新建高速公路桥梁上跨高速铁路隧道安全影响分析

李少孟

(中铁第五勘察设计院集团有限公司 北京市 102600)

0 引言

新建公路桥上跨既有隧道时，桥桩施工与桥面荷载不可避免地会对周围土体产生扰动，使得原始地层和既有隧道应力平衡状态发生破坏，引起隧道结构的二次受力和变形，严重时可能引发安全事故，因此施工前应重点分析评估新建桥梁施工和结构荷载对既有隧道的影响[1]。

对于新建桥梁上跨既有隧道的影响，路平等[2]研究分析了桩基成孔施工及桥桩运营荷载在土体中应力扩散对既有隧道衬砌结构和轨道变形的影响；徐云福等[3]基于桩基施工与既有隧道的监测数据分析得出桩基施工过程中隧道结构及周围土体的变形情况；冯瑞兵[4]分析了新建桥梁施工前后隧道结构轴力与弯矩的变化情况并对结构安全系数的变化进行了计算分析；邹春蓉等[5]利用有限元分析评估了新建桥梁桩基施工对既有隧道结构及围岩的变形的影响。

为了保证高速铁路的安全运营，对隧道衬砌结构变形、轨道变形要求非常严格，受邻近工程影响的高速铁路隧道结构竖向变形控制值取±5mm，水平位置控制值取3mm，轨道变形控制标准取±2mm[6]。以某新建高速公路桥梁上跨南昆客专那了隧道工程为基础，分析新建公路桥上跨隧道施工、运营对铁路隧道结构变形、轨道变形和衬砌结构安全系数的影响，为今后类似工程提供参考。

1 工程概况及主要难点

1.1 工程概况

某新建高速公路采用双向四车道标准，设计速度100km/h，基本路段路基宽度取值为26m，以公路桥型式上跨南昆客专那了隧道。公路桥与南昆客专交角约为67.8°，公路左、右幅与铁路交叉点处的铁路桩号分别为K183+335.725和K183+333.565。

上跨南昆客专那了隧道的公路桥桥联跨径组合为3×40m，分左、右两幅布设，上构采用后张法预应力混凝土先简支后桥面连续小箱梁；其余桥联上构采用L=30m后张法预应力混凝土先简支后桥面连续小箱梁。桥面单幅净宽11.5m，采用C50混凝土。公路左、右幅位于隧道两侧的1～2号桥墩均采用双柱式桥墩，墩桩直径1.8m，其中左幅1～2号桥墩分别高6.06m和18.87m，右幅1～2号桥墩分别高5.23m和18.41m，柱中心间距均为8.5m；左、右幅桥墩基础均为桩基，桩基直径2.0m，分别长32m、20m，桩顶均设置宽×高=1.5m×1.8m的系梁，系梁埋深不小于0.5m，墩柱顶均设置矩形盖梁，盖梁宽×高=2.2m×2.0m。

南昆客运专线为双线电气化高速铁路，设计时速250km/h，那了隧道建筑限界及衬砌内轮廓采用“通隧(2008)0201-08”图，采用碎石有砟道床，公路桥施工影响范围内铁路运营里程K183+231.389～K183+363.389段、K183+374.389～ K183+474.389段采用Ⅴ级B型衬砌，二衬为50cm厚钢筋混凝土结构；K183+363.389～ K183+374.389段采用Ⅴ级偏压式抗震明洞衬砌，80cm厚钢筋混凝土结构。

公路桥与南昆客专那了隧道位置关系如图1所示。

1.2 地质概况

场区地表水主要为沟谷地段。地下水主要为基岩风化层中裂隙水，沟谷地段钻孔揭露水位埋深约9.5m，山坡上未见。地下水主要受大气降雨补给。

目前公路、市政道路上跨高铁隧道的主要形式有路基、桥梁、隧道等[7-10]，本公路上跨铁路节点位于沟谷地段，既有隧道为浅埋暗洞或明洞结构，上方不宜大填方做路基，也不具备设置隧道条件，因此从安全角度比选确定采用公路桥型式上跨隧道。

1.3 主要难点

综合考虑地形现状、地层条件、相对位置关系、铁路隧道变形控制及结构安全、施工难度、风险等因素，高速公路采用桥梁型式上跨既有那了隧道。其主要难点包括：

(1)桥梁桩基中心距既有隧道结构外缘净距仅6.78m，接近隧道结构最小保护层厚度5m[11]，桩基施工时周边土体应力重分布势必影响隧道结构。

(2)桥台位于隧道上方沟谷地带，桥台基坑施工挖方大、刷坡高，对隧道上方土体扰动较大。

(3)隧道受影响段落有暗洞衬砌和明洞衬砌，受桥梁施工影响易产生不均匀变形。

(4)那了隧道为运营状态，新建桥梁施工影响过大可能影响高速铁路的正常运营。

2 计算与分析

2.1 三维有限元模型

利用midas GTS NX建立三维有限元数值模型进行分析，模型包括岩土、桩基、桥台、桥墩、隧道结构等。根据公路桥与既有隧道的位置关系，并满足边界效应，模型整体尺寸(x×y×z)为150m×120m×80m，整个模型共有104359个单元。

