新建高速公路桥梁对临近既有铁路隧道影响分析

收稿日期：2024-02-22

作者简介：赵艳军（1991—），男，硕士研究生，工程师，研究方向：路桥设计。

摘要 在既有铁路隧道周围建设高速公路桥梁，会对既有隧道产生附加变形和内力，对衬砌结构造成不利影响。为了科学评估其影响程度，文章以广西壮族自治区某新建高速公路桥梁为例，运用有限元模拟的方法，对桥梁施工期和运营期的荷载进行计算，分析其对既有南昆铁路隧道衬砌结构的影响，为设计方案提供依据，从而保障铁路的正常运行和高速公路的顺利建设。

关键词 桥梁桩基；铁路隧道；受力分析；安全性

中图分类号 U455.42文献标识码 A文章编号 2096-8949（2024）09-0041-04

0 引言

随着我国铁路网的不断完善，高速公路建设不可避免地会发生與既有铁路产生交叉的情况。高速公路桥梁桩基施工和成桥后的荷载必然会对周围土体产生扰动，使得应力发生变化，从而影响隧道结构的安全性[1-2]。科学评判桥梁建设对既有铁路隧道的影响，保障铁路正常运行和高速公路顺利建设，是设计工作中的一项重要工作[3]。该文以广西某新建高速公路项目为实际案例，采用有限元数值模拟方法，分析新建桥梁对铁路隧道运营安全性的影响，为今后类似工程提供参考。

1 项目概况

新建高速公路为双向四车道，设计速度为120 km/h。既有铁路为南昆铁路下行线，是国铁Ⅰ级干线电气化铁路，采用单线单洞形势，设计速度为120 km/h。高速公路桥梁跨越南昆铁路下行线处为隧道洞顶，桥梁位于半径4 200 m的圆曲线上，纵坡的坡度为2.9%，与铁路夹角132.73 °，设计对隧道洞顶既有山体无开挖。

2 设计方案

为减小新建桥梁对南昆铁路隧道的扰动，适当增加安全距离，主桥采用一跨70 m的钢混凝土组合梁，梁高3.5 m，铁路轨顶至桥梁底的距离为27.1 m，分左右两幅。桥墩为双柱式，直径为2 m，基础为混凝土钻孔灌注桩，直径为2.2 m，长度为40 m。桥台采用肋式台，基础为混凝土钻孔灌注桩，直径为1.2 m，长度为45 m。桥梁基础距离铁路隧道结构最小为15.34 m。桥梁平面、立面如图1～2所示。

3 场地工程地质条件

3.1 地层参数

根据地勘报告，主要地层为粉质黏土、全风化硅质岩、强风化硅质岩，建设范围内地下水不发育，故暂不考虑地下水对隧道的影响。各主要地层的相关参数见表1所示。

图1 主桥平面图

图2 主桥立面图

3.2 支护结构参数

既有铁路隧道的支护结构为锚杆和衬砌结构，材料参考类似工程进行取值，详见表2所示。

4 影响分析

4.1 模型建立

由于桥梁桩基与隧道的相对位置关系，二维模型无法准确反映地层沉降、应力变化等实际情况，因此采用3D实体单元进行模拟。该次计算采用迈达斯GTS软件，为便于计算，结合工程实际，对模型做出如下假定和优化计算[4]：

（1）地层为各项同性材料，塑性屈服准则选用Mohr-

Coulomb准则，地层采用实体单元进行三维模拟。该模型是工程建设中常用的模型，在计算中具有效率高、收敛快的优点，对于材料整体性描述具有良好效果。

（2）只考虑围岩自重造成的围岩初始应力场。

（3）围岩变形服从摩尔库伦本构模型，衬砌结构和锚杆采用线弹性本构模型。

（4）根据地形情况，采用最不利坡面进行计算。

（5）模型计算时，施加位移边界条件，左右两侧为水平约束，顶部为自由边界，底部设置为竖向约束。

按照桩基和隧道的相对位置及影响范围，选取长150 m、宽60 m范围内的岩层进行计算分析。模型建立完成后共有516 428个单元和113 874个节点，模型如图3～4所示。

4.2 计算工况

运用计算软件的结构网格自适应技术和激活、钝化功能，在模拟区域内对地层、隧道、桩基础等进行计算。计算模拟工况共有5个步骤，分别为：初始地应力平衡；隧道建立；衬砌及锚杆建立；施工桩基；成桥荷载。施工步骤设置及控制区域见表3所示。

4.3 计算结果分析

4.3.1 桩基施工影响

桩基施工时采用钢护筒跟进支护，在计算中予以考虑。经过计算，桩基施工对岩层的影响如图5～6所示。

经计算发现，桩基成孔后桥墩和桥台位置处的水平位移值较小，最大值出现在右侧桥台桩顶处，为?0.005 mm。左侧桥墩桩顶处的竖向位移为?0.31 mm，桩底处的竖向位移为?0.33 mm。右侧桥台桩顶处的竖向位移为0.20 mm，桩底处的竖向位移为?0.35 mm。根据结果分析，认为两个方向的位移值都比较小，均在安全范围内。

根据计算结果分析，桩基成孔后隧道结构横向变形的绝对值最大为0.01 mm，位于右侧拱肩处，如图7所示。桩基成孔后隧道竖向变形的绝对值最大为0.117 mm，位于左侧拱肩处，如图8所示。根据结果分析，认为两个方向的位移值都比较小，均在安全范围内。

4.3.2 成桥并施加恒载和活载后的影响

经计算发现，成桥后隧道左侧桥墩桩基桩顶的水平位移为0.02 mm，桩底水平位移为0.01 mm；右侧桥台桩基桩顶的水平位移为0.06 mm，桩底水平位移为0.02 mm。桩基均产生不同程度的沉降位移，隧道左侧桥墩桩基桩顶的竖向位移为?0.62 mm，桩底竖向位移为0.49 mm；右侧桥台桩基桩顶的竖向位移为0.54 mm，桩底竖向位移为0.55 mm。成桥后对地层产生的位移如图9～10所示。根据结果分析，认为两个方向的位移值都比较小，均在安全范围内。

根据计算结果分析，成桥后隧道产生的横向变形的绝对值最大为0.02 mm，位于右侧拱肩处，如图11所示。成桥后隧道产生的竖向变形的绝对值最大为0.27 mm，位于左侧拱肩处，如图12所示。根据结果分析，认为两个方向的位移值都比较小，均在安全范围内。

5 结语

按照实际工程地质条件，根据设计方案进行模拟计算，得出的主要结论及建议如下：

（1）新建高速公路在桥梁施工期间及成桥运营阶段对既有铁路隧道影响很小，不会对铁路的正常运营造成不利影响。

（2）施工时应加强对铁路隧道的状态观测，在隧道内和地面设置控制监测点，进行全程监控。

（3）隧道周围施工应禁止爆破作业，桩基施工应尽可能避开雨季，并采取可靠的护壁支护措施。

参考文献

[1]龚伦， 马相峰， 孔超， 等. 桥梁桩基近接既有隧道的数值模拟分析[J]. 铁道标准设计， 2018（12）： 125-130.

[2]熊刚， 黄思勇， 项敬辉. 隧道近接施工对既有桩基影响的研究进展[J]. 铁道建筑， 2011（7）： 72-74.

[3]赵旭峰， 王春苗， 孙景林， 等. 盾构近接隧道施工力学行为分析[J]. 岩土力学， 2007（2）： 409-414.

[4]闵亚芝. 高速公路桥墩桩基施工对既有隧道力学行为研究及稳定性分析[J]. 科技创新与应用， 2023（6）： 97-99+103.