周 超

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430063)

公路跨越既有鐵路隧道的方案設(shè)計(jì)與研究

周 超

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430063)

在既有隧道上方施作建(構(gòu))筑物，不僅會(huì)引起隧道局部地段的沉降或隆起變形，而且荷載的反復(fù)變化也會(huì)引起隧道襯砌開裂。因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及施工階段，應(yīng)采取合理的措施來(lái)避免或減小對(duì)下方既有隧道的影響。結(jié)合某公路延伸段跨越既有鐵路隧道工程，提出了剛性板跨越、橋梁跨越、路基通過(guò)3種方案。對(duì)上述3種方案進(jìn)行綜合對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)剛性板方案具有經(jīng)濟(jì)性好、實(shí)施方便等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)有限元數(shù)值模擬，驗(yàn)證了剛性板方案的可實(shí)施性。采用剛性板方案跨越既有隧道，在國(guó)內(nèi)尚屬首次。本工程的設(shè)計(jì)可為其他類似工程提供參考。

既有隧道；公路；沉降；剛性板；有限元

0 引言

一般情況下，在既有隧道上方施作建(構(gòu))筑物，將會(huì)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的影響。例如，在隧道上方進(jìn)行基坑開挖，會(huì)對(duì)隧道造成因土體卸載而隆起的現(xiàn)象；后期結(jié)構(gòu)施作又相當(dāng)于加載，隧道受加載及卸載雙重影響，襯砌結(jié)構(gòu)受力及其不利，容易出現(xiàn)隧道襯砌開裂。

同樣，在隧道上方施作道路或橋樁等結(jié)構(gòu)物，由于外荷載的增加，隧道結(jié)構(gòu)的豎向荷載和側(cè)向荷載會(huì)增大。若原有隧道的結(jié)構(gòu)安全儲(chǔ)備不夠，也會(huì)造成隧道結(jié)構(gòu)破壞。另外，豎向荷載的增加會(huì)造成隧道沉降，對(duì)隧道內(nèi)的交通運(yùn)營(yíng)造成安全隱患。

國(guó)內(nèi)有不少成功在隧道上方開挖基坑或施作建筑的例子：某輕軌車站在既有隧道上方修建，車站底板與隧道結(jié)構(gòu)頂板之間為8.0 m厚中風(fēng)化砂質(zhì)泥巖層，車站施工中采用淺層控制爆破和光面爆破技術(shù)，降低對(duì)既有隧道襯砌的影響，同時(shí)基坑開挖過(guò)程中采用水平成層開挖等方法，避免了對(duì)下方隧道造成偏壓影響[1]；杭州市平海路跨延安路過(guò)街地道在既有地鐵盾構(gòu)隧道上方修建，施工中采用地基加固處理、精細(xì)施工、分段施作基坑等手段，將隧道變形控制在理想范圍之內(nèi)[2]。

對(duì)于公路跨越既有鐵路隧道，國(guó)內(nèi)案例較少。一般采用路基通過(guò)方案和橋跨方案，而采用剛性板方案還沒有先例。本文結(jié)合某規(guī)劃公路延伸段跨越既有鐵路隧道工程，對(duì)比研究了剛性板跨越方案、橋跨方案和路基方案，最終確定剛性板方案為最佳方案，并從數(shù)值模擬及研究襯砌結(jié)構(gòu)受力入手，分析了剛性板方案對(duì)既有隧道的影響，并通過(guò)實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)印證了計(jì)算結(jié)果的可靠性。

1 工程概況

本工程為現(xiàn)狀某規(guī)劃道路延伸段跨越既有鐵路隧道。鐵路隧道為單線隧道，隧道建筑限界及襯砌內(nèi)輪廓按照電力牽引雙層集裝箱客貨共線120 km/h條件設(shè)計(jì)，隧道穿越地層為中風(fēng)化及弱風(fēng)化巖層，圍巖級(jí)別為Ⅳ級(jí)。隧道采用復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)，隧道初期支護(hù)厚210 mm，采用網(wǎng)噴混凝土+格柵鋼架組合；二次襯砌厚350 mm，采用模筑鋼筋混凝土。隧道洞身高度約10 m，寬度約7 m。隧道襯砌斷面圖見圖1。從洞內(nèi)觀察來(lái)看，未出現(xiàn)滲水、襯砌裂損、道床損害等病變現(xiàn)象。

