新建铁路路基对下卧公路隧道的影响

聂玉文，王 哲

(广东省交通规划设计研究院股份有限公司，广州 510507)

0 引言

随着我国城市化速度的逐渐加快，为缓解道路交通运输压力及提高运输能力，地区间轨道交通的建设不断增多，不可避免地与既有道路之间形成交叉工况。一般情况下，既有隧道上方修筑深路堑路基，会对隧道结构产生一定的影响，路堑开挖产生的卸荷以及运营时列车荷载形成的附加应力，造成隧道结构发生变形变位[1]，当衬砌受力超过设计承受极限时，会对隧道衬砌结构造成破环，影响行车安全。

针对新建路基对下卧隧道的影响，国内许多学者通过采用现场监测、理论分析和数值模拟等手段，对相关问题进行了研究。张健、朱小鹏等通过数值模拟以及现场检测的方法研究了路堑开挖对隧道结构以及围岩变形的影响[2-3]；赵东平等采用静力学与动力学数值分析研究路堑边坡开挖对邻近既有隧道的影响[4]；吕荔炫等分析考虑时间效应下既有隧道受路基堆载变形效应[5]；周超等提出采用刚性板跨越方案来减小和对下方既有铁路隧道的影响[6]；高玄涛、黄娟等通过建立三维模型分析高铁列车振动荷载下隧道的动力响应[7-8]。总体而言，针对路基上跨既有隧道的研究多以安全性评价为主，大体还处于总结和经验积累的阶段。

为确保下卧隧道的运营安全，分析深路堑边坡开挖以及运营时对隧道影响方式与程度，是必不可少的。鉴于此，本文以某铁路客运专线路基上跨某高速公路隧道为依托，分析下穿隧道在深路堑开挖及运营阶段的受力和变形规律，进而对深挖路堑施工过程提出合理性的建议，为相关的理论研究和工程实践提供经验。

1 工程概况

铁路客运专线于铁路里程DK1+000～+136上跨某高速公路隧道，与既有隧道夹角约55°，位置如图1所示。工点地处丘陵地貌，地势较起伏。铁路以路堑型式通过该段，轨道类型为CRTSⅢ型板式无砟轨道。公路隧道洞顶标高约60.6m，铁路轨面标高约82.4m，距公路隧道洞顶约21.8m。

图1 铁路路基与既有公路隧道位置关系

既有隧道位于已建高速公路。隧道左、右线长度均为495m，左右测设线距离约17～25m，设计时速为100km/h，隧道埋深为10～60m，与铁路路基相交处的隧道拱顶原始埋深30～50m。自上而下地层为：可塑状粉质粘土、硬塑状粉质粘土、全风化花岗岩、强风化花岗岩、中风化花岗岩、微风化花岗岩。其中，隧道洞身位于微风化花岗岩，拱顶中、微风化花岗岩层厚度大于4.8m。

隧道与铁路斜交段围岩级别为Ⅳ级，洞顶围岩曾出现过塌方，采用XS-4c复合式衬砌结构，支护参数见表1。

表1 隧道支护参数

2 有限元模型

采用MIDAS/GTS NX有限元软件，根据实际工程情况及圣维南原理，建立三维数值模型。

2.1 模型的建立

模型原点如图2所示，其中X轴方向为水平方向、Y轴正方向为铁路路基轴向方向、Z正方向竖直向上。建立的模型尺寸为：171m×238m×57(109)m。穿越区段土体分为4层，本构模型为摩尔-库伦模型和弹性模型。隧道衬砌、边坡防护以及挡墙采用板单元模拟。模型的约束条件为：上部边界为自由面，四周边界施加水平约束，底部边界施加水平约束和竖直约束。

图2 三维有限元模型

2.2 计算参数

铁路路基上跨既有公路隧道的三维数值模型中的地层和相关结构的几何参数为实际值，物理力学参数参考地勘资料(快剪实验)及地区规范选取。考虑局部地层施工过程出现过塌方，对粉质粘土与全风化花岗岩弹性模量适当弱化。计算中，各土质地层采用摩尔-库伦弹塑性本构模型，岩质地层及隧道衬砌采用弹性模型，各材料具体的参数见表2。

表2 材料物理力学参数

2.3 全过程的模拟和实现

本次数值计算中铁路路基上跨既有公路隧道路堑开挖的施工过程为：

(1)激活土层，模型的四周和底部的边界条件为法向约束，地表为自由边界条件，在自重条件下求解至平衡，位移清零。

(2)隧道开挖，激活衬砌单元，求解至平衡，位移清零。施工阶段通过定义荷载释放系数控制作用于衬砌上的围岩压力。

(3)开挖边坡1，激活边坡锚杆、挡墙等防护措施，求解至平衡。

(4)重复步骤(3)直至边坡开挖完毕。

(5)求解至平衡。

(6)运营阶段模拟：路基施加列车均布荷载，求解至平衡。

3 计算结果及分析

图3为铁路路堑边坡开挖后的位移云图。从图3可以看出，路堑边坡的开挖位移影响区域包含开挖部分邻近区域。随着路堑的开挖，路堑整体有向上隆起的变形，最大隆起量5.9cm。水平位移方向主要为路基方向指向边坡方向，最大位移值为2.4cm。

图3 位移云图

3.1 路堑开挖时衬砌变形分析

由计算结果得出，路堑开挖后对隧道水平方向上的位移影响很小，在竖直方向上的位移影响较大。路堑开挖后，隧道拱顶发生方向向上的竖向位移。如图4所示，左线隧道拱顶隆起最大值为1.1mm，右线隧道拱顶隆起最大值为1.5mm。在路堑与公路隧道交叉点的位置越近隧道结构的变形就越明显，路堑边坡开挖，地表覆土挖除，拱顶存在一定的卸载，竖向围岩压力降低，拱顶存在向上位移。

