新建公路路基上跨既有铁路隧道安全性评估

王志杰 ， 陈铁卫

(西南交通大学, 四川成都 610031)

交通线路在修建过程中，新建线路受地形地势、水文地质等因素的限制，两条线路在同一地区内不同高度位置相互穿越的情况日益增多[1]。新建线路穿越既有线路时以穿越的方式居多，上跨方式相对较少，其中新建公路以路基形式上跨既有铁路隧道的研究更少。新建公路施工与运营过程中会扰动其周围的土体，将不可避免地将引起土层的变形和隧道结构的附加内力[2]，严重情况下当隧道结构变形超过设计承受极限时，会直接导致结构的损坏，影响行车安全。因此在这种情况下，准确快速的评估既有铁路隧道的安全性具有十分重要的现实意义。

目前，国内学者在安全评估隧道近距离穿越方面进行了许多相关的研究，张健[3]通过数值模拟研究了新建铁路以路基方式上跨既有隧道，运营期间列车静载作用下隧道结构的安全性及位移的稳定性。晏启祥[4]采用地质雷达对隧道衬砌后空洞病害进行了检测，利用有限元分析的结果对衬砌结构进行了整体强度检算，进而整体评估隧道的安全性。丁祥[5]采用数值模拟法和经验计算法对既有铁路隧道受上跨路基爆破施工产生的振动影响进行了分析。学者[6-8]建立隧道结构有限元计算模型，计算了既有隧道在路基上跨情况下隧道结构的内力值和位移值，分析了公路施工中及建成后对既有隧道结构的安全影响，提出注意事项和加固措施。然而，由于研究手段的局限性，目前大部分研究只能通过数值模拟对既有隧道的安全性进行分析，尚无数值模拟结合现场检测，进而综合评估既有隧道的安全性研究[9]。

针对上述问题，本文依托于四川巴中—坦溪公路改建工程与广达铁路交叉段专项评估实例，借助有限元软件，探究新建公路路基上跨既有铁路隧道的安全性影响，同时以隧道衬砌净空检测、衬砌强度检测、衬砌裂缝及渗漏水调查、仰拱厚度检测、衬砌厚度及背后空洞检测为依据，结合数值模拟分析结果，综合评估新建公路路基上跨既有隧道的安全性，为今后类似工程的安全性评估提供借鉴参考。

1 工程概况

S409线全线按双车道二级公路标准建设，从四川巴中至兰草，设计速度40 km/h，路基宽度为8.5 m，桥涵汽车荷载标准采用公路-Ⅰ级，其余指标均按现行颁布JTG B01-2014《公路工程技术标准》及有关设计规范执行。广达铁路为国铁Ⅰ级，单线，旅客列车设计行车速度160 km/h。

S409线巴中-兰草段上跨广达铁路大湾隧道交叉处桩号K8+244(设计高程407.90 m)，对应广达铁路大湾桩号为K186+011(设计高程390.38 m)，S409线与广达铁路大湾隧道斜交，角度为22.2 °,斜交处路基面距离拱顶16.52 m(图1)。

图1 S409线与大湾隧道交叉断面(单位:m)

1.1 地质概况

S409线巴中-兰草段上跨大湾隧道区段下伏白垩系下统苍溪组(K1c)，岩性为浅灰、灰紫色块状中细粒长石砂岩、岩屑长石砂岩夹棕色泥岩和粉砂岩，力学性能较差，完整性变化较大，节理裂隙发育，且岩体较破碎。公路路基上跨隧道段的围岩以Ⅴ级为主，具体围岩参数见表1。

表1 围岩参数

1.2 断面尺寸

该隧道为单线铁路隧道，总长710 m，开挖断面净高为9.98 m，最大开挖跨度为8.34 m，隧道开挖轮廓的断面形状、几何尺寸如图2所示。

图2 开挖断面(单位：m)

2 数值模拟

2.1 计算模型

计算采用FLAC3D有限元分析软件，采用弹塑性本构模型。一般来说，隧道开挖对围岩影响范围距隧道中心约3倍距离，故确定本次计算模型的边界：左侧边界至隧道中线30 m，右侧边界至隧道中线30 m，下侧边界至隧道底部30 m，上边界为隧道实际埋深16.5 m。隧道左右有水平约束，下部有垂直约束，前后面均有垂直其面约束，地表为自由边界，计算中用实体单元模拟围岩、衬砌(图3)。

图3 模型示意

在研究过程中，为简化计算，对模型采用了如下假设：

(1)围岩视为均质单一的地层，认为围岩为各项同性的弹塑性材料；

(2)初期支护与围岩严格密贴，二者共同承载，共同变形；

(3)忽略了地下水渗流可能带来的荷载；

(4)初期支护中钢拱架与包裹在钢拱架四周的混凝土粘结良好，共同承载及变形。

2.2 计算工况

隧道及路基施工过程模拟如下：

①隧道开挖→②隧道初期支护→③隧道施作二次衬砌→④隧道上方路基开挖卸载→⑤路基上施加人行荷载及汽车荷载作用。

为正确评估新建公路路基上跨大湾隧道结构的安全性，重点分析二衬施作完成、路基开挖卸载、人行荷载及汽车荷载作用下衬砌安全系数的变化规律，得出路基修建对隧道衬砌结构的影响，为实际工程提供参考。

2.3 模型参数

依据计算假设，并参考JTGD70/2-2014《公路隧道设计规范》[10]，计算模型中的支护参数的选取见表2。

表2 支护参数

2.4 安全系数的计算

依据TB 10003-2005《铁路隧道设计规范》，按混凝土偏心受压构件的破坏阶段进行衬砌抗压(抗拉)强度的验算。将安全系数K(极限承载力Nl与数值计算所得的内力Nj之比)与规范中要求的安全系数kg进行比较，见公式1。