圖1 隧道襯砌斷面圖(單位：cm)

根據(jù)鐵路部門意見，平行現(xiàn)狀鐵路軌道位置將增設(shè)1條鐵路隧道，2條隧道的中心距離為25 m。隧道上部擬建道路處現(xiàn)狀地面標(biāo)高為34.74～36.14 m，整個(gè)隧道的覆土厚度為10～12 m。主要地質(zhì)情況為中風(fēng)化巖層，巖石為泥盆系中下統(tǒng)砂巖，巖性為灰色、青灰色、棕紅色中細(xì)粒巖屑石英砂巖，厚52～56 m。隧道與待建公路的位置關(guān)系圖見圖2。

由于原來(lái)山體的無(wú)序開挖，隧道的覆土厚度發(fā)生了較大變化，對(duì)隧道的受力情況產(chǎn)生局部影響。同時(shí)，考慮到規(guī)劃路延伸段的主要交通車輛為重型車輛，荷載較大，在反復(fù)荷載作用下，容易對(duì)隧道造成不利影響。為避免對(duì)鐵路隧道造成損害，確保2條隧道的安全，經(jīng)專項(xiàng)評(píng)估，確定對(duì)該處采取必要的安全加強(qiáng)措施。

目前對(duì)于基坑開挖[3-4]及新建隧道的施工[5-7]對(duì)既有隧道的影響的研究較多。吳慶[8]結(jié)合上海人民路越江盾構(gòu)隧道工程，研究了地面堆載對(duì)盾構(gòu)隧道的影響，得出以下主要結(jié)論：堆載的重量一直是影響變形的主要原因，在3.5倍隧道直徑以內(nèi)，堆載量越大，隧道變形越大；在1.5倍隧道直徑埋深以內(nèi)，堆載對(duì)隧道變形的影響比較大。本工程隧道所處地層條件較差，埋深基本位于堆載影響敏感區(qū)內(nèi)。

關(guān)于在隧道上方加載、卸載的文章，多從隧道結(jié)構(gòu)的變形分析其安全性[9-10]；對(duì)于襯砌結(jié)構(gòu)的安全儲(chǔ)備，則沒有進(jìn)行詳細(xì)的分析。本文在考慮隧道變形的同時(shí)，引入二次襯砌的安全系數(shù)驗(yàn)算，可以直觀地反映荷載的變化對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。

圖2 隧道與待建公路的位置關(guān)系圖(單位：m)Fig.2 Spatial relationship between tunnel and the highway to be built (m)

2 方案設(shè)計(jì)

對(duì)于道路跨越隧道部分，國(guó)內(nèi)目前常采用的方法是根據(jù)新建道路的實(shí)際情況，進(jìn)行加強(qiáng)設(shè)計(jì)。本文主要考慮剛性分載板方案、橋跨方案和路基通過(guò)方案。

2.1 剛性分載板方案

剛性分載板方案是在道路表面跨越隧道部分設(shè)置鋼筋混凝土剛性分載板的方法。施工中，應(yīng)避免對(duì)已建隧道頂面的巖質(zhì)的擾動(dòng)，嚴(yán)禁開挖。采用剛性分載板，可以通過(guò)擴(kuò)大受力面積，把單輛汽車的集中荷載平均分散到地面上，從而使隧道受到的局部力大大減少。同時(shí)，在剛性分載板下設(shè)置一定厚度的碎石層，既可以起到應(yīng)力擴(kuò)散作用，又能夠吸收汽車的沖擊力和振動(dòng)，減少車輛震動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不利效應(yīng)。剛性板設(shè)計(jì)圖見圖3，剛性板跨越鐵路段示意圖見圖4。

圖3 剛性板設(shè)計(jì)圖(單位：m)

圖4 剛性板跨越鐵路段示意圖(單位：m)

2.2 橋跨方案

采用橋梁跨越形式，可以使汽車荷載不直接作用在隧道受力的影響范圍內(nèi)。但是，采用橋跨方案，橋梁的基礎(chǔ)必須遠(yuǎn)離隧道影響范圍，從而使橋梁的跨度加大，增加了工程投資。另外，橋梁基礎(chǔ)施工過(guò)程中也會(huì)對(duì)隧道產(chǎn)生不利影響。

