公路跨越既有铁路隧道的方案设计与研究

周 超

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉 430063)

公路跨越既有铁路隧道的方案设计与研究

周 超

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉 430063)

在既有隧道上方施作建(构)筑物，不仅会引起隧道局部地段的沉降或隆起变形，而且荷载的反复变化也会引起隧道衬砌开裂。因此，在结构设计及施工阶段，应采取合理的措施来避免或减小对下方既有隧道的影响。结合某公路延伸段跨越既有铁路隧道工程，提出了刚性板跨越、桥梁跨越、路基通过3种方案。对上述3种方案进行综合对比分析，发现刚性板方案具有经济性好、实施方便等优点。通过有限元数值模拟，验证了刚性板方案的可实施性。采用刚性板方案跨越既有隧道，在国内尚属首次。本工程的设计可为其他类似工程提供参考。

既有隧道；公路；沉降；刚性板；有限元

0 引言

一般情况下，在既有隧道上方施作建(构)筑物，将会对隧道结构产生一定的影响。例如，在隧道上方进行基坑开挖，会对隧道造成因土体卸载而隆起的现象；后期结构施作又相当于加载，隧道受加载及卸载双重影响，衬砌结构受力及其不利，容易出现隧道衬砌开裂。

同样，在隧道上方施作道路或桥桩等结构物，由于外荷载的增加，隧道结构的竖向荷载和侧向荷载会增大。若原有隧道的结构安全储备不够，也会造成隧道结构破坏。另外，竖向荷载的增加会造成隧道沉降，对隧道内的交通运营造成安全隐患。

国内有不少成功在隧道上方开挖基坑或施作建筑的例子：某轻轨车站在既有隧道上方修建，车站底板与隧道结构顶板之间为8.0 m厚中风化砂质泥岩层，车站施工中采用浅层控制爆破和光面爆破技术，降低对既有隧道衬砌的影响，同时基坑开挖过程中采用水平成层开挖等方法，避免了对下方隧道造成偏压影响[1]；杭州市平海路跨延安路过街地道在既有地铁盾构隧道上方修建，施工中采用地基加固处理、精细施工、分段施作基坑等手段，将隧道变形控制在理想范围之内[2]。

对于公路跨越既有铁路隧道，国内案例较少。一般采用路基通过方案和桥跨方案，而采用刚性板方案还没有先例。本文结合某规划公路延伸段跨越既有铁路隧道工程，对比研究了刚性板跨越方案、桥跨方案和路基方案，最终确定刚性板方案为最佳方案，并从数值模拟及研究衬砌结构受力入手，分析了刚性板方案对既有隧道的影响，并通过实际监测数据印证了计算结果的可靠性。

1 工程概况

本工程为现状某规划道路延伸段跨越既有铁路隧道。铁路隧道为单线隧道，隧道建筑限界及衬砌内轮廓按照电力牵引双层集装箱客货共线120 km/h条件设计，隧道穿越地层为中风化及弱风化岩层，围岩级别为Ⅳ级。隧道采用复合式衬砌结构，隧道初期支护厚210 mm，采用网喷混凝土+格栅钢架组合；二次衬砌厚350 mm，采用模筑钢筋混凝土。隧道洞身高度约10 m，宽度约7 m。隧道衬砌断面图见图1。从洞内观察来看，未出现渗水、衬砌裂损、道床损害等病变现象。

图1 隧道衬砌断面图(单位：cm)

根据铁路部门意见，平行现状铁路轨道位置将增设1条铁路隧道，2条隧道的中心距离为25 m。隧道上部拟建道路处现状地面标高为34.74～36.14 m，整个隧道的覆土厚度为10～12 m。主要地质情况为中风化岩层，岩石为泥盆系中下统砂岩，岩性为灰色、青灰色、棕红色中细粒岩屑石英砂岩，厚52～56 m。隧道与待建公路的位置关系图见图2。

由于原来山体的无序开挖，隧道的覆土厚度发生了较大变化，对隧道的受力情况产生局部影响。同时，考虑到规划路延伸段的主要交通车辆为重型车辆，荷载较大，在反复荷载作用下，容易对隧道造成不利影响。为避免对铁路隧道造成损害，确保2条隧道的安全，经专项评估，确定对该处采取必要的安全加强措施。