Nl/Nj=K≥Kg

(1)

在隧道结构上选取拱顶、左拱腰、右拱腰、左边墙、右边墙、左墙脚、右墙脚、仰拱作为典型截面，提取计算中典型截面的弯矩、轴力，然后再依据公式计算安全系数(图4)。

图4 隧道典型断面

3 结果分析

3.1 应力分析

由图5、表3可以看出：既有隧道隧道围岩应力主要集中在隧道左右墙脚处，在隧道二衬施工完成时，最大主应力出现在隧道右墙脚，其值为0.14 MPa，最小主应力量值为-2.92 MPa；路基开挖卸载时，最大主应力出现在隧道右墙脚，其值为0.13 MPa，最小主应力量值为-2.80 MPa；在人行荷载及汽车荷载作用下，最大主应力依旧出现在隧道右墙脚，其值为0.16 MPa，最小主应力量值为-2.98 MPa。三种不同工况下，隧道二衬强度均满足混凝土强度设计规范。

(a)第一主应力

(b)第三主应力

表3 主应力数值 MPa

墙脚作为应力集中的部位，隧道的破坏容易从墙脚开始，因此在上跨路基的施工过程中，应时刻关注墙脚的衬砌安全，必要时建议对墙脚采取加固措施，提高墙脚的稳定性，以确保路基安全上跨既有隧道。

3.2 安全系数分析

表4为不同工况下大湾隧道二衬的安全系数，由表可知：(1)大湾隧道衬砌结构的安全系数在路基开挖卸载后，典型部位的安全系数均呈增长趋势，后在道路荷载作用下，衬砌结构安全系数均有所降低；(2)墙脚作为应力集中的部位，是衬砌结构受力的薄弱部位，其中右墙脚在路面荷载作用下安全系数最小，数值为5.04；(3)仰拱在软弱围岩(Ⅴ级围岩)中时，作用在仰拱上的围岩荷载增大，导致仰拱承受较大的弯矩，成为结构受力的不利位置；(4)大湾隧道衬砌的安全系数均大于TB 10003-2005《铁路隧道设计规范》的限值2.4，说明大湾隧道在新建路基上跨的情况下，衬砌结构在路面荷载作用下是安全的。

4 现场验证

为进一步验证S409线在上跨大湾隧道施工期间及道路运行后的铁路运营安全，根据本项目的实际情况，针对大湾隧道交叉段进行隧道衬砌厚度及背后空洞检测、衬砌强度检测、衬砌净空检测、仰拱厚度检测、衬砌裂缝及渗漏水调查，检测结果如下。

4.1 厚度及背后空洞检测

在大湾隧道交叉段前后50 m范围，采用SIR-3000地质雷达对大湾隧道的拱顶、左边墙、右边墙、左墙腰、右墙腰5条测线做了二衬厚度及背后空洞检测，读取数据得衬砌厚度平均值为52 cm，大于设计值50 cm，未发现不密实和空洞现象(图6)。

表4 大湾隧道二衬安全系数分析

图6 地质雷达检测现场

4.2 强度检测

如图7所示，在大湾隧道左右边墙处钻取直径10 cm、高度10 cm的圆柱，打磨平整后采用压力机进行试验，强度测试值为35.4 MPa，隧道设计采用C30耐腐蚀混凝土，衬砌强度满足既有隧道的设计要求。

图7 边墙取芯

4.3 净空检测

采用国产BJSD-2型隧道限界检测仪开展衬砌净空检测，每10 m布置一个检测断面，共检测10个断面，对检测数据进行分析处理，给出了检测测点数、实测面积、侵界面积、检测断面最大侵限厚度，结果表明隧道净空尺寸未见侵入设计限界，满足既有隧道的净空设计标准。

4.4 仰拱厚度检测

采用取芯机对基底进行钻探，为确保每个钻孔已经钻透基底，现场采用人工触探对每个钻孔进行检查，结果表明隧道仰拱加填充层厚度在153～170 cm，V级复合衬砌的2个钻孔芯样满足设计要求，拱填充层密实，仰拱下方密实(图8)。

图8 仰拱取芯

4.5 衬砌裂缝及渗漏水调查

在隧道内对衬砌的变形和破损、裂缝及渗漏水位置沿隧道洞身里程采用人工目测分格素描的方法进行检查，记录裂缝的情况，检测中未发现衬砌裂缝。

综上，通过对衬砌厚度、背后空洞、渗漏水、裂缝、净空、基床等检测结果进行综合评级，新建公路路基上跨大湾隧道交叉段衬砌安全等级评定为安全，对行车安全无影响。

5 结束语

本文采用FLAC3D有限元软件对新建公路路基上跨既有铁路隧道进行了数值模拟，同时以隧道现场检测结果作为验证，综合评估了新建公路路基上跨既有隧道的安全性，研究结果表明：

(1)衬砌结构的安全系数在路基开挖卸载后，典型部位的安全系数均呈增长趋势，后在道路荷载作用下，衬砌结构安全系数均有所降低。

(2)墙脚作为应力集中的部位，是衬砌结构受力的薄弱部位；仰拱在软弱围岩中时，作用在仰拱上的围岩荷载增大，导致仰拱承受较大的弯矩，容易成为结构受力的不利位置。

(3)大湾隧道衬砌结构在新建公路路基上跨的情况下是安全的，总体满足了设计要求。