新建公路路基上跨既有鐵路隧道安全性評(píng)估

王志杰 ， 陳鐵衛(wèi)

(西南交通大學(xué), 四川成都 610031)

交通線路在修建過(guò)程中，新建線路受地形地勢(shì)、水文地質(zhì)等因素的限制，兩條線路在同一地區(qū)內(nèi)不同高度位置相互穿越的情況日益增多[1]。新建線路穿越既有線路時(shí)以穿越的方式居多，上跨方式相對(duì)較少，其中新建公路以路基形式上跨既有鐵路隧道的研究更少。新建公路施工與運(yùn)營(yíng)過(guò)程中會(huì)擾動(dòng)其周圍的土體，將不可避免地將引起土層的變形和隧道結(jié)構(gòu)的附加內(nèi)力[2]，嚴(yán)重情況下當(dāng)隧道結(jié)構(gòu)變形超過(guò)設(shè)計(jì)承受極限時(shí)，會(huì)直接導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的損壞，影響行車安全。因此在這種情況下，準(zhǔn)確快速的評(píng)估既有鐵路隧道的安全性具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

目前，國(guó)內(nèi)學(xué)者在安全評(píng)估隧道近距離穿越方面進(jìn)行了許多相關(guān)的研究，張健[3]通過(guò)數(shù)值模擬研究了新建鐵路以路基方式上跨既有隧道，運(yùn)營(yíng)期間列車靜載作用下隧道結(jié)構(gòu)的安全性及位移的穩(wěn)定性。晏啟祥[4]采用地質(zhì)雷達(dá)對(duì)隧道襯砌后空洞病害進(jìn)行了檢測(cè)，利用有限元分析的結(jié)果對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行了整體強(qiáng)度檢算，進(jìn)而整體評(píng)估隧道的安全性。丁祥[5]采用數(shù)值模擬法和經(jīng)驗(yàn)計(jì)算法對(duì)既有鐵路隧道受上跨路基爆破施工產(chǎn)生的振動(dòng)影響進(jìn)行了分析。學(xué)者[6-8]建立隧道結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算模型，計(jì)算了既有隧道在路基上跨情況下隧道結(jié)構(gòu)的內(nèi)力值和位移值，分析了公路施工中及建成后對(duì)既有隧道結(jié)構(gòu)的安全影響，提出注意事項(xiàng)和加固措施。然而，由于研究手段的局限性，目前大部分研究只能通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)既有隧道的安全性進(jìn)行分析，尚無(wú)數(shù)值模擬結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，進(jìn)而綜合評(píng)估既有隧道的安全性研究[9]。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文依托于四川巴中—坦溪公路改建工程與廣達(dá)鐵路交叉段專項(xiàng)評(píng)估實(shí)例，借助有限元軟件，探究新建公路路基上跨既有鐵路隧道的安全性影響，同時(shí)以隧道襯砌凈空檢測(cè)、襯砌強(qiáng)度檢測(cè)、襯砌裂縫及滲漏水調(diào)查、仰拱厚度檢測(cè)、襯砌厚度及背后空洞檢測(cè)為依據(jù)，結(jié)合數(shù)值模擬分析結(jié)果，綜合評(píng)估新建公路路基上跨既有隧道的安全性，為今后類似工程的安全性評(píng)估提供借鑒參考。

1 工程概況

S409線全線按雙車道二級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，從四川巴中至蘭草，設(shè)計(jì)速度40 km/h，路基寬度為8.5 m，橋涵汽車荷載標(biāo)準(zhǔn)采用公路-Ⅰ級(jí)，其余指標(biāo)均按現(xiàn)行頒布JTG B01-2014《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》及有關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范執(zhí)行。廣達(dá)鐵路為國(guó)鐵Ⅰ級(jí)，單線，旅客列車設(shè)計(jì)行車速度160 km/h。

S409線巴中-蘭草段上跨廣達(dá)鐵路大灣隧道交叉處樁號(hào)K8+244(設(shè)計(jì)高程407.90 m)，對(duì)應(yīng)廣達(dá)鐵路大灣樁號(hào)為K186+011(設(shè)計(jì)高程390.38 m)，S409線與廣達(dá)鐵路大灣隧道斜交，角度為22.2 °,斜交處路基面距離拱頂16.52 m(圖1)。

圖1 S409線與大灣隧道交叉斷面(單位:m)

1.1 地質(zhì)概況

S409線巴中-蘭草段上跨大灣隧道區(qū)段下伏白堊系下統(tǒng)蒼溪組(K1c)，巖性為淺灰、灰紫色塊狀中細(xì)粒長(zhǎng)石砂巖、巖屑長(zhǎng)石砂巖夾棕色泥巖和粉砂巖，力學(xué)性能較差，完整性變化較大，節(jié)理裂隙發(fā)育，且?guī)r體較破碎。公路路基上跨隧道段的圍巖以Ⅴ級(jí)為主，具體圍巖參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 圍巖參數(shù)

