新建公路路基上跨既有鐵路隧道安全性評估

王志杰 ， 陳鐵衛

(西南交通大學, 四川成都 610031)

交通線路在修建過程中，新建線路受地形地勢、水文地質等因素的限制，兩條線路在同一地區內不同高度位置相互穿越的情況日益增多[1]。新建線路穿越既有線路時以穿越的方式居多，上跨方式相對較少，其中新建公路以路基形式上跨既有鐵路隧道的研究更少。新建公路施工與運營過程中會擾動其周圍的土體，將不可避免地將引起土層的變形和隧道結構的附加內力[2]，嚴重情況下當隧道結構變形超過設計承受極限時，會直接導致結構的損壞，影響行車安全。因此在這種情況下，準確快速的評估既有鐵路隧道的安全性具有十分重要的現實意義。

目前，國內學者在安全評估隧道近距離穿越方面進行了許多相關的研究，張健[3]通過數值模擬研究了新建鐵路以路基方式上跨既有隧道，運營期間列車靜載作用下隧道結構的安全性及位移的穩定性。晏啟祥[4]采用地質雷達對隧道襯砌后空洞病害進行了檢測，利用有限元分析的結果對襯砌結構進行了整體強度檢算，進而整體評估隧道的安全性。丁祥[5]采用數值模擬法和經驗計算法對既有鐵路隧道受上跨路基爆破施工產生的振動影響進行了分析。學者[6-8]建立隧道結構有限元計算模型，計算了既有隧道在路基上跨情況下隧道結構的內力值和位移值，分析了公路施工中及建成后對既有隧道結構的安全影響，提出注意事項和加固措施。然而，由于研究手段的局限性，目前大部分研究只能通過數值模擬對既有隧道的安全性進行分析，尚無數值模擬結合現場檢測，進而綜合評估既有隧道的安全性研究[9]。

針對上述問題，本文依托于四川巴中—坦溪公路改建工程與廣達鐵路交叉段專項評估實例，借助有限元軟件，探究新建公路路基上跨既有鐵路隧道的安全性影響，同時以隧道襯砌凈空檢測、襯砌強度檢測、襯砌裂縫及滲漏水調查、仰拱厚度檢測、襯砌厚度及背后空洞檢測為依據，結合數值模擬分析結果，綜合評估新建公路路基上跨既有隧道的安全性，為今后類似工程的安全性評估提供借鑒參考。

1 工程概況

S409線全線按雙車道二級公路標準建設，從四川巴中至蘭草，設計速度40 km/h，路基寬度為8.5 m，橋涵汽車荷載標準采用公路-Ⅰ級，其余指標均按現行頒布JTG B01-2014《公路工程技術標準》及有關設計規范執行。廣達鐵路為國鐵Ⅰ級，單線，旅客列車設計行車速度160 km/h。

S409線巴中-蘭草段上跨廣達鐵路大灣隧道交叉處樁號K8+244(設計高程407.90 m)，對應廣達鐵路大灣樁號為K186+011(設計高程390.38 m)，S409線與廣達鐵路大灣隧道斜交，角度為22.2 °,斜交處路基面距離拱頂16.52 m(圖1)。

圖1 S409線與大灣隧道交叉斷面(單位:m)

1.1 地質概況

S409線巴中-蘭草段上跨大灣隧道區段下伏白堊系下統蒼溪組(K1c)，巖性為淺灰、灰紫色塊狀中細粒長石砂巖、巖屑長石砂巖夾棕色泥巖和粉砂巖，力學性能較差，完整性變化較大，節理裂隙發育，且巖體較破碎。公路路基上跨隧道段的圍巖以Ⅴ級為主，具體圍巖參數見表1。

表1 圍巖參數

1.2 斷面尺寸

該隧道為單線鐵路隧道，總長710 m，開挖斷面凈高為9.98 m，最大開挖跨度為8.34 m，隧道開挖輪廓的斷面形狀、幾何尺寸如圖2所示。

圖2 開挖斷面(單位：m)