2.3 路基通過(guò)方案

國(guó)內(nèi)采用路基形式通過(guò)既有隧道的案例很少。福州羅源灣北岸鐵路支線疏解線以路基形式斜交從飛欒隧道洞身頂部通過(guò)。李輝[11]采用數(shù)值模擬方法分析了路基方案的可行性，研究了路基施工對(duì)既有隧道變形的影響。

就本工程而言，采用路基通過(guò)方案，會(huì)增加隧道上方的荷載。由于路基僅起分散荷載的作用，且公路主要為重載車輛通行，原有地面為出露破碎巖層，因此，如果本工程采用路基方案，會(huì)出現(xiàn)造價(jià)高、回填土石方大等問題。另外，路基本身對(duì)于下方既有鐵路隧道是一種堆載，對(duì)下方隧道結(jié)構(gòu)受力不利。

2.4 方案對(duì)比分析

綜合分析后，得出以下結(jié)論：

剛性板方案簡(jiǎn)單易行，造價(jià)便宜(采用剛性板方案，總造價(jià)約77.3萬(wàn)元)。剛性板施工對(duì)下方隧道范圍內(nèi)的巖石地基不擾動(dòng)，避免了隧道結(jié)構(gòu)由于施工而受到影響。其次，剛性分載板的范圍可根據(jù)以后鐵路建設(shè)的需要接長(zhǎng)或拼寬，比較靈活、機(jī)動(dòng)。

橋跨方案對(duì)隧道的影響較小。但是，由于需要建設(shè)大跨度橋梁，工程造價(jià)高(初步估算約400萬(wàn)元)。另外，橋梁基礎(chǔ)施工對(duì)隧道存在一定的干擾；如果考慮將來(lái)需要增加鐵路線路的話，則需要建更大跨度的橋梁。

路基方案需對(duì)既有路面進(jìn)行加高改造。由于既有路面規(guī)劃標(biāo)高已定，如果采用路基方案，則會(huì)造成搭接困難；其次，路基整體性較差，后期規(guī)劃鐵路隧道下穿路基段，也會(huì)對(duì)既有道路產(chǎn)生不良影響。路基主要由路基工程和路面工程兩部分，從造價(jià)方面來(lái)看，考慮到本工程跨越隧道，路基相對(duì)較高，初步估算路基方案造價(jià)約210萬(wàn)元，仍偏高。

根據(jù)上述分析，與剛性板方案相比，路基通過(guò)方案和橋跨方案都不具明顯優(yōu)勢(shì)，因此不推薦采用。采用剛性分載板方案，可以大幅降低造價(jià)，并可為后期新增鐵路線路預(yù)留空間。由于剛性板整體性較好、剛度大，且后期隧道下穿亦不會(huì)造成較大的路面沉降，因此推薦采用剛性分載板方案。

下面通過(guò)有限元數(shù)值模擬，對(duì)剛性分載板方案對(duì)既有鐵路隧道及擬建鐵路隧道的影響進(jìn)行分析研究，以驗(yàn)證剛性分載板方案是否合理。

3 有限元數(shù)值分析計(jì)算理論

3.1 地應(yīng)力場(chǎng)的模擬

隧道淺埋區(qū)域?yàn)棰艏?jí)圍巖。該處構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)較小，因此，研究以自重應(yīng)力場(chǎng)為主，進(jìn)行原始應(yīng)力場(chǎng)模擬。最大主應(yīng)力σ1方向?yàn)榇怪狈较颍淞恐涤陕裆畲_定，計(jì)算式σ1=σy=γ·H；最小主應(yīng)力為水平方向，其量值

(1)

地應(yīng)力場(chǎng)示意圖如圖5所示。

圖5 地應(yīng)力場(chǎng)示意圖

3.2 釋放荷載的計(jì)算

自然巖土體在開挖前處于一定的初始應(yīng)力狀態(tài)，而開挖導(dǎo)致開挖邊界上的應(yīng)力釋放，并由此引起周圍巖土體的變形及其中應(yīng)力場(chǎng)的變化。在有限元計(jì)算中，可通過(guò)去掉被挖去部分的單元，并將由于開挖而產(chǎn)生的“釋放荷載”作用于開挖邊界面的方法來(lái)模擬其開挖過(guò)程。

