新建高速公路橋梁上跨高速鐵路隧道安全影響分析

李少孟

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司 北京市 102600)

0 引言

新建公路橋上跨既有隧道時，橋樁施工與橋面荷載不可避免地會對周圍土體產生擾動，使得原始地層和既有隧道應力平衡狀態發生破壞，引起隧道結構的二次受力和變形，嚴重時可能引發安全事故，因此施工前應重點分析評估新建橋梁施工和結構荷載對既有隧道的影響[1]。

對于新建橋梁上跨既有隧道的影響，路平等[2]研究分析了樁基成孔施工及橋樁運營荷載在土體中應力擴散對既有隧道襯砌結構和軌道變形的影響；徐云福等[3]基于樁基施工與既有隧道的監測數據分析得出樁基施工過程中隧道結構及周圍土體的變形情況；馮瑞兵[4]分析了新建橋梁施工前后隧道結構軸力與彎矩的變化情況并對結構安全系數的變化進行了計算分析；鄒春蓉等[5]利用有限元分析評估了新建橋梁樁基施工對既有隧道結構及圍巖的變形的影響。

為了保證高速鐵路的安全運營，對隧道襯砌結構變形、軌道變形要求非常嚴格，受鄰近工程影響的高速鐵路隧道結構豎向變形控制值取±5mm，水平位置控制值取3mm，軌道變形控制標準取±2mm[6]。以某新建高速公路橋梁上跨南昆客專那了隧道工程為基礎，分析新建公路橋上跨隧道施工、運營對鐵路隧道結構變形、軌道變形和襯砌結構安全系數的影響，為今后類似工程提供參考。

1 工程概況及主要難點

1.1 工程概況

某新建高速公路采用雙向四車道標準，設計速度100km/h，基本路段路基寬度取值為26m，以公路橋型式上跨南昆客專那了隧道。公路橋與南昆客專交角約為67.8°，公路左、右幅與鐵路交叉點處的鐵路樁號分別為K183+335.725和K183+333.565。

上跨南昆客專那了隧道的公路橋橋聯跨徑組合為3×40m，分左、右兩幅布設，上構采用后張法預應力混凝土先簡支后橋面連續小箱梁；其余橋聯上構采用L=30m后張法預應力混凝土先簡支后橋面連續小箱梁。橋面單幅凈寬11.5m，采用C50混凝土。公路左、右幅位于隧道兩側的1～2號橋墩均采用雙柱式橋墩，墩樁直徑1.8m，其中左幅1～2號橋墩分別高6.06m和18.87m，右幅1～2號橋墩分別高5.23m和18.41m，柱中心間距均為8.5m；左、右幅橋墩基礎均為樁基，樁基直徑2.0m，分別長32m、20m，樁頂均設置寬×高=1.5m×1.8m的系梁，系梁埋深不小于0.5m，墩柱頂均設置矩形蓋梁，蓋梁寬×高=2.2m×2.0m。

南昆客運專線為雙線電氣化高速鐵路，設計時速250km/h，那了隧道建筑限界及襯砌內輪廓采用“通隧(2008)0201-08”圖，采用碎石有砟道床，公路橋施工影響范圍內鐵路運營里程K183+231.389～K183+363.389段、K183+374.389～ K183+474.389段采用Ⅴ級B型襯砌，二襯為50cm厚鋼筋混凝土結構；K183+363.389～ K183+374.389段采用Ⅴ級偏壓式抗震明洞襯砌，80cm厚鋼筋混凝土結構。

公路橋與南昆客專那了隧道位置關系如圖1所示。

1.2 地質概況

場區地表水主要為溝谷地段。地下水主要為基巖風化層中裂隙水，溝谷地段鉆孔揭露水位埋深約9.5m，山坡上未見。地下水主要受大氣降雨補給。

目前公路、市政道路上跨高鐵隧道的主要形式有路基、橋梁、隧道等[7-10]，本公路上跨鐵路節點位于溝谷地段，既有隧道為淺埋暗洞或明洞結構，上方不宜大填方做路基，也不具備設置隧道條件，因此從安全角度比選確定采用公路橋型式上跨隧道。

1.3 主要難點

綜合考慮地形現狀、地層條件、相對位置關系、鐵路隧道變形控制及結構安全、施工難度、風險等因素，高速公路采用橋梁型式上跨既有那了隧道。其主要難點包括：

(1)橋梁樁基中心距既有隧道結構外緣凈距僅6.78m，接近隧道結構最小保護層厚度5m[11]，樁基施工時周邊土體應力重分布勢必影響隧道結構。

(2)橋臺位于隧道上方溝谷地帶，橋臺基坑施工挖方大、刷坡高，對隧道上方土體擾動較大。

(3)隧道受影響段落有暗洞襯砌和明洞襯砌，受橋梁施工影響易產生不均勻變形。

(4)那了隧道為運營狀態，新建橋梁施工影響過大可能影響高速鐵路的正常運營。

2 計算與分析

2.1 三維有限元模型

利用midas GTS NX建立三維有限元數值模型進行分析，模型包括巖土、樁基、橋臺、橋墩、隧道結構等。根據公路橋與既有隧道的位置關系，并滿足邊界效應，模型整體尺寸(x×y×z)為150m×120m×80m，整個模型共有104359個單元。

