新建高速公路橋梁對臨近既有鐵路隧道影響分析

收稿日期：2024-02-22

作者簡介：趙艷軍（1991—），男，碩士研究生，工程師，研究方向：路橋設計。

摘要 在既有鐵路隧道周圍建設高速公路橋梁，會對既有隧道產生附加變形和內力，對襯砌結構造成不利影響。為了科學評估其影響程度，文章以廣西壯族自治區某新建高速公路橋梁為例，運用有限元模擬的方法，對橋梁施工期和運營期的荷載進行計算，分析其對既有南昆鐵路隧道襯砌結構的影響，為設計方案提供依據，從而保障鐵路的正常運行和高速公路的順利建設。

關鍵詞 橋梁樁基；鐵路隧道；受力分析；安全性

中圖分類號 U455.42文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）09-0041-04

0 引言

隨著我國鐵路網的不斷完善，高速公路建設不可避免地會發生與既有鐵路產生交叉的情況。高速公路橋梁樁基施工和成橋后的荷載必然會對周圍土體產生擾動，使得應力發生變化，從而影響隧道結構的安全性[1-2]。科學評判橋梁建設對既有鐵路隧道的影響，保障鐵路正常運行和高速公路順利建設，是設計工作中的一項重要工作[3]。該文以廣西某新建高速公路項目為實際案例，采用有限元數值模擬方法，分析新建橋梁對鐵路隧道運營安全性的影響，為今后類似工程提供參考。

1 項目概況

新建高速公路為雙向四車道，設計速度為120 km/h。既有鐵路為南昆鐵路下行線，是國鐵Ⅰ級干線電氣化鐵路，采用單線單洞形勢，設計速度為120 km/h。高速公路橋梁跨越南昆鐵路下行線處為隧道洞頂，橋梁位于半徑4 200 m的圓曲線上，縱坡的坡度為2.9%，與鐵路夾角132.73 °，設計對隧道洞頂既有山體無開挖。

2 設計方案

為減小新建橋梁對南昆鐵路隧道的擾動，適當增加安全距離，主橋采用一跨70 m的鋼混凝土組合梁，梁高3.5 m，鐵路軌頂至橋梁底的距離為27.1 m，分左右兩幅。橋墩為雙柱式，直徑為2 m，基礎為混凝土鉆孔灌注樁，直徑為2.2 m，長度為40 m。橋臺采用肋式臺，基礎為混凝土鉆孔灌注樁，直徑為1.2 m，長度為45 m。橋梁基礎距離鐵路隧道結構最小為15.34 m。橋梁平面、立面如圖1～2所示。

3 場地工程地質條件

3.1 地層參數

根據地勘報告，主要地層為粉質黏土、全風化硅質巖、強風化硅質巖，建設范圍內地下水不發育，故暫不考慮地下水對隧道的影響。各主要地層的相關參數見表1所示。

圖1 主橋平面圖

圖2 主橋立面圖

3.2 支護結構參數

既有鐵路隧道的支護結構為錨桿和襯砌結構，材料參考類似工程進行取值，詳見表2所示。

4 影響分析

4.1 模型建立

由于橋梁樁基與隧道的相對位置關系，二維模型無法準確反映地層沉降、應力變化等實際情況，因此采用3D實體單元進行模擬。該次計算采用邁達斯GTS軟件，為便于計算，結合工程實際，對模型做出如下假定和優化計算[4]：

（1）地層為各項同性材料，塑性屈服準則選用Mohr-

Coulomb準則，地層采用實體單元進行三維模擬。該模型是工程建設中常用的模型，在計算中具有效率高、收斂快的優點，對于材料整體性描述具有良好效果。

（2）只考慮圍巖自重造成的圍巖初始應力場。

（3）圍巖變形服從摩爾庫倫本構模型，襯砌結構和錨桿采用線彈性本構模型。

（4）根據地形情況，采用最不利坡面進行計算。

（5）模型計算時，施加位移邊界條件，左右兩側為水平約束，頂部為自由邊界，底部設置為豎向約束。

按照樁基和隧道的相對位置及影響范圍，選取長150 m、寬60 m范圍內的巖層進行計算分析。模型建立完成后共有516 428個單元和113 874個節點，模型如圖3～4所示。