隧道開挖后，在開挖邊界的節(jié)點(diǎn)i上將作用有釋放節(jié)點(diǎn)荷載

(2)

此節(jié)點(diǎn)荷載由連接節(jié)點(diǎn)i的有關(guān)單元在節(jié)點(diǎn)i上的換算節(jié)點(diǎn)力貢獻(xiàn)而成。

在施工階段，作用在開挖邊界上的釋放節(jié)點(diǎn)荷載fli=α1fi，式中α1為1個(gè)百分比系數(shù)，可根據(jù)測(cè)試資料加以確定，通常近似地將它定為本階段隧道控制測(cè)點(diǎn)的變形值與施工完畢、變形穩(wěn)定后該控制測(cè)點(diǎn)的總變形值的比值[13]。在缺乏實(shí)測(cè)變形資料的情況下，亦可按工程類比法加以選定，并根據(jù)試算結(jié)果予以修正。

3.3 計(jì)算模型本構(gòu)關(guān)系的選擇

在靜力分析中，圍巖體選用理想彈塑性本構(gòu)關(guān)系，其屈服準(zhǔn)則采用Drucke-Prager屈服準(zhǔn)則(簡(jiǎn)稱D-P準(zhǔn)則)。所謂的D-P準(zhǔn)則，是把對(duì)巖土屈服有重要影響的靜水應(yīng)力因素加入到mises準(zhǔn)則中去，來(lái)模擬巖土的塑性屈服。它的基本表達(dá)式為

(3)

其他如初期支護(hù)、二次襯砌等混凝土材料均使用彈性本構(gòu)關(guān)系。

4 建模與計(jì)算

本文采用大型有限元軟件ANSYS進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。開挖過(guò)程中對(duì)于開挖掉的土體，采用ANSYS軟件的“生死”單元進(jìn)行模擬，即“殺死”土體單元。在軟件的計(jì)算過(guò)程中，并非將該單元?jiǎng)h除，而是在其剛度矩陣中乘了幾個(gè)極小的數(shù)，并取消密度、慣性角速度等對(duì)其的影響。需要的情況下，可以將其“復(fù)活”，重新賦予屬性，模擬新施工的結(jié)構(gòu)。采用荷載步的形式模擬隧道的連續(xù)開挖過(guò)程。

4.1 模型參數(shù)的選取

根據(jù)地質(zhì)報(bào)告及相關(guān)規(guī)范，本文的計(jì)算按照表1取值。

表1 計(jì)算物理力學(xué)指標(biāo)Table 1 Physical and mechanical parameters

4.2 模型單元的選取

在平面靜力分析中，使用平面4節(jié)點(diǎn)實(shí)體線性單元(plane 42)模擬圍巖和開挖單元。plane 42為平面線性單元，可用于平面應(yīng)力、平面應(yīng)變和軸對(duì)稱分析，同時(shí)單元支持包括Mises塑性、DP塑性、大變形等多種非線性計(jì)算，精度也較高?？紤]到隧道的受力模式，需要將plane 42單元設(shè)置為平面應(yīng)變狀態(tài)進(jìn)行分析。

由于需要分析隧道二次襯砌和初期支護(hù)的彎矩及軸力等內(nèi)力結(jié)果，因此，二次襯砌和初期支護(hù)采用梁?jiǎn)卧?beam 3)進(jìn)行模擬，錨桿采用link 10單元進(jìn)行模擬，鋼筋混凝土剛性分載板采用梁?jiǎn)卧?beam 3)進(jìn)行模擬。有限元計(jì)算模型見圖6。

4.3 邊界條件的確定

關(guān)于計(jì)算模型的邊界條件，嚴(yán)格按照隧道力學(xué)分析結(jié)果，其橫向邊界到隧道邊界的距離約為6倍洞徑；垂直方向上，模型下邊界到隧道底部邊界的距離>3倍洞徑，上邊界取至地表，埋深為11 m。

圖6 有限元計(jì)算模型(單位：m)

