通定高速橋梁上跨寶蘭客專隧道安全性分析研究

黨永生

（甘肅公路航空旅游研究院有限公司， 甘肅 蘭州 730000）

隨著公路路網(wǎng)和鐵路路網(wǎng)的不斷完善，公路與鐵路的交叉點急劇增加，新建工程對已建工程的影響也越來越大，尤其對已運營高速鐵路的影響尤為嚴重。國家鐵路局也制定了相關(guān)規(guī)范，對高速鐵路結(jié)構(gòu)安全和運營安全提出了具體指標要求。公路設(shè)計階段應充分調(diào)查交叉情況，對已建工程的路線走向，交叉處的構(gòu)造物尺寸，輪廓外緣及標高做詳細的調(diào)查，進而采用科學控制指標，選擇合理技術(shù)方案，避免或減少對運營鐵路的干擾。

1 公路橋梁上跨高鐵隧道情況

公路橋梁為通定高速澗灘村2號大橋,位于定西市通渭縣澗灘村，交叉處公路樁號為K29+949，寶蘭客專運營里程K1496+880，平面交叉型式為通定高速公路上跨寶蘭客專陽坡莊隧道，交叉角114.98°。[1]

陽坡莊隧道地處黃土高原溝壑、梁茆區(qū)，位于牛骨河左岸，地面高程一般為2070～2300m，區(qū)內(nèi)黃土梁茆起伏，溝壑縱橫，隧道區(qū)溝谷深切多呈“V”字型。山坡上多為風積黃土覆蓋，溝心局部基巖裸露，梁頂植被覆蓋較差，隧道全長為7645.5m。隧道建筑限界采用高速鐵路建筑限界，隧道內(nèi)輪廓采用“通隧（2008）0201”中的襯砌內(nèi)輪廓，軌面以上有效凈空面積為92m2，隧道內(nèi)線間距為4.6m。隧道設(shè)置雙側(cè)救援通道，救援通道寬度不小于1.5m，高2.2m，其外側(cè)距線路中線不得小于2.3m。隧道采用復合式襯砌，初期支護采用噴錨支護。

澗灘村2號大橋位于通渭縣澗灘村，橋梁沿黃土梁峁斜坡布設(shè)，溝谷兩岸岸坡陡峭，地勢復雜，大橋主要跨越溝道和兩岸臺地農(nóng)道，橋梁規(guī)模主要受兩岸地形控制，本橋上跨寶蘭客運專線隧道，全長936m，上部結(jié)構(gòu)為23×20+（55+100+55）+13×20m預應力混凝土連續(xù)箱梁，主橋55+100+55m現(xiàn)澆整體箱梁，引橋采用預制小箱梁。下部為柱式墩、柱式臺，基礎(chǔ)為摩擦樁基礎(chǔ)。[2]

K29+949澗灘村2號大橋與寶蘭客專隧道交叉處，寶蘭客專隧道洞頂距地面17m，橋墩樁基距寶蘭客專隧道外緣最小距離為30.75m。

2 橋梁上跨隧道的安全性分析

2.1 安全性分析的目的以及需要解決的問題

澗灘村2號大橋主橋采用55+100+55m連續(xù)梁的主跨上跨寶蘭客專陽坡莊隧道，橋梁樁基礎(chǔ)距離隧道襯砌邊緣最小距離為30.75m，因此樁基礎(chǔ)的施工以及公路橋在運營階段有可能對隧道圍巖的整體性產(chǎn)生擾動，對鐵路隧道工程產(chǎn)生影響，從而危及鐵路結(jié)構(gòu)的運營安全。橋梁施工以及在運營階段對隧道工程產(chǎn)生的不安全因素進行分析和評價，確保隧道結(jié)構(gòu)的安全和施工人員、機具設(shè)備等安全。通過對澗灘村2號大橋?qū)﹃柶虑f隧道的安全性影響進行評估，預測各施工階段以及運營階段對隧道結(jié)構(gòu)的影響程度和可能帶來的危害，從而對大橋的建設(shè)提出指導性意見、對危害部位采取防范措施，回避風險。

2.2 評估標準

既有鐵路隧道運營的控制指標和標準應從隧道結(jié)構(gòu)變形、受力、穩(wěn)定、建筑限界等方面來考慮制定，安全性分析主要采用安全系數(shù)及位移變形作為主要控制指標。

參考《公路與市政工程下穿高速鐵路技術(shù)規(guī)程》（TB10182-2017）第3.0.2及3.0.3條的相關(guān)規(guī)定，安全性分析變形控制指標暫定水平位移:2mm，豎向位移：2mm。[3]

2.3 分析方法

經(jīng)過查閱寶蘭客專陽坡莊隧道的施工圖檔案，通過對澗灘村2號大橋與陽坡莊隧道的相對位置關(guān)系及地質(zhì)情況進行分析，結(jié)合具體的設(shè)計和施工組織方案，采用理論分析計算的手段，分析澗灘村2號大橋在施工及運營階段對隧道產(chǎn)生的影響，并進行安全分析。

2.4 橋梁建設(shè)對既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)影響的數(shù)值模擬分析