目前对于基坑开挖[3-4]及新建隧道的施工[5-7]对既有隧道的影响的研究较多。吴庆[8]结合上海人民路越江盾构隧道工程，研究了地面堆载对盾构隧道的影响，得出以下主要结论：堆载的重量一直是影响变形的主要原因，在3.5倍隧道直径以内，堆载量越大，隧道变形越大；在1.5倍隧道直径埋深以内，堆载对隧道变形的影响比较大。本工程隧道所处地层条件较差，埋深基本位于堆载影响敏感区内。

关于在隧道上方加载、卸载的文章，多从隧道结构的变形分析其安全性[9-10]；对于衬砌结构的安全储备，则没有进行详细的分析。本文在考虑隧道变形的同时，引入二次衬砌的安全系数验算，可以直观地反映荷载的变化对结构的影响。

图2 隧道与待建公路的位置关系图(单位：m)Fig.2 Spatial relationship between tunnel and the highway to be built (m)

2 方案设计

对于道路跨越隧道部分，国内目前常采用的方法是根据新建道路的实际情况，进行加强设计。本文主要考虑刚性分载板方案、桥跨方案和路基通过方案。

2.1 刚性分载板方案

刚性分载板方案是在道路表面跨越隧道部分设置钢筋混凝土刚性分载板的方法。施工中，应避免对已建隧道顶面的岩质的扰动，严禁开挖。采用刚性分载板，可以通过扩大受力面积，把单辆汽车的集中荷载平均分散到地面上，从而使隧道受到的局部力大大减少。同时，在刚性分载板下设置一定厚度的碎石层，既可以起到应力扩散作用，又能够吸收汽车的冲击力和振动，减少车辆震动对结构产生的不利效应。刚性板设计图见图3，刚性板跨越铁路段示意图见图4。

图3 刚性板设计图(单位：m)

图4 刚性板跨越铁路段示意图(单位：m)

2.2 桥跨方案

采用桥梁跨越形式，可以使汽车荷载不直接作用在隧道受力的影响范围内。但是，采用桥跨方案，桥梁的基础必须远离隧道影响范围，从而使桥梁的跨度加大，增加了工程投资。另外，桥梁基础施工过程中也会对隧道产生不利影响。

2.3 路基通过方案

国内采用路基形式通过既有隧道的案例很少。福州罗源湾北岸铁路支线疏解线以路基形式斜交从飞栾隧道洞身顶部通过。李辉[11]采用数值模拟方法分析了路基方案的可行性，研究了路基施工对既有隧道变形的影响。

就本工程而言，采用路基通过方案，会增加隧道上方的荷载。由于路基仅起分散荷载的作用，且公路主要为重载车辆通行，原有地面为出露破碎岩层，因此，如果本工程采用路基方案，会出现造价高、回填土石方大等问题。另外，路基本身对于下方既有铁路隧道是一种堆载，对下方隧道结构受力不利。

2.4 方案对比分析

综合分析后，得出以下结论：

刚性板方案简单易行，造价便宜(采用刚性板方案，总造价约77.3万元)。刚性板施工对下方隧道范围内的岩石地基不扰动，避免了隧道结构由于施工而受到影响。其次，刚性分载板的范围可根据以后铁路建设的需要接长或拼宽，比较灵活、机动。

桥跨方案对隧道的影响较小。但是，由于需要建设大跨度桥梁，工程造价高(初步估算约400万元)。另外，桥梁基础施工对隧道存在一定的干扰；如果考虑将来需要增加铁路线路的话，则需要建更大跨度的桥梁。

路基方案需对既有路面进行加高改造。由于既有路面规划标高已定，如果采用路基方案，则会造成搭接困难；其次，路基整体性较差，后期规划铁路隧道下穿路基段，也会对既有道路产生不良影响。路基主要由路基工程和路面工程两部分，从造价方面来看，考虑到本工程跨越隧道，路基相对较高，初步估算路基方案造价约210万元，仍偏高。