4.4 計(jì)算步驟

計(jì)算共分4個(gè)階段進(jìn)行：

1)第1階段。自重沉降模擬，計(jì)算中“殺死”初期支護(hù)及二次襯砌單元等結(jié)構(gòu)單元。

2)第2階段。開挖左側(cè)隧道，模擬原既有鐵路隧道開挖，得到施作剛性板之前的既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)及地層位移情況，以方便與后期結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化進(jìn)行對(duì)比。

3)第3階段。施加地面荷載，激活梁?jiǎn)卧?，模擬剛性板施工完成、公路開通運(yùn)營(yíng)對(duì)下方既有鐵路隧道(左側(cè)隧道)的影響。

4)第4階段。開挖右側(cè)規(guī)劃鐵路隧道，研究右側(cè)隧道開挖對(duì)上方既有公路沉降的影響，并對(duì)公路運(yùn)營(yíng)對(duì)下方2條隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)的安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

4.5 計(jì)算結(jié)果分析

4.5.1 第1階段——自重應(yīng)力場(chǎng)模擬

自重應(yīng)力場(chǎng)模擬結(jié)果見圖7和圖8。

圖7 Y向主應(yīng)力云圖(單位：Pa)

由圖7和圖8可以看出，圍巖自重應(yīng)力與深度成正比關(guān)系。

4.5.2 第2階段——左側(cè)既有隧道開挖

左側(cè)既有隧道開挖的模擬結(jié)果見圖9和圖10。

圖8 初始地表沉降(單位：m)

圖9 隧洞開挖引起的地表沉降(單位：m)Fig.9 Ground surface settlement caused by tunnel excavation (m)

圖10 二次襯砌彎矩圖(單位：N·m)

由圖10可知，邊墻腳處彎矩最大為121 kN·m；相對(duì)于初期支護(hù)，二次襯砌承擔(dān)了相對(duì)較小的圍巖壓力，初期支護(hù)和圍巖承擔(dān)了較大的圍巖壓力。這符合新奧法的基本理念，即充分發(fā)揮圍巖的承載能力，二次襯砌僅作為安全儲(chǔ)備。

4.5.3 第3階段——公路運(yùn)營(yíng)后對(duì)既有隧道的影響

公路施工完成后，隧道結(jié)構(gòu)上方的豎向荷載有所增加。需要研究公路運(yùn)營(yíng)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響，驗(yàn)證隧道結(jié)構(gòu)是否安全、鋼筋混凝土剛性分載板的荷載分散作用對(duì)減小隧道結(jié)構(gòu)受力是否有利。車道荷載的取值按照文獻(xiàn)[15]中的相應(yīng)規(guī)定選取。

對(duì)公路運(yùn)營(yíng)后對(duì)既有隧道的影響進(jìn)行模擬的有限元模型見圖11，車道荷載示意圖見圖12。

圖11用于對(duì)公路運(yùn)營(yíng)后對(duì)既有隧道的影響進(jìn)行模擬的有限元模型
Fig.11 Finite element model used to simulate influence of highway operation on existing tunnel

圖12 車道荷載示意圖

公路運(yùn)營(yíng)后對(duì)既有隧道的影響的模擬結(jié)果見圖13—16。

圖13 X向主應(yīng)力云圖(單位：Pa)

圖14 Y向主應(yīng)力云圖(單位：Pa)

從圖13和圖14可以看出，塑性區(qū)分布在邊墻底部及仰拱腳部。

根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，鐵路沉降最大允許值為10 mm。從圖15可知，施作剛性板后，地層發(fā)生約4 mm的豎向沉降，隧道拱頂發(fā)生2.3 mm的沉降。沉降值滿足允許沉降值要求。經(jīng)計(jì)算可知，剛性板較好地分擔(dān)了地面豎向荷載，并均勻地傳遞給下方地層，隧道拱頂沉降較小。

圖15 沉降圖(單位：m)

圖16 二次襯砌彎矩圖(單位：N·m)

從圖16可知，公路運(yùn)營(yíng)后，邊墻腳處彎矩增大約13 kN·m?？傮w來(lái)看，公路運(yùn)營(yíng)對(duì)下方既有隧道結(jié)構(gòu)的影響較小。

4.5.4 第4階段：右側(cè)規(guī)劃隧道施工

右側(cè)規(guī)劃隧道施工的模擬結(jié)果見圖17—20。

圖17 X向主應(yīng)力云圖(單位：Pa)

