新建高速公路上跨既有隧道方案设计安全性评价.pdf

・线路／路基・新建高速公路上跨既有隧道方案设计安全性评价郭剑勇（铁道第三勘察设计院集团有限公司天津３００２５１）摘要以某新建高速公路上跨既有隧道工程为研究对象，提出了以路基方式通过的设计方案，建立了隧道结构有限元计算模型，模拟了高速公路未建前、施工中和建成后３种计算工况，计算了各工况下隧道结构所受内力值和位移值，分析了高速公路施工中及建成后对既有隧道结构的安全影响，指出了高速公路施工时的注意事项和运营后须采取的必要防护措施：计算结果表明：高速公路施工及运营不会影响既有隧道结构安全：关键词既有隧道车辆荷载数值模拟安全性评价中图分类号ｕ４１２．３６６文献标识码Ａ——文章编号１００９４５３９（２叭４）增ｌ一０３１３０３１引言近年来，随着国家基础建设投资的不断加大，铁路交通与公路交通的勘察、设计、建设步伐越来越快，建设规模越来越大，尤其是铁路线网与公路“”线网都呈ｊ见出跨省区、长干线、高标准的特点，这样就不可避免地会在某些局部地区出现铁路与公路交叉纵横的情况。众所周知，铁路设计标准与公路设计标准的特点大相径庭，两者对于建设、运营安全的要求也不尽相同。因此，国内同行业者对于铁路线路交叉和公铁线路交叉的设计问题做了很多有益的研究，例如张健通过数值模拟验证了新建铁路以路基方式上跨既有隧道设计方案的安全性¨１，周超采用刚性分载板设计方案解决了新建高速公路上跨既有铁路隧道的问题｜２。下面针对新建高速公路上跨既有高铁隧道的“”特殊情况．提出了以高埋深、近似正交、路基方式通过公铁交叉段的设计方案，并通过数值模拟验证了公路路基施工对既有高铁隧道结构影响的安全性，探索了应对公铁线路交叉设计的新方法。２工程概况新建ｉ奇速公路设计标准为时速８０ｋｍ，采用双收稿日期：２０１４一０３一１７铁道建篱技术只Ａ『ＬｗＡｙＣ０～Ｓ丁开ＵＣ丁『Ｏ～丁ＥＣＨ～ＯＬＯＧｙ向四车道。既有高铁隧道为单线双洞型式，设计时速２５０ｋｍ，隧道最大埋深４４５ｍ，全长２７．８ｋｍ。该隧道于２００８年５月竣工建成，２００９年４月１日投入运营。高速公路路线与高速铁路左线隧道在ｚＫ９５＋１８ｌ处相交，相交角度８２。，左线隧道在该里程处拱顶至地面高度５７．９ｍ；与右线隧道在Ｋ９５＋１８６处相交，相交角度为８０。，右线隧道在该里程处拱顶至地面高度为５６．１ｍ，如图ｌ所示。ａ．平面示意ｂ．纵断面示意图１新建高速公路与既有隧道相交示意２０＇４ｆ增７Ｊ３１３５０５Ｏ５０５０５０５０∞∞∞∞∞＝兮舛舵陀叭叭吣万方数据・线路／路基・根据地质勘查资料，新建高速公路与既有高铁隧道相交段具体地质情况如下：奥陶系中统峰峰组二段石灰岩、白云质灰岩、夹角砾状灰岩，薄至中厚层状，弱风化，节理裂隙较发育，岩体较完整，呈块状结构。岩体具轻微溶蚀现象，岩层平缓。工程地质概况见表１。表１工程地质概况土层编号岩土名称厚度／ｍ①老黄土０．７～１．５②泥岩—２．５２７．６③石灰岩５３．２～６４．８３方案比选（１）桥梁通过方案。上部结构采用单跨４０ｍＴ形梁，每幅５片，梁高２．