根據(jù)K29+949澗灘村2號大橋橋型布置圖來進行建模計算，選用MIDAS軟件對橋梁以及隧道結(jié)構(gòu)進行模擬計算，根據(jù)影響范圍并考慮到邊界條件的影響范圍，有限元模型建模情況如下圖所示，計算模擬范圍如圖模型長度取350m，寬度260m，高度130m，共有587736個單元。[4]

模型圖

土體本構(gòu)模型采用摩爾-庫倫模型，采用三維實體單元進行模擬，本構(gòu)關(guān)系考慮為彈塑性；橋墩、承臺采用實體單元模擬，摩擦樁基礎(chǔ)采用梁單元模擬，本構(gòu)關(guān)系為彈性；隧道初次襯砌和采用板單元模擬，本構(gòu)關(guān)系為彈性。橋上部荷載及通車運營后橋面活載采用施加于橋墩頂?shù)募泻奢d來模擬。尺寸、參數(shù)設(shè)置均按照圖紙實際情況進行模擬。

荷載工況：本計算模擬分為三種工況進行，分別考慮隧道兩側(cè)橋梁樁基承臺施工開挖過程和施工結(jié)束后橋梁自重與運營荷載對于隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響。[5]

計算模擬過程：地應力平衡→施作隧道結(jié)構(gòu)（工況1）→承臺樁基開挖（工況2）→樁基礎(chǔ)施工→承臺施工→基坑回填→橋梁上部結(jié)構(gòu)施工→運營后橋面車輛活荷載施加（工況3）。

2.4.1 陽坡莊隧道襯砌位移變形

陽坡莊隧道襯砌結(jié)構(gòu)受澗灘村2號大橋橋墩基礎(chǔ)的施工及運營影響，通過計算可得出如下結(jié)論：

澗灘村2號大橋橋墩基礎(chǔ)施工及建成運營通車后對陽坡莊隧道產(chǎn)生的最大位移位于橋梁與隧道相交處的隧道拱肩位置，最大豎向位移1.980mm，最大水平位移0.865mm，本次安全評估暫定的變形控制指標豎向和水平位移為2mm，所以滿足要求。

工況3作用下豎向位移（單位：m）

2.4.2 陽坡莊隧道襯砌安全系數(shù)驗算

從計算結(jié)果中提取拱頂、拱肩、拱腰以及拱腳的內(nèi)力值，可以看出拱頂、拱肩、拱腰以及拱腳均為受壓控制，其中拱頂為最不利位置。根據(jù)《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》中的要求，結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)限值取為2.0。

陽坡莊隧道襯砌斷面各部位安全系數(shù)驗算表

上表為各荷載工況作用下，隧道襯砌斷面各部位安全系數(shù)驗算表，其中隧道襯砌的橫斷面的受力都是壓彎狀態(tài)，表中的軸力是壓力。從上表中可以看出在橋梁在施工及運營狀態(tài)下，隧道各部位的安全系數(shù)符合規(guī)范要求。

2.4.3 陽坡莊隧道襯砌裂縫驗算

根據(jù)查閱《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》，鋼筋混凝土襯砌結(jié)構(gòu)構(gòu)件，考慮長期荷載作用的影響進行計算時，表面裂縫計算寬度限值不應大于0.2mm，對于e0≤0.55h0的偏心受壓構(gòu)件，可不驗算裂縫寬度。

2.5 安全性分析結(jié)論

綜上可得：陽坡莊隧道結(jié)構(gòu)受澗灘村2號大橋建設(shè)施工以及運營的影響，24號墩和25號墩的基礎(chǔ)距離隧道結(jié)構(gòu)較近，隧道結(jié)構(gòu)在橋梁建設(shè)施工以及后期運營對隧道有一定的影響，隧道襯砌結(jié)構(gòu)的最大豎向位移為1.980mm，最大水平位移為0.865mm，符合本次評估暫定的變形控制指標，隧道襯砌斷面的安全系數(shù)、裂縫寬度滿足規(guī)范要求。

3 安全保障措施

總體來說跨越地下隧道橋梁施工存在最大的安全隱患是橋墩樁基礎(chǔ)施工時對既有寶蘭客專陽坡莊隧道襯砌結(jié)構(gòu)的影響。因此在施工中必須進行危險源的分析和評價，對于特別重大的危險源必須采取切實有效的安全防護措施后才能施工，確保隧道結(jié)構(gòu)安全和施工人員、機具設(shè)備等安全。

（1）施工前，由技術(shù)負責人向所有參加施工人員進行安全技術(shù)交底，明確施工方案。

（2）施工前應準確測量隧道位置，確保隧道襯砌結(jié)構(gòu)所處位置與設(shè)計位置相一致。

（3）連續(xù)梁防撞欄防護等級采用HA 級，以降低交通事故導致車輛墜落造成對隧道結(jié)構(gòu)的影響。

（4）施工時不得隨意變更樁基礎(chǔ)施工方案或有損于地下隧道結(jié)構(gòu)安全的施工方案，在施工期間要確保鐵路的運行安全。

4 結(jié)語

制定橋梁方案前應與鐵路部門進行協(xié)商溝通，對鐵路隧道的空間位置進行詳細實測，制定科學合理的設(shè)計方案，針對設(shè)計方案，應進行安全性分析，確保方案安全可行。通過安全性分析，發(fā)現(xiàn)施工中可能出現(xiàn)的安全隱患，并提出防范措施，既保證了項目的順利建設(shè)，又保證了鐵路隧道的運營安全。