上跨既有铁路隧道公路桥梁工程施工对隧道结构安全的影响因素分析

2024-03-04孙志涛

四川水泥 2024年2期

孙志涛

(1.中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西西安 710043；2.陕西省铁道及地下交通工程重点实验室（中铁一院），陕西西安 710043)

0 引言

随着公路、铁路网的日益完善，交通基础设施建设中不可避免地会形成公铁立交。对于公铁立交应该采取何种型式及技术要求，相关法律、法规及规范给出了一定要求，但是对于具体的公铁立交项目在方案研究及施工过程中仍需进行严谨的立交评估工作[1-4]。本文对铁路隧道先行、公路桥梁后建的公铁立交工程建设主要技术要求和风险源进行阐述，并以某公路桥梁上跨铁路隧道为例，分析公路桥梁上跨施工过程对既有隧道结构安全性的影响。

1 工程概况

某公路桥梁上跨既有铁路隧道立交工程的公路桥梁与铁路隧道位置关系如图1、图2所示，立交里程分别为K1+562.59（=兰合铁路左线DK24+877.35）、K1+618.98（=兰合铁路右线DYK24+882.90），交角为分别为78.6°、76.7°。立交处左、右线隧道埋深分别约72.2m、50.8m，地层主要岩性为砂岩夹砾岩。

图1 公路桥梁与铁路隧道平面位置关系

图2 公路桥梁与铁路隧道立面关系

2 上跨铁路隧道公路桥梁工程建设的主要风险源

对于铁路隧道先行、公路桥梁后建的公铁立交工程，需从设计阶段、施工期间、运营期间等阶段分析新建工程对既有工程影响，通过定性、定量的方法分析危险源是否在可接受范围。

2.1 设计阶段主要危险源、危险因素

（1）既有设施调查不充分；

（2）交叉角度不满足要求；

（3）桥下净空及净宽不满足规范要求；

（4）公路与铁路桥墩或基础安全距离不满足要求；

（5）不符合现行公路及市政相关法律法规要求；

（6）不符合公路运营、管理部门的要求。

2.2 施工期间主要危险源、危险因素

（1）未与产权单位签订安全协议；地下设施、管线、光缆和电缆等未调查、探查；未提前通知管理单位派人监督或者监护人员未到场即动工开挖；附属设施未查清用途，在用的情况下就拆除；拆除既有设施未制定拆除施工专项技术或者方案不当、未按照方案实施。

（2）基坑周边未设置防护栏杆、基坑边坡不稳定、基坑顶周边未压载控制；地表水未截流或者导流。

（3）影响既有运营工程的安全施工未获许可。

（4）施工期抽取地下水可引起地层松动、沉降。

（5）边坡地层岩性较差或地形高陡时，不当的施工可造成边坡垮塌，增加隧道附加堆载。

（6）场地受地形限制，开挖边坡汇水或桥梁集中排水流入隧道洞身范围，增加隧道渗漏风险。

（7）设备和材料选择的不合理，使用过程中的磨损、检修、养护以及不合理存放。

（8）施工机具、材料、弃渣在靠近既有铁路隧道洞身范围集中停放、堆载。

2.3 运营期间主要危险源、危险因素

（1）铁路落物对公路的影响；

（2）公路行驶车辆对桥墩及桥梁的碰撞；

（3）铁路运行期间发生脱轨、相撞等意外事故；

（4）不可抗拒因素。

3 公路桥梁上跨铁路隧道施工安全控制标准

针对公铁立交工程，相关法律、法规及行业规范对平面线位、相对空间位置关系进行了约束，公铁立交相关法律法规及其他依据文件如表1所示[5]。

表1 公铁立交相关法律法规及其他依据文件

3.1 变形控制标准

《邻近铁路营业线施工安全监测技术规程》（TB 10314-2021）[6]中规定，200km/h 客货共线铁路变形控制标准参照高速铁路部分执行，因此本工程铁路变形控制标准具体如表2、表3所示。

表2 隧道位移变形监测预警值、报警值和控制值

表3 轨道位移变形监测预警值、报警值和控制值

3.2 应力控制标准

参考《铁路隧道设计规范》（TB 10003-2016）[7]6.2条，衬砌混凝土的抗压强度按照容许应力取值，初期支护喷射混凝土强度按照设计强度取值，应力控制标准如表4所示。

表4 隧道结构强度容许应力

4 公路桥梁上跨铁路隧道数值计算分析

为分析公路桥梁公路施工对下穿铁路隧道的影响，采用三维地层-结构法模拟分析大桥施工对铁路隧道结构、轨道变形的影响。

4.1 施工工序、荷载及物理力学参数

考虑与公路桥梁交叉段的铁路隧道尚未掘进施工，为保证铁路隧道施工期及运营期安全，考虑按如下工序进行简化模拟：①初始应力场计算→②左线隧道开挖及支护→右线隧道开挖及支护→③～⑧边坡第一至八级开挖并防护→开挖承台→跳槽钻挖3#桩基及浇筑→跳槽钻挖4#桩基及浇筑→浇筑3、4#墩承台→跳槽钻挖2#桩基及浇筑→施加上部结构荷载→施加运营荷载。物理力学参数及主要荷载如表5、表6所示。

表5 地层物理力学参数

表6 钻孔桩顶主要荷载

4.2 建立模型及计算分析

采用修正摩尔-库伦本构模型[8-11]、结构单元采用弹性本构模型，为保证模型有足够计算精度并尽量减少计算工作量，本次分析按圣维南原理对计算范围进行了一定限制，计算模型尺寸为横向×纵向×竖向=185m×100m×185m。所建立的三维模型如图3所示。

图3 三维有限元模型

通过计算模拟得到桥梁施工期间边坡开挖对隧道影响最大，边坡开挖结束时，隧道结构产生的最大主压应力为10.2MPa，最大主拉应力为5.57MPa。隧道产生的最大竖向位移为1.81mm，最大水平位移为0.699mm。钻孔施工对既有隧道结构影响较小，隧道位移及应力数值变化微小，桩基开挖对既有隧道影响较小[12-15]。

桥梁施工期间上部结构荷载加载后隧道初期支护结构产生的最大主压应力为10.1MPa，最大主拉应力为5.56MPa。隧道产生的最大竖向位移为1.85mm，最大水平位移为0.702mm。最终施工步下隧道初期支护结构应力云图及位移云图如图4～图8所示。

图4 施作桥梁上部结构后初期支护主应力及结构位移

图5 各施工步隧道初期支护最大主压应力变化曲线

图6 各施工步隧道初期支护最大主拉应力变化曲线

图7 各施工步隧道初期支护最大竖向附加位移UZ变化曲线

图8 各施工步初期支护最大水平附加位移UX变化曲线

计算模拟桥梁运营期间隧道二次衬砌应力、位移及道床位移情况如图9所示，可见隧道二次衬砌产生的最大最大主压应力、主拉应力分别为0.0521MPa、0.083MPa，受公路运营影响轻微。公路运营后，二次衬砌竖向最大附加位移为0.0613mm、水平最大附加位移为0.0068mm，均远小于规范控制（5mm），满足规范要求。道床竖向最大附加位移为0.0532mm、水平最大附加位移为0.00595mm，均远小于规范控制（2mm），满足规范要求。