５ｍ，单幅桥面宽１２．０ｍ，施工方法采用架桥机架设。桥台采用柱式台，基础采用挖孔灌注桩基础。桥梁方案的优势在于可以充分保证高速公路运营后对既有高铁隧道影响最小，劣势在于Ｔ梁如采用预制则运送到现场很困难，如采用现浇则场地受限，且桩基施工可能对既有隧道上方围岩造成扰动。（２）路基通过方案。根据交叉段地形，挖方１．５ｍ修筑路基，采用避开雨季、快速施工、及时封闭、分段完成，如遇不良地质地层及时进行换填处理的施工方案。路基方案的优势在于施工便捷，工期较短，且造价较桥梁方案更经济，劣势在于路基挖方施工可能对既有隧道造成不利影响。经过多次实地踏勘和路线方案比选，基于兼顾既有隧道运营安全性和高速公路选线合理性两方“面因素考虑，决定采用高埋深、近似正交、路基方”式通过的上跨设计方案。４方案安全性计算４．１建立有限元模型因为该隧道采用单线双洞型式，考虑到左线隧道与右线隧道线间距为３５ｍ，大于３倍洞径跨度，ⅡⅢ左线隧道围岩级别为级，右线围岩级别级，左线隧道结构受力情况好于右线，因此选用右线隧道进行计算验证，隧道结构边仰结合处等应力集中部分采用加密网格划分，图２为右线隧道结构有限元模型单元划分图示。３１４铁道建筑技术图２有限元计算模型依据隧道横剖向受地面车辆荷载的影响范围，结构模型水平方向左右两侧宽度取隧道拱顶向左右两侧４５。方向延伸至地面。根据圣维南原理，弹性体小部分面积或体积内荷载作静力等效的变换时，只在局部产生不同效应而对远处没有影响，所以隧道模型仰拱下方围岩厚度取值为隧道高度的３‘倍３ｊ。在有限元分析领域，通常把隧道结构抽象为具有很长的纵向轴管状弹性体，其横截面大小和形状沿轴线长度近似不变，所受外力与纵向轴垂直，属于典型的平面应变问题。因此模型单元采用ＰＬＡＮＥ４２平面应变单元，ＰＬＡＮＥ４２平面应变单元为二维实体结构单元，具有４个节点，每个节点具有ｘ，Ｙ两个方向自由度。隧道围岩土体模型采用ＤＰ“弹塑性模型。４Ｊ，衬砌结构主要尺寸见表２，围岩及混凝土材料物理力学参数见表３。表２衬砌结构主要尺寸参数ｃｍ拱墙初拱墙二仰拱（底板）洞径衬砌支厚度衬厚度二衬厚度结构高度左线衬砌５３０３０９７０９４３Ⅱ断面（级）右线衬砌ｌＯ３５３５９９０ｌ０３１Ⅲ断面（级）表３材料物理力学参数容苇／黏聚力／内摩擦角／材料泊松比（ｋＮ・ｍ－ｊ）ｋＰａ（。）左线隧道围岩Ｏ．２５２７８００５０右线隧道围岩０．３０２５２００３９混凝土０．１８２４３０００５６模型的边界设置采用顶面自由边界，下部铰接，两侧全约束固定边界。ＲＡｌＵ～ＡＹｃｏＮｓＴＲＵｃＴｌｏＮＴＥｃＨＮＯＬＯＧＹ２０１４Ｉ增１）万方数据・线路／路基・数值模拟计算中，采用地层结构模型来计算隧道围岩自重应力，竖向压力采用围岩自重。根据高速公路设计单位《高速公路车辆横向布置荷载图》（见图３），车道荷载按公路一Ｉ标准采用均布荷载［７：，标准值为ｑ＝１０．５ｋＰａ÷图３高速公路车辆荷载横向布置一５—８６５４６５３９５７７２ｌｌ５９】１７４０９ａ．弯矩图ＬｉＮＥＳｒＲＥＳＳＳＴＥ卜１ＳＵＢ＝７ＴＩＭＥ＝ＩＩＭＪＭ“ＭＩＮ＝一Ｅ３ＥＬＥＭ＝５３４ＩＭＡＸ＝Ｉ７３８ＥＬＥＭ＝５３４０■■■■■譬．