根据上述分析，与刚性板方案相比，路基通过方案和桥跨方案都不具明显优势，因此不推荐采用。采用刚性分载板方案，可以大幅降低造价，并可为后期新增铁路线路预留空间。由于刚性板整体性较好、刚度大，且后期隧道下穿亦不会造成较大的路面沉降，因此推荐采用刚性分载板方案。

下面通过有限元数值模拟，对刚性分载板方案对既有铁路隧道及拟建铁路隧道的影响进行分析研究，以验证刚性分载板方案是否合理。

3 有限元数值分析计算理论

3.1 地应力场的模拟

隧道浅埋区域为Ⅳ级围岩。该处构造应力场较小，因此，研究以自重应力场为主，进行原始应力场模拟。最大主应力σ1方向为垂直方向，其量值由埋深确定，计算式σ1=σy=γ·H；最小主应力为水平方向，其量值

(1)

地应力场示意图如图5所示。

图5 地应力场示意图

3.2 释放荷载的计算

自然岩土体在开挖前处于一定的初始应力状态，而开挖导致开挖边界上的应力释放，并由此引起周围岩土体的变形及其中应力场的变化。在有限元计算中，可通过去掉被挖去部分的单元，并将由于开挖而产生的“释放荷载”作用于开挖边界面的方法来模拟其开挖过程。

隧道开挖后，在开挖边界的节点i上将作用有释放节点荷载

(2)

此节点荷载由连接节点i的有关单元在节点i上的换算节点力贡献而成。

在施工阶段，作用在开挖边界上的释放节点荷载fli=α1fi，式中α1为1个百分比系数，可根据测试资料加以确定，通常近似地将它定为本阶段隧道控制测点的变形值与施工完毕、变形稳定后该控制测点的总变形值的比值[13]。在缺乏实测变形资料的情况下，亦可按工程类比法加以选定，并根据试算结果予以修正。

3.3 计算模型本构关系的选择

在静力分析中，围岩体选用理想弹塑性本构关系，其屈服准则采用Drucke-Prager屈服准则(简称D-P准则)。所谓的D-P准则，是把对岩土屈服有重要影响的静水应力因素加入到mises准则中去，来模拟岩土的塑性屈服。它的基本表达式为

(3)

其他如初期支护、二次衬砌等混凝土材料均使用弹性本构关系。

4 建模与计算

本文采用大型有限元软件ANSYS进行数值计算。开挖过程中对于开挖掉的土体，采用ANSYS软件的“生死”单元进行模拟，即“杀死”土体单元。在软件的计算过程中，并非将该单元删除，而是在其刚度矩阵中乘了几个极小的数，并取消密度、惯性角速度等对其的影响。需要的情况下，可以将其“复活”，重新赋予属性，模拟新施工的结构。采用荷载步的形式模拟隧道的连续开挖过程。

4.1 模型参数的选取

根据地质报告及相关规范，本文的计算按照表1取值。

表1 计算物理力学指标Table 1 Physical and mechanical parameters

4.2 模型单元的选取

在平面静力分析中，使用平面4节点实体线性单元(plane 42)模拟围岩和开挖单元。plane 42为平面线性单元，可用于平面应力、平面应变和轴对称分析，同时单元支持包括Mises塑性、DP塑性、大变形等多种非线性计算，精度也较高。考虑到隧道的受力模式，需要将plane 42单元设置为平面应变状态进行分析。

由于需要分析隧道二次衬砌和初期支护的弯矩及轴力等内力结果，因此，二次衬砌和初期支护采用梁单元(beam 3)进行模拟，锚杆采用link 10单元进行模拟，钢筋混凝土刚性分载板采用梁单元(beam 3)进行模拟。有限元计算模型见图6。

4.3 边界条件的确定

关于计算模型的边界条件，严格按照隧道力学分析结果，其横向边界到隧道边界的距离约为6倍洞径；垂直方向上，模型下边界到隧道底部边界的距离>3倍洞径，上边界取至地表，埋深为11 m。

图6 有限元计算模型(单位：m)