從圖17和圖18可以看出，地表豎向荷載的增加使橫向和豎向應(yīng)力有所增加，在隧道邊墻腳處有壓應(yīng)力集中現(xiàn)象，但應(yīng)力值較小，約-0.83 MPa，圍巖處于較為穩(wěn)定的狀態(tài)。

圖18 Y向主應(yīng)力云圖(單位：Pa)

圖19 沉降圖(單位：m)

從圖19可知，右側(cè)規(guī)劃隧道修建完成后，上方公路發(fā)生約2.8 mm的豎向位移，說(shuō)明左線隧道開挖對(duì)公路運(yùn)營(yíng)的影響較小，圍巖仍有較大的承載能力?？梢钥闯?，隧道開挖、支護(hù)及二次襯砌施作后，在隧道周邊一定范圍內(nèi)形成了應(yīng)力場(chǎng)的重新分布；重分布的應(yīng)力云圖相對(duì)獨(dú)立，沒有形成明顯的相互影響區(qū)域；超出隧道一定范圍后，應(yīng)力云圖基本恢復(fù)到原始自重應(yīng)力場(chǎng)狀態(tài)。綜合分析顯示，剛性板對(duì)減小地表沉降作用明顯。

圖20 二次襯砌彎矩圖(單位：N·m)

從圖20可知，公路運(yùn)營(yíng)對(duì)下方既有隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)受力的影響較小，彎矩變化值為0～10 kN·m，其中邊墻腳處彎矩最大，為139 kN·m。

4.5.5 結(jié)構(gòu)受力及襯砌變形分析

為判斷原設(shè)計(jì)中二次襯砌結(jié)構(gòu)是否具有足夠的安全儲(chǔ)備，本次計(jì)算選取受力最不利狀態(tài)(即第4階段右線隧道開挖完成后的結(jié)構(gòu)受力狀態(tài))進(jìn)行計(jì)算驗(yàn)證。

以下根據(jù)文獻(xiàn)[16]中的要求進(jìn)行安全系數(shù)驗(yàn)算。

偏心受壓構(gòu)件抗壓強(qiáng)度

KN≤φαRabh。

(4)

式中：Ra為混凝土或砌體的抗壓極限強(qiáng)度；K為安全系數(shù)；N為軸向力(MN)；b為截面寬度；h為截面的厚度；φ為構(gòu)件的縱向彎曲系數(shù)；α為軸向力的偏心影響系數(shù)。

取縱向長(zhǎng)b=1 m為1個(gè)計(jì)算單位，根據(jù)規(guī)范選取各參數(shù)，并將軸力代入，抗壓安全系數(shù)K=2.82>2.0，第4階段二次襯砌受力滿足要求，且有較大安全儲(chǔ)備。相對(duì)于第4階段，第3階段結(jié)構(gòu)內(nèi)力較小，說(shuō)明公路運(yùn)營(yíng)對(duì)既有左線隧道的影響較小，二次襯砌的承載能力有較大富余。這說(shuō)明剛性板具有良好的荷載分散作用。

4.5.6 地表沉降分析

提取各個(gè)階段模型頂部節(jié)點(diǎn)豎向位移后處理結(jié)果，減去初始地應(yīng)力沉降，得到隧道開挖、公路運(yùn)營(yíng)階段地表沉降圖，見圖21。從圖21中可以看出，總體地表沉降較?。坏?階段剛性板施作后，地面發(fā)生4 mm沉降；左洞和右洞拱頂處地表沉降最大，向兩側(cè)延伸，位移逐漸趨于穩(wěn)定。

圖21 地表沉降圖

5 監(jiān)控量測(cè)

在公路投入運(yùn)營(yíng)后，對(duì)隧道拱頂及軌面沉降進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。采用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)手段，通過(guò)布設(shè)光纖光柵靜力水準(zhǔn)儀進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè)。沿隧道縱向剛性板跨越區(qū)域共設(shè)置15個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，得到各點(diǎn)隧道拱頂沉降和軌面沉降累計(jì)值。沉降曲線見圖22。

