長沙市旺東物流園建設對既有鐵路隧道的影響評估

鄧永紅

（中鐵四院集團廣州設計院有限公司，廣州 510600）

長沙市旺東物流園是以鐵路、公路運輸為主，集貨物儲存、運輸、加工、配送及信息化為一體的現代物流園區，位于長沙市開福區金霞經濟開發區內，占地面積11.07 hm2。旺東物流園北側緊臨石長鐵路，南側為石長北西聯絡線柞樹灣隧道，東側為京廣鐵路，見圖1。新建物流園貨物線在既有機務折返線上出岔，并行于石長上行線西側，往西北方向進入物流園區，內設貨物線2股。物流園區內布置有站臺倉庫、生產房屋、道路、停車場等配套設施。

圖1 物流園周邊鐵路相對關系

物流園區夾在鐵路之間，建設場地較狹窄。由于高差問題，須在BXK2+900—BXK3+500范圍隧道上方填土，增加了隧道覆土厚度。物流園貨物線在BXK2+750處新建剛構橋上跨既有鐵路隧道，剛構橋樁基臨近隧道。由于新增永久荷載、可變荷載、施工擾動等因素會引起隧道結構產生新的位移和變形［1-5］，須通過模擬計算對隧道結構強度、裂縫和位移進行分析，保證鐵路隧道的安全可靠和正常使用。

1 隧道上方填土堆載安全評估

1.1 計算斷面

物流園建設需在BXK2+900—BXK3+500段隧道上方填土堆載，改變了隧道原有的受力狀況。據石長鐵路隧道竣工圖資料，柞樹灣隧道斷面情況見表1。

表1 既有柞樹灣隧道BXK2+700—BXK3+760斷面

全段隧道采用明挖法施工，各斷面結構形式類同，在隧道高度、拱頂厚度、埋深等方面略有差異，但差異不大?？紤]到安全，須根據隧道埋深檢算隧道襯砌結構強度、裂縫寬度及隧道位移。以BXK3+180斷面為例，隧道頂既有埋深為2 m，按照物流園設計隧道頂填土增加7 m，驗算埋深值按設計值再增加2 m，即隧道頂埋深計算值為11 m，見圖2。其余斷面計算與之類似。

圖2 隧道BXK3+180計算斷面（單位：m）

1.2 計算模型

隧道在BXK3+180處總高8.97 m，總寬6.75 m，襯砌為C35鋼筋混凝土結構，拱頂厚0.55 m，邊墻厚度由0.55 m漸變至0.97 m，仰拱厚0.55 m。隧道斷面單元劃分如圖3所示，劃分為66個梁單元，即66個節點，梁單元長度在0.3～0.5 m。取隧道襯砌縱向單位長度1.0 m，采用MIDAS/Civil 2015軟件建立平面單元模型進行內力計算。

圖3 BXK3+180斷面單元劃分

1.3 荷載計算及組合

隧洞頂部回填土壓力、側面回填土壓力按照TB 10003—2016《鐵路隧道設計規范》［6］明洞荷載計算方法進行計算，隧頂埋深取11 m。隧道襯砌結構自重均通過計算模型自動施加，自重系數取1.0。

垂直土壓力為

式中：γ1為拱背回填土重度，取19 kN/m3；hi為明洞結構上任意點i的土柱高度。

拱圈回填土側壓力為

式中：λ1為側壓力系數，本工程填土坡面水平λ1=tan2(π/4- φ1/2)，φ1為拱背回填土計算摩擦角，φ1=35°時λ1=0.271。

邊墻回填土側壓力為

式中：γ2為墻背回填土重度，取22 kN/m3；h'i為邊墻計算點換算高度；λ2為側壓力系數，λ2=tan2(π/4- φ2/2)，φ2為墻背回填土計算摩擦角，φ2=50°時λ2=0.132。

系統基于激光測徑儀的掃描測徑技術，可以直接測得小直徑( 處于激光測徑儀量程內)塞規的尺寸。通過一套專用夾具控制塞規的移動和旋轉，可實現其直線度和圓度的快速綜合測量。對于大直徑(超出激光測徑儀量程)的塞規，輔以激光二維掃描傳感器獲取標準件和待測件的輪廓信息，通過比較測量獲取塞規直徑。本系統以嵌入式控制單元為核心實現對各個測量模塊控制，并對測量數據進行處理、分析和評定。系統的組成框圖如圖1所示。

本工程主要增加荷載為回填土垂直土壓力+回填土側壓力。

1.4 結構強度、裂縫及位移檢算

拱頂、邊墻、仰拱均為偏心受壓構件。經計算可知，BXK3+180斷面隧道各單元襯砌強度安全系數最小值為5.3，滿足規范要求。

在長期荷載作用下，BXK3+180斷面隧道襯砌計算裂縫寬度最大值為0.07 mm，小于規范容許值。

采用MIDAS GTS NX軟件建立2D有限元模型，按照不同工況進行模擬計算，初始工況下位移清零。計算可知，BXK3+180處隧道襯砌在水平方向最大位移為0.63 mm，在軌面以下最大位移為0.37mm；在豎直方向最大位移為1.80mm；在軌面以下最大位移為1.52mm。

綜上，隧頂填土堆載后，該隧道結構強度滿足規范要求，裂縫寬度及位移變形均在容許值范圍之內，可以滿足隧道正常使用和列車安全運行要求。

2 新建鐵路橋上跨既有鐵路隧道所采取的措施

新建鐵路剛構橋在BXK2+750處上跨石長北西聯絡線。該處隧道采用明挖法施工，隧道總高9.20 m，總寬7.05 m，襯砌為C35鋼筋混凝土結構，仰拱厚0.65 m。隧底位于全風化花崗巖層，隧道兩側、底部以上0～2.7 m采用漿砌片石回填；隧底以上2.7～6.2 m采用干砌片石回填，再往上采用土石回填；隧頂地面設0.5 m厚黏土層封閉并設置寬2.6 m、深0.8 m縱向排水溝。

針對上述情況，剛構橋施工采用以下措施［7］：

1）優化施工方案，推薦采取人工挖孔樁施工，并設置可靠的支護措施。人工挖孔樁挖至干砌片石和漿砌片石層，采用風鎬小塊破除片石，后施作護壁，挖孔樁每節的開挖深度為1.0 m，嚴禁水平及豎向超挖。

2）為減小挖孔樁施工對隧道的影響，2排挖孔樁應對稱開挖、跳孔成樁。

3）調查既有鐵路隧道的病害和運營狀況；施工過程中不間斷監測隧道結構變形情況，制定相應的應急預案，確保鐵路施工安全、運營安全。

圖4 新建鐵路橋上跨既有隧道立面（單位：m）

3 結語

長沙市旺東物流園項目對既有鐵路尤其是對石長鐵路北西聯絡線柞樹灣隧道影響較大，須要在隧道上填土堆載，臨近鐵路隧道進行樁基施工。經過對隧道強度、裂縫、位移等檢算，各指標均滿足規范要求。通過采取一系列有效措施，能夠滿足施工安全及既有線列車安全運行要求。