4.4 计算步骤

计算共分4个阶段进行：

1)第1阶段。自重沉降模拟，计算中“杀死”初期支护及二次衬砌单元等结构单元。

2)第2阶段。开挖左侧隧道，模拟原既有铁路隧道开挖，得到施作刚性板之前的既有隧道衬砌结构受力状态及地层位移情况，以方便与后期结构内力变化进行对比。

3)第3阶段。施加地面荷载，激活梁单元，模拟刚性板施工完成、公路开通运营对下方既有铁路隧道(左侧隧道)的影响。

4)第4阶段。开挖右侧规划铁路隧道，研究右侧隧道开挖对上方既有公路沉降的影响，并对公路运营对下方2条隧道衬砌结构受力状态的安全性进行评价。

4.5 计算结果分析

4.5.1 第1阶段——自重应力场模拟

自重应力场模拟结果见图7和图8。

图7 Y向主应力云图(单位：Pa)

由图7和图8可以看出，围岩自重应力与深度成正比关系。

4.5.2 第2阶段——左侧既有隧道开挖

左侧既有隧道开挖的模拟结果见图9和图10。

图8 初始地表沉降(单位：m)

图9 隧洞开挖引起的地表沉降(单位：m)Fig.9 Ground surface settlement caused by tunnel excavation (m)

图10 二次衬砌弯矩图(单位：N·m)

由图10可知，边墙脚处弯矩最大为121 kN·m；相对于初期支护，二次衬砌承担了相对较小的围岩压力，初期支护和围岩承担了较大的围岩压力。这符合新奥法的基本理念，即充分发挥围岩的承载能力，二次衬砌仅作为安全储备。

4.5.3 第3阶段——公路运营后对既有隧道的影响

公路施工完成后，隧道结构上方的竖向荷载有所增加。需要研究公路运营对隧道结构的影响，验证隧道结构是否安全、钢筋混凝土刚性分载板的荷载分散作用对减小隧道结构受力是否有利。车道荷载的取值按照文献[15]中的相应规定选取。

对公路运营后对既有隧道的影响进行模拟的有限元模型见图11，车道荷载示意图见图12。

图11用于对公路运营后对既有隧道的影响进行模拟的有限元模型
Fig.11 Finite element model used to simulate influence of highway operation on existing tunnel

图12 车道荷载示意图

公路运营后对既有隧道的影响的模拟结果见图13—16。

图13 X向主应力云图(单位：Pa)

图14 Y向主应力云图(单位：Pa)

从图13和图14可以看出，塑性区分布在边墙底部及仰拱脚部。

根据以往经验，铁路沉降最大允许值为10 mm。从图15可知，施作刚性板后，地层发生约4 mm的竖向沉降，隧道拱顶发生2.3 mm的沉降。沉降值满足允许沉降值要求。经计算可知，刚性板较好地分担了地面竖向荷载，并均匀地传递给下方地层，隧道拱顶沉降较小。

图15 沉降图(单位：m)

图16 二次衬砌弯矩图(单位：N·m)

从图16可知，公路运营后，边墙脚处弯矩增大约13 kN·m。总体来看，公路运营对下方既有隧道结构的影响较小。

4.5.4 第4阶段：右侧规划隧道施工

右侧规划隧道施工的模拟结果见图17—20。

图17 X向主应力云图(单位：Pa)

从图17和图18可以看出，地表竖向荷载的增加使横向和竖向应力有所增加，在隧道边墙脚处有压应力集中现象，但应力值较小，约-0.83 MPa，围岩处于较为稳定的状态。

图18 Y向主应力云图(单位：Pa)

图19 沉降图(单位：m)

从图19可知，右侧规划隧道修建完成后，上方公路发生约2.8 mm的竖向位移，说明左线隧道开挖对公路运营的影响较小，围岩仍有较大的承载能力。可以看出，隧道开挖、支护及二次衬砌施作后，在隧道周边一定范围内形成了应力场的重新分布；重分布的应力云图相对独立，没有形成明显的相互影响区域；超出隧道一定范围后，应力云图基本恢复到原始自重应力场状态。综合分析显示，刚性板对减小地表沉降作用明显。

图20 二次衬砌弯矩图(单位：N·m)

