公路隧道施工对下穿的运营中的铁路隧道衬砌影响的研究

公路隧道施工对下穿的运营中的铁路隧道衬砌影响的研究

1　问题背景和研究目的

索契城市的地形地貌和城市建设特点，包括河流、峡谷、铁路线路对区域土地的切割，给公路运输组织的优化造成极大困难。汽车数量的猛增，用尽了城市干线的通过能力，大大恶化了城市交通状况。

在这种情况下必须集中力量综合解决区域交通问题。优先发展的是，修建绕过索契市稠密区的杜勃列尔公路。该公路线路的大部分（17 km）设计为若干隧道方案，实现从地下穿过河流、山坡和城市稠密区的设想，公路隧道No.6、No.6a与下穿的既有铁路隧道No.5立体相交。公路隧道施工对铁路隧道运营将会产生什么影响是此项研究的主要目的。

公路两平行隧道分别长564.12 m和557.8 m, 每个隧道预定设2车道。隧道纵轴线相距30 m（图1）。隧道建筑和设备接近限界采用I级2车道公路隧道线路标准。隧道车行部分的宽度为8.5 m (其中2车道各宽3.75 m，2个安全带各宽0.5 m)；车行部分两侧设服务通道各宽0.75 m。永久衬砌为马蹄形钢筋混凝土衬砌，外半径为5 900 mm，内半径为5 400 mm。衬砌厚度：拱部500 mm, 仰拱1 000 mm, 隧道两侧避险洞各以190 m的距离按棋盘式布置，并设3条支线隧道，供火灾时紧急疏散人员。

图1　公路、铁路隧道的平面布置及公路隧道施工阶段

在隧道相交的区域，公路、铁路隧道均位于强度较低的泥岩中，泥岩有砂质透镜体夹层。泥岩在空气干燥状态下极限受压强度平均为15 MPa，变形模量为1 300～2 300 MPa。含水状态下的这种土层其强度指标降至1.5 MPa，变形模量降至500 MPa，层间粘结力降至0.1～0.15 MPa。

构造断层增加了它的裂隙性，导致渗水量增大，强度降低，所有这些因素还可能诱发一系列不利的地质力学现象，例如山体压力增大，隧道丧失稳定，并造成大体积土体的坍塌。考虑到这些因素不得不对公路隧道施工提出严格的要求，使其对铁路隧道的影响降低到最小程度。这些要求的提出还基于下述理由：铁路隧道建于1914年，它是沿黑海岸边运行的唯一的铁路，承担着繁重的客货运输任务，包括运输索契冬季奥运工程所需的材料和技术设备。根据早先的预计，公路隧道施工对铁路隧道的影响区域大约在200 m长度范围内。

图2　公路隧道上台阶的施工 （单位：mm）

图3　公路隧道下台阶开挖、施作隧道底部管棚 （单位：mm）

2　研究方法

为了保证铁路隧道在公路隧道施工过程中运营安全，从以下两方面采取措施。

（1）公路隧道采用上下台阶法开挖。先开挖上台阶并建立临时仰拱，拱部地层用喷锚支护加固，临时仰拱底部用钢筋混凝土锚杆加固（图2），下台阶分块开挖（两侧错开开挖，然后开挖中部），在隧道仰拱底部施作长15 m的管棚，钻孔与隧道底面呈5o夹角（图3）。

（2）根据理论计算结果，拟定铁路隧道每沿米衬砌结构强度参数，确定隧道在接近实际工作条件的应力-变形状态，并对铁路隧道衬砌进行应力-变形状态观测。

为了进一步查明铁路隧道的衬砌结构和评估影响区的技术状态，首要工作是：分析以前的研究结果；宏观调查铁路隧道衬砌缺陷，将其绘制成图；确定衬砌材料强度特性；用地质雷达研究衬砌及其周围土层。

在调查研究的基础上得出如下看法：

（1）铁路隧道衬砌是用厚度为270～300 mm的混凝土砌块、用水泥砂浆作粘结材料砌成的3层砌体，衬砌总厚度850～900 mm，衬砌背后是木制临时支护，以及用石块砌成的用于排水的墙沟。衬砌块混凝土受压强度为35～50 MPa， 砂浆受压强度为15～20 MPa。