模型地表自由，不施加任何約束，其余方向施加法向約束。土體、墩臺等采用實體單元模擬，隧道襯砌采用殼單元模擬，樁基采用梁單元模擬。有限元模型如圖2、圖3所示。

圖2 有限元整體模型

圖3 橋梁、隧道結構空間布置圖

2.2 土層參數

土體強度準則為Mohr-coulomb準則，土體共劃分為3層，參數取自工程地質勘查報告或參考相關規范，具體見表1。

表1 土層參數

2.3 荷載

自重：程序根據輸入的材料容重自動計算。

荷載：上跨鐵路橋跨及其相鄰跨為1.3×公路-Ⅰ級。

2.4 施工階段模擬

模擬計算分為四個主要階段：初設應力場、高鐵隧道施工、新建公路橋施工、公路運營，具體步驟見表2。

表2 施工步驟

2.5 計算結構分析

(1)變形分析

計算結果圖4、圖5表明：整段隧道結構鄰近新建橋墩的位置變形最大，受新建橋梁施工影響較大的隧道區段約為橋梁樁基對應隧道里程向兩端各20m的范圍；由于隧道周邊巖質較好，因此橋梁樁基的施工對距離6.78m以外的土體橫向變形影響很小；而上部基坑開挖、整體橋梁荷載的疊加會帶動隧道周邊土體發生較大的豎向變形，進而引起隧道結構豎向變形。施工過程中既有隧道襯砌結構最大隆起為0.629mm，最大沉降為0.489mm，均小于控制標準值5mm；最大水平變形為0.139mm，小于控制標準值3mm。具體數據結果見表3。

圖4 那了隧道襯砌最大上浮、沉降云圖(單位：m)

由于采用有砟道床，隧道內鐵路軌道的豎向變形、水平變形受新建橋施工的影響很小，且均小于隧道結構的變形。從圖6、圖7可以看出，施工過程中既有鐵路軌道最大豎向變形為0.353mm，則軌道軌向不均勻沉降差值也小于0.353mm，兩者均小于控制標準值2mm；最大水平變形為0.103mm，小于控制標準值2mm。具體數據結果見表4。

圖5 那了隧道襯砌最大水平位移云圖(單位：m)

表3 隧道結構變形結果匯總表

圖6 那了隧道軌道豎向變形曲線圖(單位：m)

圖7 那了隧道軌道水平向變形曲線圖(單位：m)

(2)襯砌結構受力分析

表4 鐵路軌道變形結果匯總表 mm

根據相關規范[12]的規定，分別選取暗洞、明洞襯砌典型斷面(距離新建橋基最近)進行結構受力安全性檢算，結果表明，公路施工、運營后隧道襯砌結構各特征單元安全系數均仍滿足規范要求，且均不需驗算裂縫寬度，具體數據結果見表5、表6。

表5 隧道暗洞襯砌典型斷面安全系數檢算表

表6 隧道明洞襯砌典型斷面安全系數檢算表

(3)通過計算結果分析，新建公路橋上跨南昆客專那了隧道施工及運營對鐵路隧道結構及軌道的影響均在允許范圍內，上跨方案具有可實施性。

3 結語

根據實際工程地質、地形條件和設計方案進行三維數值計算，分析新建公路橋上跨施工和運營對下方高速鐵路隧道襯砌和軌道的影響，主要結論如下：

(1)新建公路橋施工期間，由于橋臺、樁基施工對地層的擾動，隧道周邊土層因應力重分布而引起隧道結構、軌道發生變形及襯砌受力發生變化。但公路橋梁在施工和運營中，鐵路隧道結構變形、軌道變形、襯砌結構安全系數均滿足規范要求，上跨方案具有可實施性。

(2)為減小橋梁施工對鐵路隧道結構變形，應嚴格控制施工方法，嚴禁使用擾動大的施工工藝。橋臺基坑施工時，應盡量減小開挖量，減少對周邊土體的擾動，從而減小對下方隧道結構的影響；挖孔樁宜采用對稱施工。

(3)施工期間做好高鐵隧道襯砌結構和鐵路軌道的變形監測以指導施工。新建公路橋主體結構施工完成后，應根據對鐵路隧道軌道變形監測情況，判定是否立即調整南昆客專鐵路軌道，保證鐵路運營安全。