2 數值模擬

2.1 計算模型

計算采用FLAC3D有限元分析軟件，采用彈塑性本構模型。一般來說，隧道開挖對圍巖影響范圍距隧道中心約3倍距離，故確定本次計算模型的邊界：左側邊界至隧道中線30 m，右側邊界至隧道中線30 m，下側邊界至隧道底部30 m，上邊界為隧道實際埋深16.5 m。隧道左右有水平約束，下部有垂直約束，前后面均有垂直其面約束，地表為自由邊界，計算中用實體單元模擬圍巖、襯砌(圖3)。

圖3 模型示意

在研究過程中，為簡化計算，對模型采用了如下假設：

(1)圍巖視為均質單一的地層，認為圍巖為各項同性的彈塑性材料；

(2)初期支護與圍巖嚴格密貼，二者共同承載，共同變形；

(3)忽略了地下水滲流可能帶來的荷載；

(4)初期支護中鋼拱架與包裹在鋼拱架四周的混凝土粘結良好，共同承載及變形。

2.2 計算工況

隧道及路基施工過程模擬如下：

①隧道開挖→②隧道初期支護→③隧道施作二次襯砌→④隧道上方路基開挖卸載→⑤路基上施加人行荷載及汽車荷載作用。

為正確評估新建公路路基上跨大灣隧道結構的安全性，重點分析二襯施作完成、路基開挖卸載、人行荷載及汽車荷載作用下襯砌安全系數的變化規律，得出路基修建對隧道襯砌結構的影響，為實際工程提供參考。

2.3 模型參數

依據計算假設，并參考JTGD70/2-2014《公路隧道設計規范》[10]，計算模型中的支護參數的選取見表2。

表2 支護參數

2.4 安全系數的計算

依據TB 10003-2005《鐵路隧道設計規范》，按混凝土偏心受壓構件的破壞階段進行襯砌抗壓(抗拉)強度的驗算。將安全系數K(極限承載力Nl與數值計算所得的內力Nj之比)與規范中要求的安全系數kg進行比較，見公式1。

Nl/Nj=K≥Kg

(1)

在隧道結構上選取拱頂、左拱腰、右拱腰、左邊墻、右邊墻、左墻腳、右墻腳、仰拱作為典型截面，提取計算中典型截面的彎矩、軸力，然后再依據公式計算安全系數(圖4)。

圖4 隧道典型斷面

3 結果分析

3.1 應力分析

由圖5、表3可以看出：既有隧道隧道圍巖應力主要集中在隧道左右墻腳處，在隧道二襯施工完成時，最大主應力出現在隧道右墻腳，其值為0.14 MPa，最小主應力量值為-2.92 MPa；路基開挖卸載時，最大主應力出現在隧道右墻腳，其值為0.13 MPa，最小主應力量值為-2.80 MPa；在人行荷載及汽車荷載作用下，最大主應力依舊出現在隧道右墻腳，其值為0.16 MPa，最小主應力量值為-2.98 MPa。三種不同工況下，隧道二襯強度均滿足混凝土強度設計規范。

(a)第一主應力

(b)第三主應力

表3 主應力數值 MPa

墻腳作為應力集中的部位，隧道的破壞容易從墻腳開始，因此在上跨路基的施工過程中，應時刻關注墻腳的襯砌安全，必要時建議對墻腳采取加固措施，提高墻腳的穩定性，以確保路基安全上跨既有隧道。