从图20可知，公路运营对下方既有隧道二次衬砌结构受力的影响较小，弯矩变化值为0～10 kN·m，其中边墙脚处弯矩最大，为139 kN·m。

4.5.5 结构受力及衬砌变形分析

为判断原设计中二次衬砌结构是否具有足够的安全储备，本次计算选取受力最不利状态(即第4阶段右线隧道开挖完成后的结构受力状态)进行计算验证。

以下根据文献[16]中的要求进行安全系数验算。

偏心受压构件抗压强度

KN≤φαRabh。

(4)

式中：Ra为混凝土或砌体的抗压极限强度；K为安全系数；N为轴向力(MN)；b为截面宽度；h为截面的厚度；φ为构件的纵向弯曲系数；α为轴向力的偏心影响系数。

取纵向长b=1 m为1个计算单位，根据规范选取各参数，并将轴力代入，抗压安全系数K=2.82>2.0，第4阶段二次衬砌受力满足要求，且有较大安全储备。相对于第4阶段，第3阶段结构内力较小，说明公路运营对既有左线隧道的影响较小，二次衬砌的承载能力有较大富余。这说明刚性板具有良好的荷载分散作用。

4.5.6 地表沉降分析

提取各个阶段模型顶部节点竖向位移后处理结果，减去初始地应力沉降，得到隧道开挖、公路运营阶段地表沉降图，见图21。从图21中可以看出，总体地表沉降较小；第3阶段刚性板施作后，地面发生4 mm沉降；左洞和右洞拱顶处地表沉降最大，向两侧延伸，位移逐渐趋于稳定。

图21 地表沉降图

5 监控量测

在公路投入运营后，对隧道拱顶及轨面沉降进行了监测。采用自动化监测技术手段，通过布设光纤光栅静力水准仪进行沉降监测。沿隧道纵向刚性板跨越区域共设置15个监测点，得到各点隧道拱顶沉降和轨面沉降累计值。沉降曲线见图22。

根据以往的工程经验，铁路轨面沉降最大允许值为10 mm，相邻两股钢轨不均匀沉降最大允许值为6 mm。本次监测拱顶最大沉降为2.4 mm，轨面沉降为1.8 mm，与计算结果基本吻合。说明刚性板对减小下方运营隧道的沉降效果明显，也验证了本次数值模拟结果的正确性。

图22 沉降曲线

6 刚性板结构设计

对刚性承载板采用弹性地基梁进行计算，板荷载采用公路Ⅰ级的车辆荷载，按最不利情况进行加载。计算模型取端部30 m范围进行计算。计算方法采用文克尔有限元法。计算简图见图23，位移图见图24，弯矩图见图25，刚性板路面横断面示意图见图26。

图23 计算简图

图24位移图(单位：mm)
Fig.24 Settlement diagram (mm)

图25 弯矩图(单位：kN·m)

图26 刚性板路面横断面示意图(单位：cm)

为增加结构刚度，在板内加型钢构件。由于长度较大，为满足温度变形要求，可以在垫层上增设厚1 cm的油毛毡，以减少基底约束。同时，浇筑时可以分段浇筑，并掺入微膨胀剂，以减少收缩。

7 结论与建议

本文通过数值模拟，分析了隧道变形及结构受力，并通过计算结构的安全系数，直观反映隧道二次衬砌的安全储备情况。

综上所述，得出以下结论：

1)由以上分析可知，公路施工对铁路隧道的影响很小，不会对铁路隧道的安全及正常运营造成不利影响。

2)施工期间，应精心施工，随时观测铁路隧道的状态，发现异常立即查找原因，确保铁路隧道的安全。在施工全过程中，除按要求做好洞内监控量测外，在公路路面及路基范围内应建立沉降与位移变形观测点，进行全程监控量测。

3)本工程采用刚性板跨越既有隧道，在国内尚属首次。由于刚性板跨越方案具有经济性好、刚度大、对既有隧道影响小等优点，在条件允许情况下应加以推广。

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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，山东济宁人，2010年毕业于西南交通大学，隧道与地下工程专业，硕士，工程师，主要从事城市轨道交通、地下空间与工程、隧道等领域的设计与科研工作。

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

U 455.46

A

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