一兰，，ｄ竺．．ｉ一５７７８—４９二９１Ｅ６ＳＯ１ｌ４ｆＩ。７ｌ３８ａ．弯矩图鲨；三竺！竺：．兰！。ｉ：二誓一６“ｌ一３６３９７６０９】ｌ！！１９８¨７ａ．弯矩图４．２模拟计算工况计算按以下３种工况进行分析：第一计算工况，模拟高速公路未施工前隧道结构受力情况，此时结构仅承受围岩自动压力；第二计算工况，模拟高速公路施工时在隧道上方先挖方１．５ｍ修筑路基后隧道结构的受力情况；第三种计算工况，模拟高速公路通车后，路基面施加了车辆荷载后隧道结构的受力情况。４．３各工况计算云图与数据（见图４～６）—ｌ！ｌＥ＋０７９０７—９４３６０５—“１９５３０１８０ｂ．轴力图图４右线隧道第一计算工况‰∥’◆焉～ｍ声。、’墨兰ｉ。９誊ｊｂ．轴力图图５右线隧道第二计算工况ＬｌＮＥＳＴＲ￡ＳＳ＾ＮｓＴＥＰ＝Ｉ”％。ＳＬ＿Ｂ＝７ｎＭＥ＝Ｉ‰√∥ｋ。，歌～、、■＝尘：ｌ兰：！：：：：！！：！：！：！竺＿二！：盐一＂８Ｅ０７—∞９卵８一６３８Ｅ３９’一１日１７００ｂ．轴力图图６右线隧道第三计算工况根据数值模拟应力与位移云图显示的结果，右线隧道结构在３种计算工况下最大轴力与最大弯矩■—’—Ｐ＿－＿■——■■一一０ｕ６４７一ｏＩ）４—７８Ｉ００ｊ４ｌ—５００１—０４９６８３Ｅ．０３■蜀嚣舔＃丽而丽芝葡矸可丽胃：＿ｃ．位移云图■———●—■——■●—■■‘监誓：竺竺！：！！型！：竺竺：：：量卫‘００１８４ｕ０４：１８００二８９：００ｌ｛４６ｆ）ｃ．位移云图均出现在边墙与仰拱结合处，最大位移值出现在拱（下转第３３８页）铁道建筑技术ＲＡ『ＬＭｙＣＯ～Ｓ丁尺ＵＣ丁『Ｏ～丁ＥＣＨ￣０ＬＯＧｙ２０７４僧７Ｊ３１５—暑与◇穆‘叠ｐ％移令、童置暑一，燕一，”：＝。一㈨ｉ㈨ｍ一一黑㈣腿一㈣。一唧一＿．硼■■■＿啊＿俎誉篆一万方数据・轨道工程・沥青砂浆含气量直接影响结构的抗冻性和耐久性，含气量越高抗冻性就越强，结构就越耐久，尽量让砂浆的含气量接近技术指标上限。”定人、定材料、定工艺四定原则加强质量控制，确保严寒地区高速铁路工程质量达到设计要求。参考文献６结束语［１］中国铁道科学研究院，中南大学，清华大学．科技基水泥乳化沥青砂浆充填是高速铁路建设关键［２００８］７４号客运专线铁路ｃＲＴＳＩ型板式无砟轨道技术，对高速运行列车的舒适性、安全性影响较大。水泥乳化沥青砂浆暂行技术条件［ｓ］・北京：中国铁道娈堡銎些霎妻竽兰：詈挚巴慧孪翟苎望懋冬竺竺［２］辜喾芸誓喜学篙嘉院，中南大学，清华大学．科技基关键是砂浆的性能指标，控制乳化沥青砂浆含气量“。。［。２蒜ｉ再善４；篡；磊簇磊：矗毒Ｉ。妄ｉ式凳磊磊接近要求上限；控制乳化沥青砂浆的有机材料和无道水泥乳化沥青砂浆暂行技术条件：严寒地区补充规机材料的相容性；控制乳化沥青砂浆的玻璃化温定［ｓ］．北京：中国铁道出版社，２００９：ｌ一２．度；严寒地区板式无砟轨道施工应按照审批既［３］杨德军．