1.2 斷面尺寸

該隧道為單線鐵路隧道，總長(zhǎng)710 m，開(kāi)挖斷面凈高為9.98 m，最大開(kāi)挖跨度為8.34 m，隧道開(kāi)挖輪廓的斷面形狀、幾何尺寸如圖2所示。

圖2 開(kāi)挖斷面(單位：m)

2 數(shù)值模擬

2.1 計(jì)算模型

計(jì)算采用FLAC3D有限元分析軟件，采用彈塑性本構(gòu)模型。一般來(lái)說(shuō)，隧道開(kāi)挖對(duì)圍巖影響范圍距隧道中心約3倍距離，故確定本次計(jì)算模型的邊界：左側(cè)邊界至隧道中線30 m，右側(cè)邊界至隧道中線30 m，下側(cè)邊界至隧道底部30 m，上邊界為隧道實(shí)際埋深16.5 m。隧道左右有水平約束，下部有垂直約束，前后面均有垂直其面約束，地表為自由邊界，計(jì)算中用實(shí)體單元模擬圍巖、襯砌(圖3)。

圖3 模型示意

在研究過(guò)程中，為簡(jiǎn)化計(jì)算，對(duì)模型采用了如下假設(shè)：

(1)圍巖視為均質(zhì)單一的地層，認(rèn)為圍巖為各項(xiàng)同性的彈塑性材料；

(2)初期支護(hù)與圍巖嚴(yán)格密貼，二者共同承載，共同變形；

(3)忽略了地下水滲流可能帶來(lái)的荷載；

(4)初期支護(hù)中鋼拱架與包裹在鋼拱架四周的混凝土粘結(jié)良好，共同承載及變形。

2.2 計(jì)算工況

隧道及路基施工過(guò)程模擬如下：

①隧道開(kāi)挖→②隧道初期支護(hù)→③隧道施作二次襯砌→④隧道上方路基開(kāi)挖卸載→⑤路基上施加人行荷載及汽車荷載作用。

為正確評(píng)估新建公路路基上跨大灣隧道結(jié)構(gòu)的安全性，重點(diǎn)分析二襯施作完成、路基開(kāi)挖卸載、人行荷載及汽車荷載作用下襯砌安全系數(shù)的變化規(guī)律，得出路基修建對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)的影響，為實(shí)際工程提供參考。

2.3 模型參數(shù)

依據(jù)計(jì)算假設(shè)，并參考JTGD70/2-2014《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[10]，計(jì)算模型中的支護(hù)參數(shù)的選取見(jiàn)表2。

表2 支護(hù)參數(shù)

2.4 安全系數(shù)的計(jì)算

依據(jù)TB 10003-2005《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》，按混凝土偏心受壓構(gòu)件的破壞階段進(jìn)行襯砌抗壓(抗拉)強(qiáng)度的驗(yàn)算。將安全系數(shù)K(極限承載力Nl與數(shù)值計(jì)算所得的內(nèi)力Nj之比)與規(guī)范中要求的安全系數(shù)kg進(jìn)行比較，見(jiàn)公式1。

Nl/Nj=K≥Kg

(1)

在隧道結(jié)構(gòu)上選取拱頂、左拱腰、右拱腰、左邊墻、右邊墻、左墻腳、右墻腳、仰拱作為典型截面，提取計(jì)算中典型截面的彎矩、軸力，然后再依據(jù)公式計(jì)算安全系數(shù)(圖4)。

圖4 隧道典型斷面

3 結(jié)果分析

3.1 應(yīng)力分析

由圖5、表3可以看出：既有隧道隧道圍巖應(yīng)力主要集中在隧道左右墻腳處，在隧道二襯施工完成時(shí)，最大主應(yīng)力出現(xiàn)在隧道右墻腳，其值為0.14 MPa，最小主應(yīng)力量值為-2.92 MPa；路基開(kāi)挖卸載時(shí)，最大主應(yīng)力出現(xiàn)在隧道右墻腳，其值為0.13 MPa，最小主應(yīng)力量值為-2.80 MPa；在人行荷載及汽車荷載作用下，最大主應(yīng)力依舊出現(xiàn)在隧道右墻腳，其值為0.16 MPa，最小主應(yīng)力量值為-2.98 MPa。三種不同工況下，隧道二襯強(qiáng)度均滿足混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)規(guī)范。

(a)第一主應(yīng)力

(b)第三主應(yīng)力

表3 主應(yīng)力數(shù)值 MPa

墻腳作為應(yīng)力集中的部位，隧道的破壞容易從墻腳開(kāi)始，因此在上跨路基的施工過(guò)程中，應(yīng)時(shí)刻關(guān)注墻腳的襯砌安全，必要時(shí)建議對(duì)墻腳采取加固措施，提高墻腳的穩(wěn)定性，以確保路基安全上跨既有隧道。

