土地的切割，給公路運輸組織的優化造成極大困難。汽車數量的猛增，用盡了城市干線的通過能力，大大惡化了城市交通狀況。

在這種情況下必須集中力量綜合解決區域交通問題。優先發展的是，修建繞過索契市稠密區的杜勃列爾公路。該公路線路的大部分（17 km）設計為若干隧道方案，實現從地下穿過河流、山坡和城市稠密區的設想，公路隧道No.6、No.6a與下穿的既有鐵路隧道No.5立體相交。公路隧道施工對鐵路隧道運營將會產生什么影響是此項研究的主要目的。

公路兩平行隧道分別長564.12 m和557.8 m, 每個隧道預定設2車道。隧道縱軸線相距30 m（圖1）。隧道建筑和設備接近限界采用I級2車道公路隧道線路標準。隧道車行部分的寬度為8.5 m (其中2車道各寬3.75 m，2個安全帶各寬0.5 m)；車行部分兩側設服務通道各寬0.75 m。永久襯砌為馬蹄形鋼筋混凝土襯砌，外半徑為5 900 mm，內半徑為5 400 mm。襯砌厚度：拱部500 mm, 仰拱1 000 mm, 隧道兩側避險洞各以190 m的距離按棋盤式布置，并設3條支線隧道，供火災時緊急疏散人員。

圖1　公路、鐵路隧道的平面布置及公路隧道施工階段

在隧道相交的區域，公路、鐵路隧道均位于強度較低的泥巖中，泥巖有砂質透鏡體夾層。泥巖在空氣干燥狀態下極限受壓強度平均為15 MPa，變形模量為1 300～2 300 MPa。含水狀態下的這種土層其強度指標降至1.5 MPa，變形模量降至500 MPa，層間粘結力降至0.1～0.15 MPa。

構造斷層增加了它的裂隙性，導致滲水量增大，強度降低，所有這些因素還可能誘發一系列不利的地質力學現象，例如山體壓力增大，隧道喪失穩定，并造成大體積土體的坍塌。考慮到這些因素不得不對公路隧道施工提出嚴格的要求，使其對鐵路隧道的影響降低到最小程度。這些要求的提出還基于下述理由：鐵路隧道建于1914年，它是沿黑海岸邊運行的唯一的鐵路，承擔著繁重的客貨運輸任務，包括運輸索契冬季奧運工程所需的材料和技術設備。根據早先的預計，公路隧道施工對鐵路隧道的影響區域大約在200 m長度范圍內。

圖2　公路隧道上臺階的施工 （單位：mm）

圖3　公路隧道下臺階開挖、施作隧道底部管棚 （單位：mm）

2　研究方法

為了保證鐵路隧道在公路隧道施工過程中運營安全，從以下兩方面采取措施。

（1）公路隧道采用上下臺階法開挖。先開挖上臺階并建立臨時仰拱，拱部地層用噴錨支護加固，臨時仰拱底部用鋼筋混凝土錨桿加固（圖2），下臺階分塊開挖（兩側錯開開挖，然后開挖中部），在隧道仰拱底部施作長15 m的管棚，鉆孔與隧道底面呈5o夾角（圖3）。

（2）根據理論計算結果，擬定鐵路隧道每沿米襯砌結構強度參數，確定隧道在接近實際工作條件的應力-變形狀態，并對鐵路隧道襯砌進行應力-變形狀態觀測。

為了進一步查明鐵路隧道的襯砌結構和評估影響區的技術狀態，首要工作是：分析以前的研究結果；宏觀調查鐵路隧道襯砌缺陷，將其繪制成圖；確定襯砌材料強度特性；用地質雷達研究襯砌及其周圍土層。

在調查研究的基礎上得出如下看法：

（1）鐵路隧道襯砌是用厚度為270～300 mm的混凝土砌塊、用水泥砂漿作粘結材料砌成的3層砌體，襯砌總厚度850～900 mm，襯砌背后是木制臨時支護，以及用石塊砌成的用于排水的墻溝。襯砌塊混凝土受壓強度為35～50 MPa， 砂漿受壓強度為15～20 MPa。