根據(jù)以往的工程經(jīng)驗(yàn)，鐵路軌面沉降最大允許值為10 mm，相鄰兩股鋼軌不均勻沉降最大允許值為6 mm。本次監(jiān)測(cè)拱頂最大沉降為2.4 mm，軌面沉降為1.8 mm，與計(jì)算結(jié)果基本吻合。說(shuō)明剛性板對(duì)減小下方運(yùn)營(yíng)隧道的沉降效果明顯，也驗(yàn)證了本次數(shù)值模擬結(jié)果的正確性。

圖22 沉降曲線

6 剛性板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)剛性承載板采用彈性地基梁進(jìn)行計(jì)算，板荷載采用公路Ⅰ級(jí)的車輛荷載，按最不利情況進(jìn)行加載。計(jì)算模型取端部30 m范圍進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算方法采用文克爾有限元法。計(jì)算簡(jiǎn)圖見圖23，位移圖見圖24，彎矩圖見圖25，剛性板路面橫斷面示意圖見圖26。

圖23 計(jì)算簡(jiǎn)圖

圖24位移圖(單位：mm)
Fig.24 Settlement diagram (mm)

圖25 彎矩圖(單位：kN·m)

圖26 剛性板路面橫斷面示意圖(單位：cm)

為增加結(jié)構(gòu)剛度，在板內(nèi)加型鋼構(gòu)件。由于長(zhǎng)度較大，為滿足溫度變形要求，可以在墊層上增設(shè)厚1 cm的油毛氈，以減少基底約束。同時(shí)，澆筑時(shí)可以分段澆筑，并摻入微膨脹劑，以減少收縮。

7 結(jié)論與建議

本文通過(guò)數(shù)值模擬，分析了隧道變形及結(jié)構(gòu)受力，并通過(guò)計(jì)算結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)，直觀反映隧道二次襯砌的安全儲(chǔ)備情況。

綜上所述，得出以下結(jié)論：

1)由以上分析可知，公路施工對(duì)鐵路隧道的影響很小，不會(huì)對(duì)鐵路隧道的安全及正常運(yùn)營(yíng)造成不利影響。

2)施工期間，應(yīng)精心施工，隨時(shí)觀測(cè)鐵路隧道的狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)異常立即查找原因，確保鐵路隧道的安全。在施工全過(guò)程中，除按要求做好洞內(nèi)監(jiān)控量測(cè)外，在公路路面及路基范圍內(nèi)應(yīng)建立沉降與位移變形觀測(cè)點(diǎn)，進(jìn)行全程監(jiān)控量測(cè)。

3)本工程采用剛性板跨越既有隧道，在國(guó)內(nèi)尚屬首次。由于剛性板跨越方案具有經(jīng)濟(jì)性好、剛度大、對(duì)既有隧道影響小等優(yōu)點(diǎn)，在條件允許情況下應(yīng)加以推廣。

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CaseStudyonDesignofHighwayOvercrossingExistingRailwayTunnel

ZHOU Chao

(ChinaRailwaySiyuanSurveyandDesignInstituteGroupCo.,Ltd.,Wuhan430063,Hubei,China)

The construction of buildings (structures) above existing tunnels will not only cause settlement or uplift of the tunnel，but also repeated changes in the load will cause cracking of the tunnel lining.Therefore,in the design and construction of the buildings (structures),rational measures should be taken to avoid or minimize the influence on the existing tunnels below.The extension line of a highway is designed to overcross an existing tunnel,for which three overcrossing options,i.e.,overcrossing by means of rigid board,overcrossing by means of bridge and overcrossing by means of subgrade,are proposed.Comparison and contrast is made among the mentioned three overcrossing options,which shows that the option of overcrossing by means of rigid board has such advantages as being cost efficient and easy to be implemented.The implementation of overcrossing by means of rigid board is verified by means of numerical simulation.It is the first time in China that rigid board is adopted to overcross existing tunnel.The design of the works described can provide reference for similar works in the future.

existing tunnel; highway; settlement; rigid board; finite element

2013-06-07;

2013-11-15

周超(1984—)，男，山東濟(jì)寧人，2010年畢業(yè)于西南交通大學(xué)，隧道與地下工程專業(yè)，碩士，工程師，主要從事城市軌道交通、地下空間與工程、隧道等領(lǐng)域的設(shè)計(jì)與科研工作。

10.3973/j.issn.1672-741X.2014.01.006

U 455.46

A

1672-741X(2014)01-0032-09