3.2 安全系數分析

表4為不同工況下大灣隧道二襯的安全系數，由表可知：(1)大灣隧道襯砌結構的安全系數在路基開挖卸載后，典型部位的安全系數均呈增長趨勢，后在道路荷載作用下，襯砌結構安全系數均有所降低；(2)墻腳作為應力集中的部位，是襯砌結構受力的薄弱部位，其中右墻腳在路面荷載作用下安全系數最小，數值為5.04；(3)仰拱在軟弱圍巖(Ⅴ級圍巖)中時，作用在仰拱上的圍巖荷載增大，導致仰拱承受較大的彎矩，成為結構受力的不利位置；(4)大灣隧道襯砌的安全系數均大于TB 10003-2005《鐵路隧道設計規范》的限值2.4，說明大灣隧道在新建路基上跨的情況下，襯砌結構在路面荷載作用下是安全的。

4 現場驗證

為進一步驗證S409線在上跨大灣隧道施工期間及道路運行后的鐵路運營安全，根據本項目的實際情況，針對大灣隧道交叉段進行隧道襯砌厚度及背后空洞檢測、襯砌強度檢測、襯砌凈空檢測、仰拱厚度檢測、襯砌裂縫及滲漏水調查，檢測結果如下。

4.1 厚度及背后空洞檢測

在大灣隧道交叉段前后50 m范圍，采用SIR-3000地質雷達對大灣隧道的拱頂、左邊墻、右邊墻、左墻腰、右墻腰5條測線做了二襯厚度及背后空洞檢測，讀取數據得襯砌厚度平均值為52 cm，大于設計值50 cm，未發現不密實和空洞現象(圖6)。

表4 大灣隧道二襯安全系數分析

圖6 地質雷達檢測現場

4.2 強度檢測

如圖7所示，在大灣隧道左右邊墻處鉆取直徑10 cm、高度10 cm的圓柱，打磨平整后采用壓力機進行試驗，強度測試值為35.4 MPa，隧道設計采用C30耐腐蝕混凝土，襯砌強度滿足既有隧道的設計要求。

圖7 邊墻取芯

4.3 凈空檢測

采用國產BJSD-2型隧道限界檢測儀開展襯砌凈空檢測，每10 m布置一個檢測斷面，共檢測10個斷面，對檢測數據進行分析處理，給出了檢測測點數、實測面積、侵界面積、檢測斷面最大侵限厚度，結果表明隧道凈空尺寸未見侵入設計限界，滿足既有隧道的凈空設計標準。

4.4 仰拱厚度檢測

采用取芯機對基底進行鉆探，為確保每個鉆孔已經鉆透基底，現場采用人工觸探對每個鉆孔進行檢查，結果表明隧道仰拱加填充層厚度在153～170 cm，V級復合襯砌的2個鉆孔芯樣滿足設計要求，拱填充層密實，仰拱下方密實(圖8)。

圖8 仰拱取芯

4.5 襯砌裂縫及滲漏水調查

在隧道內對襯砌的變形和破損、裂縫及滲漏水位置沿隧道洞身里程采用人工目測分格素描的方法進行檢查，記錄裂縫的情況，檢測中未發現襯砌裂縫。

綜上，通過對襯砌厚度、背后空洞、滲漏水、裂縫、凈空、基床等檢測結果進行綜合評級，新建公路路基上跨大灣隧道交叉段襯砌安全等級評定為安全，對行車安全無影響。

5 結束語

本文采用FLAC3D有限元軟件對新建公路路基上跨既有鐵路隧道進行了數值模擬，同時以隧道現場檢測結果作為驗證，綜合評估了新建公路路基上跨既有隧道的安全性，研究結果表明：

(1)襯砌結構的安全系數在路基開挖卸載后，典型部位的安全系數均呈增長趨勢，后在道路荷載作用下，襯砌結構安全系數均有所降低。

(2)墻腳作為應力集中的部位，是襯砌結構受力的薄弱部位；仰拱在軟弱圍巖中時，作用在仰拱上的圍巖荷載增大，導致仰拱承受較大的彎矩，容易成為結構受力的不利位置。

(3)大灣隧道襯砌結構在新建公路路基上跨的情況下是安全的，總體滿足了設計要求。