（2）鐵路隧道襯砌的缺陷：墻上有垂直裂縫，縫寬0.4 mm，個別沿變形縫發展的垂直裂縫，縫寬達1 mm。調查中未見漏水和浸潤區。

（3）目前鐵路隧道的技術狀況：該隧道自建成后經過1個世紀的運營，仍有工作能力。

2.1確定鐵路隧道襯砌的容許變形值

在給定變形條件下對鐵路隧道襯砌靜力工作分析的結果，可以確定襯砌的應力和變形的極限值，此時的鐵路隧道襯砌具有有限的工作能力。在有限單元法分析中采用了Plaxis計算程序，采用線性彈性空間單元模擬襯砌，采用摩爾-庫侖塑性變形模型的空間單元模擬隧道周圍土體，所有模擬襯砌及其周圍土體的單元均為重力單元。計算模型中土體和襯砌材料的物理力學特性，采用與實際情況相接近的數值，即由工程地質勘測和調查結果得出的數據。

襯砌的容許變形值是依據在襯砌中開始產生拉應力確定的, 襯砌受壓應力是依據砌體水泥砂漿接近受壓強度極限確定的。

2.2在給定的變形條件下計算鐵路隧道襯砌應力-變形狀態

襯砌應力-變形狀態是按對稱和斜對稱2種變形條件進行數值計算的。計算結果表明，當襯砌拱部應力接近于極限容許應力時，拱部最大變形值應在20 mm范圍內，如超過此值，拱部將產生拉應力，側墻的壓應力接近于砌體砂漿受壓強度極限（圖4）。

在給定變形條件下隧道襯砌應力-變形狀態的計算結果見表1。

2.3鐵路隧道襯砌采用不同計算圖式(工況)時應力計算結果及其分析

在以下的模擬階段中完成公路隧道施工對鐵路隧道襯砌應力-變形狀態影響的數值計算，為此，對比了按4種計算圖式（工況）計算鐵路隧道襯砌應力-變形狀態的結果(圖5)。這4種計算圖式與公路隧道開挖面的位置有關。圖5a為公路隧道開挖前；圖5b為公路隧道開挖面與鐵路隧道相交的隧道的中線橫向距離10 m；圖5c為公路隧道的開挖面與鐵路隧道斷面在同一平面內，上下凈距8 m；圖5d同圖5c方案，但公路隧道內有開挖機械（3 kN/m2）。

由表2所示的分析結果可得出結論，公路隧道施工對鐵路隧道襯砌應力-變形狀態不產生重大影響，在各施工階段襯砌塊材料只受壓縮應力。開挖施工的影響最顯著的表現是，當公路隧道的開挖面與鐵路隧道斷面處于同一平面時，襯砌拱部內緣壓應力增至5 MPa，開挖機械的荷載對襯砌的應力-變形狀態基本無影響，只是拱部1/4處外緣的壓應力略有增長。

表1　給定變形條件下隧道襯砌應力-變形狀態計算結果

圖4　給定最大變形條件下隧道襯砌中主應力的分布 （單位：kN/m2）

實際量測的拱頂最大變形為6 mm，遠未達到事先確定的極限容許值 ( 25 mm)；而最大壓應力為5 MPa，也遠未達到砌體水泥砂漿的受壓強度極限值（15～20 MPa）。

2.4鐵路隧道自動量測變形的計劃為了控制公路隧道施工對鐵路隧道技術狀態的影響，提出了一個監測公路隧道施工過程的計劃，另外還制定了檢測鐵路隧道的計劃。

圖5　公路隧道施工對既有鐵路隧道襯砌應力-變形狀態影響的數值分析采用的計算圖式（工況） （單位：m）

表2　采用不同計算圖式（工況）計算的鐵路隧道襯砌斷面中的應力 MPa

監測鐵路隧道的任務是把鐵路隧道襯砌應力-變形可能變化的信息，有效地、定期地傳送給業主、設計和施工部門。為此，制定了鐵路隧道自動量測變形的計劃，確定了幾個階段：準備階段；監測鐵路隧道襯砌變形狀態；根據公路隧道開挖的進展，分析鐵路隧道襯砌的技術狀態。

在準備階段，對裂縫設置了變形標志；布置了經緯儀和水準儀的測量導線；埋設了測量水準基標；安置了自動化視距經緯儀；在襯砌上固定變形標志，安置位移傳感器；記錄初讀數。

為了觀測隧道襯砌可能出現的變形，采用2臺自動化視距經緯儀（萊卡TM30）可以用矢量法確定變形標志的平面與高程的位移，用電子記錄儀記錄量測值。自動化視距經緯儀安置在壁龕內，在隧道中部的2個壁龕彼此相對。