（2）铁路隧道衬砌的缺陷：墙上有垂直裂缝，缝宽0.4 mm，个别沿变形缝发展的垂直裂缝，缝宽达1 mm。调查中未见漏水和浸润区。

（3）目前铁路隧道的技术状况：该隧道自建成后经过1个世纪的运营，仍有工作能力。

2.1确定铁路隧道衬砌的容许变形值

在给定变形条件下对铁路隧道衬砌静力工作分析的结果，可以确定衬砌的应力和变形的极限值，此时的铁路隧道衬砌具有有限的工作能力。在有限单元法分析中采用了Plaxis计算程序，采用线性弹性空间单元模拟衬砌，采用摩尔-库仑塑性变形模型的空间单元模拟隧道周围土体，所有模拟衬砌及其周围土体的单元均为重力单元。计算模型中土体和衬砌材料的物理力学特性，采用与实际情况相接近的数值，即由工程地质勘测和调查结果得出的数据。

衬砌的容许变形值是依据在衬砌中开始产生拉应力确定的, 衬砌受压应力是依据砌体水泥砂浆接近受压强度极限确定的。

2.2在给定的变形条件下计算铁路隧道衬砌应力-变形状态

衬砌应力-变形状态是按对称和斜对称2种变形条件进行数值计算的。计算结果表明，当衬砌拱部应力接近于极限容许应力时，拱部最大变形值应在20 mm范围内，如超过此值，拱部将产生拉应力，侧墙的压应力接近于砌体砂浆受压强度极限（图4）。

在给定变形条件下隧道衬砌应力-变形状态的计算结果见表1。

2.3铁路隧道衬砌采用不同计算图式(工况)时应力计算结果及其分析

在以下的模拟阶段中完成公路隧道施工对铁路隧道衬砌应力-变形状态影响的数值计算，为此，对比了按4种计算图式（工况）计算铁路隧道衬砌应力-变形状态的结果(图5)。这4种计算图式与公路隧道开挖面的位置有关。图5a为公路隧道开挖前；图5b为公路隧道开挖面与铁路隧道相交的隧道的中线横向距离10 m；图5c为公路隧道的开挖面与铁路隧道断面在同一平面内，上下净距8 m；图5d同图5c方案，但公路隧道内有开挖机械（3 kN/m2）。

由表2所示的分析结果可得出结论，公路隧道施工对铁路隧道衬砌应力-变形状态不产生重大影响，在各施工阶段衬砌块材料只受压缩应力。开挖施工的影响最显著的表现是，当公路隧道的开挖面与铁路隧道断面处于同一平面时，衬砌拱部内缘压应力增至5 MPa，开挖机械的荷载对衬砌的应力-变形状态基本无影响，只是拱部1/4处外缘的压应力略有增长。

表1　给定变形条件下隧道衬砌应力-变形状态计算结果

图4　给定最大变形条件下隧道衬砌中主应力的分布 （单位：kN/m2）

实际量测的拱顶最大变形为6 mm，远未达到事先确定的极限容许值 ( 25 mm)；而最大压应力为5 MPa，也远未达到砌体水泥砂浆的受压强度极限值（15～20 MPa）。

2.4铁路隧道自动量测变形的计划为了控制公路隧道施工对铁路隧道技术状态的影响，提出了一个监测公路隧道施工过程的计划，另外还制定了检测铁路隧道的计划。

图5　公路隧道施工对既有铁路隧道衬砌应力-变形状态影响的数值分析采用的计算图式（工况） （单位：m）

表2　采用不同计算图式（工况）计算的铁路隧道衬砌断面中的应力 MPa

监测铁路隧道的任务是把铁路隧道衬砌应力-变形可能变化的信息，有效地、定期地传送给业主、设计和施工部门。为此，制定了铁路隧道自动量测变形的计划，确定了几个阶段：准备阶段；监测铁路隧道衬砌变形状态；根据公路隧道开挖的进展，分析铁路隧道衬砌的技术状态。

在准备阶段，对裂缝设置了变形标志；布置了经纬仪和水准仪的测量导线；埋设了测量水准基标；安置了自动化视距经纬仪；在衬砌上固定变形标志，安置位移传感器；记录初读数。

为了观测隧道衬砌可能出现的变形，采用2台自动化视距经纬仪（莱卡TM30）可以用矢量法确定变形标志的平面与高程的位移，用电子记录仪记录量测值。自动化视距经纬仪安置在壁龛内，在隧道中部的2个壁龛彼此相对。