模型地表自由，不施加任何约束，其余方向施加法向约束。土体、墩台等采用实体单元模拟，隧道衬砌采用壳单元模拟，桩基采用梁单元模拟。有限元模型如图2、图3所示。

图2 有限元整体模型

图3 桥梁、隧道结构空间布置图

2.2 土层参数

土体强度准则为Mohr-coulomb准则，土体共划分为3层，参数取自工程地质勘查报告或参考相关规范，具体见表1。

表1 土层参数

2.3 荷载

自重：程序根据输入的材料容重自动计算。

荷载：上跨铁路桥跨及其相邻跨为1.3×公路-Ⅰ级。

2.4 施工阶段模拟

模拟计算分为四个主要阶段：初设应力场、高铁隧道施工、新建公路桥施工、公路运营，具体步骤见表2。

表2 施工步骤

2.5 计算结构分析

(1)变形分析

计算结果图4、图5表明：整段隧道结构邻近新建桥墩的位置变形最大，受新建桥梁施工影响较大的隧道区段约为桥梁桩基对应隧道里程向两端各20m的范围；由于隧道周边岩质较好，因此桥梁桩基的施工对距离6.78m以外的土体横向变形影响很小；而上部基坑开挖、整体桥梁荷载的叠加会带动隧道周边土体发生较大的竖向变形，进而引起隧道结构竖向变形。施工过程中既有隧道衬砌结构最大隆起为0.629mm，最大沉降为0.489mm，均小于控制标准值5mm；最大水平变形为0.139mm，小于控制标准值3mm。具体数据结果见表3。

图4 那了隧道衬砌最大上浮、沉降云图(单位：m)

由于采用有砟道床，隧道内铁路轨道的竖向变形、水平变形受新建桥施工的影响很小，且均小于隧道结构的变形。从图6、图7可以看出，施工过程中既有铁路轨道最大竖向变形为0.353mm，则轨道轨向不均匀沉降差值也小于0.353mm，两者均小于控制标准值2mm；最大水平变形为0.103mm，小于控制标准值2mm。具体数据结果见表4。

图5 那了隧道衬砌最大水平位移云图(单位：m)

表3 隧道结构变形结果汇总表

图6 那了隧道轨道竖向变形曲线图(单位：m)

图7 那了隧道轨道水平向变形曲线图(单位：m)

(2)衬砌结构受力分析

表4 铁路轨道变形结果汇总表 mm

根据相关规范[12]的规定，分别选取暗洞、明洞衬砌典型断面(距离新建桥基最近)进行结构受力安全性检算，结果表明，公路施工、运营后隧道衬砌结构各特征单元安全系数均仍满足规范要求，且均不需验算裂缝宽度，具体数据结果见表5、表6。

表5 隧道暗洞衬砌典型断面安全系数检算表

表6 隧道明洞衬砌典型断面安全系数检算表

(3)通过计算结果分析，新建公路桥上跨南昆客专那了隧道施工及运营对铁路隧道结构及轨道的影响均在允许范围内，上跨方案具有可实施性。

3 结语

根据实际工程地质、地形条件和设计方案进行三维数值计算，分析新建公路桥上跨施工和运营对下方高速铁路隧道衬砌和轨道的影响，主要结论如下：

(1)新建公路桥施工期间，由于桥台、桩基施工对地层的扰动，隧道周边土层因应力重分布而引起隧道结构、轨道发生变形及衬砌受力发生变化。但公路桥梁在施工和运营中，铁路隧道结构变形、轨道变形、衬砌结构安全系数均满足规范要求，上跨方案具有可实施性。

(2)为减小桥梁施工对铁路隧道结构变形，应严格控制施工方法，严禁使用扰动大的施工工艺。桥台基坑施工时，应尽量减小开挖量，减少对周边土体的扰动，从而减小对下方隧道结构的影响；挖孔桩宜采用对称施工。

(3)施工期间做好高铁隧道衬砌结构和铁路轨道的变形监测以指导施工。新建公路桥主体结构施工完成后，应根据对铁路隧道轨道变形监测情况，判定是否立即调整南昆客专铁路轨道，保证铁路运营安全。