對每臺視距經緯儀，在北洞口和南洞口的非變形（不發生變形）區各設2個水準基標。自動化視距經緯儀根據水準基標自動修正自己的位置。在每一段襯砌的中央斷面、變形縫的兩側均布設變形標志，全部影響區共布設200個（圖6、圖7）。

視距經緯儀在自動化工作制度下1晝夜讀取4次數據，根據列車運行時刻表讀數的時間調整為10～15 min。此外，在隧道變形縫和襯砌裂縫處布置了16個電子式位移計（Tepem4.1）。

預定在鐵路隧道南口設監控站。信息從安設在隧道內的量測設備經光纖電纜進入監控站，經復核后的數據上網發送到彼得堡交通大學隧道模型實驗室，進行統計處理和情況分析。在分析隧道技術狀態時，將所得數據與襯砌容許變形進行比較。

每天的數據在10：00前傳送到道路和建筑物管理局，假如出現超出極限容許的變形狀況，則應對公路隧道施工采取補充的技術措施，或對鐵路隧道襯砌采取加固對策。監測計劃還包括對軌道的水平測量及對隧道襯砌的宏觀觀測（每周1次）。2.5 鐵路隧道襯砌變形的監測結果

對鐵路隧道受公路隧道施工的影響區進行經常的觀測，必須貫穿公路隧道施工的全過程，并延長到公路隧道中該區段的永久襯砌施作后的6個月。自2012年1月（監測開始）到2013年9月變形標志的最大位移不超過8 mm，98%的變形標志的平面-高程位移處于3～4 mm的范圍內。布置在變形縫處的位移傳感器記錄到的變形縫的閉合值為0.6 mm，布置在襯砌裂縫處的傳感器同樣顯示裂縫有閉合的趨勢。這些數值均處于量測精度范圍內。

圖6　觀測點布置（1～20數字表示觀測變形的斷面） （單位：m）

圖7　鐵路隧道內量測儀器安設 （單位：mm）

3　研究結論

監測結果表明，在鐵路隧道上方公路隧道施工過程中，鐵路隧道襯砌處于各向受壓狀態。數值分析的結果，襯砌最大位移僅為極限容許值的30%。因此，可以認為，公路隧道施工中所采用的結構技術方案，保證了施工安全，也保證了既有鐵路隧道運營的可靠性。

4　結束語

為了在公路隧道施工中確保下穿的既有鐵路隧道的運營安全，從兩方面采取了技術措施。

第一，優選公路隧道的設計、施工方案，使公路隧道的施工（開挖支護）盡量減小對鐵路隧道襯砌的影響：諸如采用上下臺階法開挖；對拱部施作系統的徑向錨桿穩定周圍地層；在上臺階臨時仰拱下面施作鋼筋混凝土錨桿，加固臨時仰拱下部土體；下臺階分塊分步開挖，并在仰拱下施作管棚，加固仰拱底部土體；仰拱永久襯砌厚度采取1 000 mm(比拱部永久襯砌厚度500 mm厚1倍)。所有這些措施均有利于減小對鐵路隧道襯砌的影響。

第二，對鐵路隧道襯砌進行監控量測。首先確定鐵路隧道襯砌的容許變形值，確定容許變形值的判據是：襯砌不產生拉應力；襯砌塊之間的水泥砂漿受壓強度不超過極限容許值。對鐵路隧道襯砌分別施加對稱和斜對稱變形，用數值方法計算襯砌的應力-變形狀態，求得容許的變形值。并且用數值方法計算在不同計算圖式（工況）條件下鐵路隧道襯砌的應力狀態，掌握各工況的襯砌應力狀態，以利監測控制。在鐵路隧道內采取的現場監控量測主要是自動化的位移量測——襯砌變形、裂縫發展。

將量測值與容許變形值進行對比，如果不超出容許變形，說明鐵路隧道是安全的。如果超出容許變形，則應對公路隧道施工采取附加措施，或對鐵路隧道采取加固措施。

參考文獻

[1] Ю.С.Фролов и др. Опыт проходки автотранспортных тоннелей при пересечении с действующим железнодорожным тоннелем на трассе Дублера Курортного проспекта в г. Сочи[J]. Метро и Tоннели, 2014 (1): 6-10.

邵根大 編譯

責任編輯 毛 靜

收稿日期2015-01-19