4.2 計算工況

運用計算軟件的結構網格自適應技術和激活、鈍化功能，在模擬區域內對地層、隧道、樁基礎等進行計算。計算模擬工況共有5個步驟，分別為：初始地應力平衡；隧道建立；襯砌及錨桿建立；施工樁基；成橋荷載。施工步驟設置及控制區域見表3所示。

4.3 計算結果分析

4.3.1 樁基施工影響

樁基施工時采用鋼護筒跟進支護，在計算中予以考慮。經過計算，樁基施工對巖層的影響如圖5～6所示。

經計算發現，樁基成孔后橋墩和橋臺位置處的水平位移值較小，最大值出現在右側橋臺樁頂處，為?0.005 mm。左側橋墩樁頂處的豎向位移為?0.31 mm，樁底處的豎向位移為?0.33 mm。右側橋臺樁頂處的豎向位移為0.20 mm，樁底處的豎向位移為?0.35 mm。根據結果分析，認為兩個方向的位移值都比較小，均在安全范圍內。

根據計算結果分析，樁基成孔后隧道結構橫向變形的絕對值最大為0.01 mm，位于右側拱肩處，如圖7所示。樁基成孔后隧道豎向變形的絕對值最大為0.117 mm，位于左側拱肩處，如圖8所示。根據結果分析，認為兩個方向的位移值都比較小，均在安全范圍內。

4.3.2 成橋并施加恒載和活載后的影響

經計算發現，成橋后隧道左側橋墩樁基樁頂的水平位移為0.02 mm，樁底水平位移為0.01 mm；右側橋臺樁基樁頂的水平位移為0.06 mm，樁底水平位移為0.02 mm。樁基均產生不同程度的沉降位移，隧道左側橋墩樁基樁頂的豎向位移為?0.62 mm，樁底豎向位移為0.49 mm；右側橋臺樁基樁頂的豎向位移為0.54 mm，樁底豎向位移為0.55 mm。成橋后對地層產生的位移如圖9～10所示。根據結果分析，認為兩個方向的位移值都比較小，均在安全范圍內。

根據計算結果分析，成橋后隧道產生的橫向變形的絕對值最大為0.02 mm，位于右側拱肩處，如圖11所示。成橋后隧道產生的豎向變形的絕對值最大為0.27 mm，位于左側拱肩處，如圖12所示。根據結果分析，認為兩個方向的位移值都比較小，均在安全范圍內。

5 結語

按照實際工程地質條件，根據設計方案進行模擬計算，得出的主要結論及建議如下：

（1）新建高速公路在橋梁施工期間及成橋運營階段對既有鐵路隧道影響很小，不會對鐵路的正常運營造成不利影響。

（2）施工時應加強對鐵路隧道的狀態觀測，在隧道內和地面設置控制監測點，進行全程監控。

（3）隧道周圍施工應禁止爆破作業，樁基施工應盡可能避開雨季，并采取可靠的護壁支護措施。

參考文獻

[1]龔倫， 馬相峰， 孔超， 等. 橋梁樁基近接既有隧道的數值模擬分析[J]. 鐵道標準設計， 2018（12）： 125-130.

[2]熊剛， 黃思勇， 項敬輝. 隧道近接施工對既有樁基影響的研究進展[J]. 鐵道建筑， 2011（7）： 72-74.

[3]趙旭峰， 王春苗， 孫景林， 等. 盾構近接隧道施工力學行為分析[J]. 巖土力學， 2007（2）： 409-414.

[4]閔亞芝. 高速公路橋墩樁基施工對既有隧道力學行為研究及穩定性分析[J]. 科技創新與應用， 2023（6）： 97-99+103.