对每台视距经纬仪，在北洞口和南洞口的非变形（不发生变形）区各设2个水准基标。自动化视距经纬仪根据水准基标自动修正自己的位置。在每一段衬砌的中央断面、变形缝的两侧均布设变形标志，全部影响区共布设200个（图6、图7）。

视距经纬仪在自动化工作制度下1昼夜读取4次数据，根据列车运行时刻表读数的时间调整为10～15 min。此外，在隧道变形缝和衬砌裂缝处布置了16个电子式位移计（Tepem4.1）。

预定在铁路隧道南口设监控站。信息从安设在隧道内的量测设备经光纤电缆进入监控站，经复核后的数据上网发送到彼得堡交通大学隧道模型实验室，进行统计处理和情况分析。在分析隧道技术状态时，将所得数据与衬砌容许变形进行比较。

每天的数据在10：00前传送到道路和建筑物管理局，假如出现超出极限容许的变形状况，则应对公路隧道施工采取补充的技术措施，或对铁路隧道衬砌采取加固对策。监测计划还包括对轨道的水平测量及对隧道衬砌的宏观观测（每周1次）。2.5 铁路隧道衬砌变形的监测结果

对铁路隧道受公路隧道施工的影响区进行经常的观测，必须贯穿公路隧道施工的全过程，并延长到公路隧道中该区段的永久衬砌施作后的6个月。自2012年1月（监测开始）到2013年9月变形标志的最大位移不超过8 mm，98%的变形标志的平面-高程位移处于3～4 mm的范围内。布置在变形缝处的位移传感器记录到的变形缝的闭合值为0.6 mm，布置在衬砌裂缝处的传感器同样显示裂缝有闭合的趋势。这些数值均处于量测精度范围内。

图6　观测点布置（1～20数字表示观测变形的断面） （单位：m）

图7　铁路隧道内量测仪器安设 （单位：mm）

3　研究结论

监测结果表明，在铁路隧道上方公路隧道施工过程中，铁路隧道衬砌处于各向受压状态。数值分析的结果，衬砌最大位移仅为极限容许值的30%。因此，可以认为，公路隧道施工中所采用的结构技术方案，保证了施工安全，也保证了既有铁路隧道运营的可靠性。

4　结束语

为了在公路隧道施工中确保下穿的既有铁路隧道的运营安全，从两方面采取了技术措施。

第一，优选公路隧道的设计、施工方案，使公路隧道的施工（开挖支护）尽量减小对铁路隧道衬砌的影响：诸如采用上下台阶法开挖；对拱部施作系统的径向锚杆稳定周围地层；在上台阶临时仰拱下面施作钢筋混凝土锚杆，加固临时仰拱下部土体；下台阶分块分步开挖，并在仰拱下施作管棚，加固仰拱底部土体；仰拱永久衬砌厚度采取1 000 mm(比拱部永久衬砌厚度500 mm厚1倍)。所有这些措施均有利于减小对铁路隧道衬砌的影响。

第二，对铁路隧道衬砌进行监控量测。首先确定铁路隧道衬砌的容许变形值，确定容许变形值的判据是：衬砌不产生拉应力；衬砌块之间的水泥砂浆受压强度不超过极限容许值。对铁路隧道衬砌分别施加对称和斜对称变形，用数值方法计算衬砌的应力-变形状态，求得容许的变形值。并且用数值方法计算在不同计算图式（工况）条件下铁路隧道衬砌的应力状态，掌握各工况的衬砌应力状态，以利监测控制。在铁路隧道内采取的现场监控量测主要是自动化的位移量测——衬砌变形、裂缝发展。

将量测值与容许变形值进行对比，如果不超出容许变形，说明铁路隧道是安全的。如果超出容许变形，则应对公路隧道施工采取附加措施，或对铁路隧道采取加固措施。

参考文献

[1] Ю.С.Фролов и др. Опыт проходки автотранспортных тоннелей при пересечении с действующим железнодорожным тоннелем на трассе Дублера Курортного проспекта в г. Сочи[J]. Метро и Tоннели, 2014 (1): 6-10.

邵根大 编译

责任编辑 毛 静

收稿日期2015-01-19