3.2 安全系數(shù)分析

表4為不同工況下大灣隧道二襯的安全系數(shù)，由表可知：(1)大灣隧道襯砌結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)在路基開(kāi)挖卸載后，典型部位的安全系數(shù)均呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，后在道路荷載作用下，襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)均有所降低；(2)墻腳作為應(yīng)力集中的部位，是襯砌結(jié)構(gòu)受力的薄弱部位，其中右墻腳在路面荷載作用下安全系數(shù)最小，數(shù)值為5.04；(3)仰拱在軟弱圍巖(Ⅴ級(jí)圍巖)中時(shí)，作用在仰拱上的圍巖荷載增大，導(dǎo)致仰拱承受較大的彎矩，成為結(jié)構(gòu)受力的不利位置；(4)大灣隧道襯砌的安全系數(shù)均大于TB 10003-2005《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》的限值2.4，說(shuō)明大灣隧道在新建路基上跨的情況下，襯砌結(jié)構(gòu)在路面荷載作用下是安全的。

4 現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證

為進(jìn)一步驗(yàn)證S409線在上跨大灣隧道施工期間及道路運(yùn)行后的鐵路運(yùn)營(yíng)安全，根據(jù)本項(xiàng)目的實(shí)際情況，針對(duì)大灣隧道交叉段進(jìn)行隧道襯砌厚度及背后空洞檢測(cè)、襯砌強(qiáng)度檢測(cè)、襯砌凈空檢測(cè)、仰拱厚度檢測(cè)、襯砌裂縫及滲漏水調(diào)查，檢測(cè)結(jié)果如下。

4.1 厚度及背后空洞檢測(cè)

在大灣隧道交叉段前后50 m范圍，采用SIR-3000地質(zhì)雷達(dá)對(duì)大灣隧道的拱頂、左邊墻、右邊墻、左墻腰、右墻腰5條測(cè)線做了二襯厚度及背后空洞檢測(cè)，讀取數(shù)據(jù)得襯砌厚度平均值為52 cm，大于設(shè)計(jì)值50 cm，未發(fā)現(xiàn)不密實(shí)和空洞現(xiàn)象(圖6)。

表4 大灣隧道二襯安全系數(shù)分析

圖6 地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)

4.2 強(qiáng)度檢測(cè)

如圖7所示，在大灣隧道左右邊墻處鉆取直徑10 cm、高度10 cm的圓柱，打磨平整后采用壓力機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，強(qiáng)度測(cè)試值為35.4 MPa，隧道設(shè)計(jì)采用C30耐腐蝕混凝土，襯砌強(qiáng)度滿足既有隧道的設(shè)計(jì)要求。

圖7 邊墻取芯

4.3 凈空檢測(cè)

采用國(guó)產(chǎn)BJSD-2型隧道限界檢測(cè)儀開(kāi)展襯砌凈空檢測(cè)，每10 m布置一個(gè)檢測(cè)斷面，共檢測(cè)10個(gè)斷面，對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，給出了檢測(cè)測(cè)點(diǎn)數(shù)、實(shí)測(cè)面積、侵界面積、檢測(cè)斷面最大侵限厚度，結(jié)果表明隧道凈空尺寸未見(jiàn)侵入設(shè)計(jì)限界，滿足既有隧道的凈空設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

4.4 仰拱厚度檢測(cè)

采用取芯機(jī)對(duì)基底進(jìn)行鉆探，為確保每個(gè)鉆孔已經(jīng)鉆透基底，現(xiàn)場(chǎng)采用人工觸探對(duì)每個(gè)鉆孔進(jìn)行檢查，結(jié)果表明隧道仰拱加填充層厚度在153～170 cm，V級(jí)復(fù)合襯砌的2個(gè)鉆孔芯樣滿足設(shè)計(jì)要求，拱填充層密實(shí)，仰拱下方密實(shí)(圖8)。

圖8 仰拱取芯

4.5 襯砌裂縫及滲漏水調(diào)查

在隧道內(nèi)對(duì)襯砌的變形和破損、裂縫及滲漏水位置沿隧道洞身里程采用人工目測(cè)分格素描的方法進(jìn)行檢查，記錄裂縫的情況，檢測(cè)中未發(fā)現(xiàn)襯砌裂縫。

綜上，通過(guò)對(duì)襯砌厚度、背后空洞、滲漏水、裂縫、凈空、基床等檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行綜合評(píng)級(jí)，新建公路路基上跨大灣隧道交叉段襯砌安全等級(jí)評(píng)定為安全，對(duì)行車安全無(wú)影響。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文采用FLAC3D有限元軟件對(duì)新建公路路基上跨既有鐵路隧道進(jìn)行了數(shù)值模擬，同時(shí)以隧道現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果作為驗(yàn)證，綜合評(píng)估了新建公路路基上跨既有隧道的安全性，研究結(jié)果表明：

(1)襯砌結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)在路基開(kāi)挖卸載后，典型部位的安全系數(shù)均呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，后在道路荷載作用下，襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)均有所降低。

(2)墻腳作為應(yīng)力集中的部位，是襯砌結(jié)構(gòu)受力的薄弱部位；仰拱在軟弱圍巖中時(shí)，作用在仰拱上的圍巖荷載增大，導(dǎo)致仰拱承受較大的彎矩，容易成為結(jié)構(gòu)受力的不利位置。

(3)大灣隧道襯砌結(jié)構(gòu)在新建公路路基上跨的情況下是安全的，總體滿足了設(shè)計(jì)要求。