市政道路近距离上跨运营铁路隧道方式研究
2019-09-14黄新连
黄新连
(中铁第五勘察设计院集团有限公司 北京 102600)
1 引言
近年来,随着城市基础设施建设的加快,在已运营铁路隧道上方近距离修建市政道路的工程逐渐增多。如何保证既有铁路在安全运营的基础上确定合理的上跨方式,使新建工程顺利实施成为一项重要的研究课题,受到工程技术人员越来越多的关注。
一般而言,市政道路近距离上跨既有铁路隧道主要有两种基本方式:路基直接上跨[1-2]和桥梁间接上跨[3-5]。前者工期短、造价省,但在近距离条件下,道路运营期间的车辆荷载会不可避免地引起土层变形及隧道结构的附加内力,严重时会导致结构损坏,危及行车安全,风险较大;后者通过桥梁桩基对车辆荷载进行有效地转移,仅在桩基施工过程会对既有隧道产生不利影响,风险较低,但工期长,造价也相对较高。由此可见,两种上跨方式各有利弊,合理的道路上跨隧道方式关键核心在于安全性、经济性以及可实施性的统一。
本文以四川省万源市某市政道路上跨既有万白铁路专用线万源隧道为例,分别对路基直接上跨和桥梁间接上跨方式进行研究,由此确定最优上跨方式,为类似工程的设计、施工提供参考和借鉴。
2 工程概况
拟建道路为双向四车道,路幅宽度20 m,组成为:3 m人行道+7 m机动车道+7 m机动车道+3 m人行道,如图1所示。
图1 市政道路标准横断面(单位:m)
拟建道路于AK0+408.5处以70°夹角上跨万白铁路专用线万源隧道,上跨处铁路里程为K0+498.4,距离万源端洞口19.05 m,道路路面距离万源隧道拱顶约5.23 m。其平面和竖向位置关系分别如图2和图3所示。
图2 拟建道路与运营铁路平面位置关系(单位:m)
图3 拟建道路与运营铁路竖向位置关系(单位:m)
万源隧道于1975年投入运营,为单线隧道,内燃牵引,直墙式混凝土衬砌,厚度0.45 m,采用混凝土轨枕、碎石道床。
根据地质勘察情况,拟建场地地层为须家河组含砾砂岩(T3xj),强风化,呈黄褐色、灰黑色,砾、砂质结构,块状构造,质较硬,砾石有长石石英砂岩、燧石等,岩体基本质量等级为V级。
3 路基直接上跨方式研究
3.1 车辆荷载对既有隧道的影响
市政道路在运营过程中,车辆荷载会引起既有隧道上方土体的应力重分布,导致地层变形;车辆荷载通过围岩作用在既有隧道衬砌上,破坏其结构稳定。对于路基近距离上跨而言,这种影响更加显著。当变形超过设计承受极限时,会导致隧道结构的损坏,危及行车安全。
对于荷载在土体中的应力传播,通常可采用图4进行概略预测[6]。由此可见,当既有隧道覆土较小时,土体对车辆荷载的分散作用小,既有隧道受到的影响较大。
图4 带状荷载在土体中的应力传播
3.2 路基上跨既有隧道数值模型
本研究采用有限元软件MIDAS-GTS,对万源隧道受市政道路车辆荷载的影响进行三维仿真模拟分析。
为满足边界效应要求,数值模型水平向尺寸为60 m(横向)×50 m(纵向),竖向取隧道底板以下25 m至山体表面。岩体及隧道结构在三维实体上生成四面体网格,隧道衬砌在析取的几何面上生成三角形单元,如图5所示。
图5 路基上跨既有隧道三维模型
岩体及隧道本构模型采用隧道及岩土工程中常用的德鲁克-普拉格(D-P)屈服准则[7-9];隧道衬砌则采用应力与应变直接成比例的线弹性模型。岩体和隧道衬砌的数值模拟参数依据工程地勘报告取值,如表1所示。
本市政道路为城市支路,参照《公路工程技术标准》(JTG B01-2014)[10],车道均布荷载按7.875 kN/m施加于模型中计算。
表1 岩体和隧道衬砌数值模拟参数
3.3 路基上跨既有隧道计算结果分析
在市政道路车辆荷载作用下,岩体及既有隧道衬砌竖向变形如图6所示(图中负位移表示沉降)。
由此可知,既有隧道竖向变形具有明显的三维特征,在新建路基面下方形成了沉降槽。由于既有隧道埋深浅,基本处于沉降槽中,导致沉降量较大,最大值出现在拱顶处,达到10.9 mm。
为考察车辆荷载作用对既有隧道轨道沉降的影响,绘制既有隧道1轨和2轨纵向沉降曲线,如图7所示。
由图7可知,隧道内轨道的竖向位移与拱顶位移趋势一致,均为“U”形,2根轨道的最大沉降量均达到9.0 mm。差异沉降主要发生在隧道进口段至交叉中心位置,这是因为该段埋深浅,且路基交叉后继续从其侧方通过。从总体上看,最大差异沉降值为0.3 mm,差异沉降较小。