ｃＲＴＳＩ型板式无砟轨道水泥乳化沥青砂浆施“定工序施工，控制灌筑质量及各施工环节，从定车、—工技术［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１０（９）：４２４４．（上接第３１５页）顶位置（见表４）。表４右线隧道边仰结合处内力值与拱顶位移值最大负弯最大正弯最大轴拱顶位移工况矩／（ｋＮ・ｍ）矩／（ｋＮ・ｍ）力／ｋＮ变化量／ｍｍ第一计算工况一８．７７４１７．４０９—１３６０（未建高速公路）第二计算工况一８．６４３１７．１３８一ｌ３４００．０９２（高速公路施工中）第三计算工况一９．２２８１８．３４７一ｌ４４０Ｏ．３２０（高速公路运营后）５结束语（１）新建高速公路挖方１．５ｍ修筑路基后，由于隧道上方围岩覆土高度减少１．５ｍ，隧道结构边仰结合处的最大弯矩与最大轴力与未挖方前的模拟计算结果相比均减小，拱顶位移变化量为Ｏ．０９２ｍｍ，从静力受力角度分析，高速公路挖方１．５ｍ后不会对隧道结构安全造成影响。（２）高速公路建成并承受车辆荷载后，隧道结构所承受的弯矩与轴力与第一计算工况相比，即与高速公路未施工前计算工况相比，边仰结合处的最大正弯矩增加０．９３８ｋＮ・ｍ，最大负弯矩增加Ｏ．４５４ｋＮ・ｍ，最大轴力增加８０ｋＮ，拱顶位移变化量为０．３２ｍｍ。通过对原衬砌进行配筋验算检验发现，在轴力增加的情况下，虽然弯矩值有所增加，但是依然满足衬砌强“度验算和裂缝验算要求。因此，采用高埋深、近似正”交、路基方式通过的上跨既有高铁隧道的设计方案是可行的，新建高速公路的施工运营不会影响既有高３３８铁道建筑技术铁隧道结构的安全性。（３）在高速公路施工中及建成运营后，为了确保既有高铁隧道结构的安全，提出以下几点建议：土体开挖及地基处理施工过程中，应采用人工结合小型机具施工，禁止采用爆破、强夯、重锤夯实等施工方法；上跨高铁隧道段路基施工应重视侧沟、排水沟等防排水措施的设置，防止地表水漫流、聚积和下渗。施工期间不得任意破坏地表植被，不得堵塞排水通路，保持防排水设施畅通有效；高速公路建成运营阶段，在距离隧道相交处前后各２００ｍ处，设置永久性警告警示标志。严禁大型、重载车辆在相交段隧道上方聚集停车；严禁车辆超载通行。参考文献［１］张健．新建铁路路基上跨既有隧道安全性评估［Ｊ］．公—路工程，２叭２，３７（４）：３７３９．［２］周超．公路跨越既有铁路隧道的方案设计与研究［Ｊ］．—隧道建设，２０１４，３４（１）：３２４０．［３］苏晓垄．隧道开挖数值模拟的围岩边界取值范围研究—［Ｊ］．铁道工程学报，２０１２，１６２（３）：６４６９．［４］李围．隧道及地下工程ＡＮｓＹｓ实例分析［Ｍ］．北京：中国水利水电出版社，２００７：１０２一１０３．［５］冯银银．隧道围岩应力与位移数值模拟与分析［Ｄ］．济南：山东科技大学，２０１０．［６］高峰，关宝树，仇文革．列车荷载作用下地铁重叠隧道的响应分析［Ｊ］．西南交通大学学报，２００３，３８（１）：３８—４２．［７］交通部公路司．ＪＴＧＢ０ｌ一２００３公路工程技术标准—［ｓ］．北京：人民交通出版社，２００３：２３２４．ＲＡｌＵ～ＡＹｃｏＮＳＴＲＵｃＴｌＯＮＴＥｃＨＮｏＬｏＧＹ２０１４ｌ增１｛万方数据