图4 路堑开挖后衬砌竖向位移

如图5所示，横坐标零点为铁路路线与隧道平面交叉的位置，既有隧道受路堑边坡开挖的影响范围大致在路线交叉处前后约50m左右，且随着隧道开挖卸载的影响，拱顶位移逐渐增大。在第三、四级卸载过程，交叉点处隧道拱顶位移变化明显，分别占总位移的31%和36%。因此在施工时，应加强三、四级开挖卸载时隧道拱顶的监控量测，发现位移速率变化过大应及时采取保护措施。

图5 隧道拱顶随路堑开挖位移

洞口段出现竖向位移增大的趋势，此处埋深较浅，洞身位于全风化地层中，受地层条件以及埋深的影响，在开挖卸荷时隧道结构隆起值增加，拱顶上部山体对应出现隆起现象。因此,在路堑开挖前，应将洞口一侧山体的小块及破碎岩体进行清除，并在洞口设置被动防护网，防止次生灾害的影响。

3.2 路堑开挖时衬砌内力分析

图6为路堑开挖后隧道衬砌轴力和弯矩云图。由计算结果可知，随着路堑开挖，隧道衬砌的轴力与弯矩量值略有增大，但内力分布位置几乎不变。埋深较小的洞口段衬砌内力受路堑开挖影响明显，埋深较大的洞身段隧道内力变化不明显，在交叉处内力值较小。路基下卧隧道围岩为中-微风化花岗岩，岩体破碎，摩尔-库伦本构模型在模拟破碎围岩有一定的局限性，无法考虑围岩破碎的影响。

图6 内力分布云图

3.3 运营时衬砌位移分析

根据《高速铁路设计规范》[9]表6.1.15，CRTSⅢ型板式无砟轨道的轨道及列车均布荷载为54.1 kN/m2。如图7(a)所示，隧道在运营阶段由于车辆静载作用，左线隧道隆起最大值为1.0mm，右线隧道最大位移为1.3mm。取右线隧道拱顶纵向位移变化绘制曲线，如图7(b)所示。相较于路基开挖结束后隧道竖向的上拱位移均有所减少，隧道纵向位移分布与路基开挖卸载时一致。

图7 运营时衬砌竖向位移

3.4 运营时衬砌承载力分析

根据设计资料，路堑下部隧道围岩为中～微风化花岗岩，岩体破碎，围岩完整性较差。由于摩尔-库伦本构模型的局限性，无法考虑围岩破碎的影响，在中、微风化条件下，从图6可看出交叉段衬砌内力计算偏小，因此在运营阶段将采用荷载结构法分析衬砌承载力的影响。

根据《高速铁路设计规范》CRTSⅢ型板式无砟轨道的轨道及列车均布荷载为54.1 kN/m2，均布荷载分布宽度取13.6m，结合附加应力分布规律，路基中心底下20m位置附加应力分布系数取0.4，隧道位置受轨道及列车均布荷载21.6 kN/m2。考虑铁路路基与公路隧道55°斜交，对轨道及列车均布荷载进行等效为正交断面，公路隧道受轨道及列车均布荷载26.4 kN/m2。

图8 轨道与列车均布荷载正截面等效图

隧道围岩荷载根据《公路隧道设计细则》[10]进行取值计算，结果见表3。

表3 Ⅳ级浅埋围岩荷载

根据《公路隧道设计细则》(JTG/T D70-2010)，二次衬砌承载比≥40%，考虑隧道在该区段施工中出现过塌方，本工点偏保守地考虑二衬承担50%土压力。采用结构荷载法对隧道衬砌进行结构内力计算，计算结果如图9所示。

图9 内力分布云图

在运营期间，经过计算在永久荷载+轨道与列车荷载下二衬结构仍可满足要求，但拱顶处安全系数仅为3.9，接近于规范要求的最低限值;且隧道在该区段二次衬砌为无仰拱的素混凝土结构，鉴于荷载结构法模型对二衬的敏感性，应对隧道衬砌及塌腔回填情况进行检测，尤其是衬砌强度及厚度是否满足原设计要求，并确保衬砌无病害影响。

4 结语

本文针对新建客运专线以路堑形式上跨既有公路隧道交叉部位建立三维计算模型，模拟铁路路堑边坡开挖至运营阶段的全过程，分析了边坡开挖和运营过程中对隧道变形及受力的变化情况，得到以下结论：

(1)新建铁路路堑的开挖对既有隧道产生整体向上的卸荷回弹，对水平方向的影响较小；隧道结构的竖直方向变形随距离路堑与公路隧道交叉点位置的减小而变大，影响范围大致在路线交叉处两侧约50m左右，变形最大值在隧道拱部位置。

(2)受地层条件以及埋深的影响，在开挖卸荷时靠近洞口段位置，隧道结构出现竖直方向上位移增大的现象，在路堑开挖前，应将洞口一侧山体的小块及破碎岩体进行清除，并在洞口设置被动防护网，防止次生灾害的影响。

(3)随着路堑开挖，隧道衬砌的轴力与弯矩量值略有增大，但内力分布位置几乎不变，埋深越小时，衬砌内力受路堑开挖影响明显，靠近山体内侧，衬砌内力变化不明显。

(4)在运营阶段考虑列车静载时，隧道结构向上的变形减小，变形分布与路堑开挖后一致。通过荷载结构法进行计算，隧道二衬结构可满足运营期间承载能力的要求。由于运营阶段拱顶处安全系数仅为3.9，需对隧道衬砌及塌腔回填情况进行检测，防止隧道结构出现破坏。