图6 车辆荷载作用下竖向位移云图
图7 车辆荷载作用下隧道轨道纵向沉降曲线
隧道结构沉降控制标准参照我国各地城市轨道交通工程监测实例,按10 mm控制;轨道变形则依据《铁路线路维修规则》[11],并结合本线实际情况,采用设计行车速度不大于120 km/h普速铁路经常保养值控制,轨道水平、高低及轨向沉降均不应超过6 mm。
因此,在本工程覆土条件下,由于新建道路车辆荷载作用,既有隧道拱顶、轨道沉降均超过控制值,铁路行车安全受到严重影响。
为了确定适宜采用路基直接上跨方式的覆土厚度,取不同的覆土值进行分析,得到既有隧道拱顶、轨道变形,如图8所示。当覆土达到7.67 m,即约1D(D为隧道最大跨度)时,既有隧道拱顶、轨道均能满足沉降控制要求。
图8 车辆荷载作用下隧道最大沉降与覆土关系
4 桥梁间接上跨方式研究
4.1 桥梁上跨既有隧道概述
采用桥梁上跨既有隧道,桥宽21 m。上部采用1×25 m预应力混凝土小箱梁,桥台背墙连续,斜交角度110°;桥桩采用直径1.5 m的钻孔灌注桩,在既有万源隧道中线两侧平行布置,每侧4根,如图9所示。考虑到桩基深入隧道以下对隧道影响最小,经桩基受力计算,桩长定为24 m。
图9 桥梁平面布置示意图(单位:m)
采用桥梁方式上跨既有铁路隧道,市政道路车辆荷载主要通过桩基进行传递,既有隧道主要受到桩基成孔的影响。桩基成孔的施工过程本质上是在地层中开挖洞室的过程,洞室开挖卸载后,引起围岩应力重分布,进而可能对既有隧道产生不利影响。
根据弹性介质中开挖圆形洞室的应力平衡方程解析解[12],在等围压作用下,圆形洞室开挖后,应力重分布范围一般为3~5倍洞径,在此之外,其应力基本上为围岩的初始应力。所以桥梁桩基与既有隧道的净距应控制在3~5倍洞径外,以降低对既有隧道的影响。
4.2 桥梁上跨既有隧道数值模型
图10 既有隧道与桩基数值模型
岩体、隧道及路面数值模型与路基上跨模型一致。桥梁桩基采用实体单元模拟,桩基与土体之间的接触则通过无厚度四节点的Goodman单元实现。既有隧道与桩基数值模型如图10所示。
4.3 桥梁上跨既有隧道计算结果分析
在桩基开挖及桩顶荷载作用下,既有隧道变形与路基荷载作用不同,对整体岩体的影响相比而言较小,仅在垂直既有隧道方向形成“U”形沉降场,如图11所示。
图11 桩基作用下地层竖向变形云图
以既有隧道拱顶及轨面为研究对象,绘制其沿隧道纵向的变形曲线如图12所示。由此得到拱顶、轨面的最大竖向沉降约为3.4 mm及3.3 mm,均未超过变形控制标准。
图12 桩基作用下隧道纵向沉降曲线
5 上跨方式的确定及实施
在市政道路近距离(覆土小于1D)上跨既有铁路隧道条件下,采用路基直接上跨方式难于满足既有铁路安全运营的要求,经综合分析,采用桥梁间接上跨既有隧道方式实施。
为将上跨施工对既有隧道的影响降到最低,主要采取以下工程措施:
(1)以人工及小型机具为主,不采用大型重型施工机具,确保安全。
(2)进行桩基开挖时,不采用爆破施工,且对既有隧道左侧和右侧桩基交叉开挖,同一侧桩基间隔开挖。
(3)完善市政道路在施工及运营期的排水设施建设,确保既有隧道上方不出现积水现象。
(4)填、挖土按照分段、分层的模式进行,每层厚度均不超过0.5 m。
(5)对受影响段落的隧道拱顶、轨道实施监控量测。结果显示,上跨施工完成后,既有隧道拱顶和轨道处最大沉降值分别约为2.9 mm和2.4 mm,与计算值较为吻合,且均满足既有铁路安全运营的要求。
6 结论
(1)路基直接上跨和桥梁间接上跨既有隧道两种方式在施工难度、工期、投资等方面均差异较大,需结合工程条件进行充分论证,慎重决策。
(2)路基直接上跨方式,车辆荷载对既有隧道影响较大。若覆土厚度不大于1D(D为隧道最大跨度),则隧道结构及轨道沉降均难以满足变形控制要求。
(3)由于桩基对上部荷载的转移作用,桥梁间接上跨方式对既有隧道的影响主要集中在桩基开挖的过程,应保证桩基与既有隧道净距不小于3~5倍桩径。
(4)路基直接上跨方式施工简单、工期短、投资省,当覆土大于1D时宜优先考虑;否则,应采用桥梁间接上跨方式,并付诸以相应的工程措施,以确保既有铁路隧道的运营安全。