新建斜井上跨既有鐵路隧道的設計與應用

王漢晨

（中鐵第六勘察設計院集團有限公司隧道設計分公司，天津300000）

1 引言

隨著我國鐵路的快速發展，越來越多與鐵路營業線存在立體交叉的工程難題擺在建設者面前，其中尤以隧道處理難度高。究其原因，一方面是由于鐵路運營線路意義重大，改造前后均不得中斷行車；另一方面是由于隧道工程其本身的特殊性，作業空間嚴重受限，既有線路支護條件難以改變，而交叉段施工會造成襯砌背后圍巖應力的重新分布和地下水環境的改變，繼而影響營業線隧道的安全運營。

2 工程地質背景

營業線隧道位于山西省境內，隧道左右線間距30m，隧道最大埋深約550m，隧道斷面設計采用“隧限-2A”。隧址區是構造侵蝕剝蝕基巖山區地貌，新建斜井位于營業線隧道上方，斜井按雙車道設計，斜井斷面尺寸為7.6m 高、10m 寬，斜井仰拱與隧道拱頂凈距最小僅有8m，小于1 倍洞徑。

3 上跨正線段斜井主要設計參數

拱部φ42mm 超前小導管，L=3.5m，間距40cm；邊墻φ22mm 砂漿錨桿，L=3m，間距1.0m×1.0m；全環25cm 厚C25噴射混凝土，全環I18 型鋼鋼架，間距0.75m/榀；全環40cm 厚C40 鋼筋混凝土；路面鋪設I40a 型鋼鋼便梁。

4 計算分析

4.1 計算模型及實際工況模擬

計算采用MIDAS-GTSNX 軟件建立模型。土體采用實體單元模擬，初支和二襯采用殼單元模擬，錨桿采用“嵌入式桁架”單元模擬。新建斜井覆土約200m 屬于深埋隧道，為簡化模，取左右各30m 寬度，豎向高度各取50m，模型底部固定約束，兩側施加豎直滑動約束，表面取為自由邊界，模型如圖1、圖2 所示。

圖1 三維數值模型

通過GTS-NX“鈍化”功能鈍化斜井部分巖體來實現模擬斜井開挖，巖體及被跨越正洞雙線“激活”功能形成初始應力場，通過分布實現斜井的開挖和支護完成對實際工況的模擬，其中計算荷載主要為結構和巖體的自重。計算選取參數詳見表1。

圖2 立體交叉關系三維模型

表1 主要物理力學參數表

4.2 計算云圖及結論

豎向變形云圖、應力云圖分別如圖3、圖4 所示。

圖3 隧道完成開挖后豎向變形云圖

圖4 隧道開挖應力云圖

由分析可知，既有營業線受上跨隧道施工影響產生的最大豎向位移位于隧道拱頂，位移值為1.56mm，最大位移處最大主應力為426kN/m2，軸力為182kN。

4.3 施工監測驗證

如圖5 所示為營業線隧道位移變化監測值。

分析監測結果可知，斜井在開挖過程中變形及應力較三維數值模擬趨勢相符，拱頂最大沉降為10.75mm，較三維數值模擬結果偏大，因此，在實際施工過程中還應考慮臨時過渡方案，本工程在完成開挖后，采用鋼便梁將作用在斜井底部的活載轉換到正線隧道以外部分。

圖5 營業線隧道位移變化監測值

4.4 鋼便梁計算分析

依照JTG D64—2015《公路鋼結構橋梁設計規范》【1】，臨時工程Q235B 鋼材的容許應力取值：彎曲應力及組合應力203MPa，剪應力119MPa。臨時工程16Mn 鋼材的容許應力取值：彎應力及綜合應力294MPa，剪應力168MPa。根據JTG D60—2015《公路橋涵設計通用規范》【2】，對于橋梁細部構件驗算，主要采用車輛荷載，車輛荷載根據實際情況，取實際運營車輛。

4.4.1 鋼便梁荷載分析

本橋梁上主要活載為35t 渣土車及8m3混凝土運輸車。

4.4.2 鋼便梁工況分析

主鋼便梁結構計算時，混凝土罐車行走至跨中情況的最不利工況考慮，采用midas civil 2017 進行鋼便梁模型的建立計算，縱向工字鋼主梁采用梁單元，橋面鋼板采用板單元，橋面板與縱梁采用剛性連接來模擬焊接連接形式，縱梁與橋臺支撐采用一般支承形式。

1）變形計算

最大豎向變形為δmax=12.38mm＜L/400=7.5/400=18.75mm，滿足要求。

2）鋼便梁主梁

鋼便梁主梁采用I40a 工字鋼。

縱向主梁最大組合應力σmax=182.55MPa＜205MPa，滿足要求。

縱向主梁剪切應力σmax=41.86MPa＜120MPa，滿足要求。

經計算，鋼便梁能滿足施工需求，同時，為避免車輛荷載傳遞至既有線拱頂，鋼便梁底部除橋臺位置下部脫空。

5 結語

通過三維數值模擬及實際工程驗證表明，小凈距（8m）硬巖隧道上跨既有營業線鐵路隧道的開挖和支護產生的變形是可控的。通過現場監測與三維數值模擬對比可見，三維模擬計算變形結果較現場監測數值趨勢一致，但總體變形相對較小，實際施工中還應當密切關注變形量測，為安全施工提供指導，當發生突變位移時應立即停止施工，程度較重時應立即封鎖下側運營線路。工程考慮實際變形較三維數值模擬結果偏大及后期斜井安全使用等因素，在實際施工中對上跨區段采用了鋼便梁，成功轉換了荷載的傳遞，有效控制了小凈距上跨隧道施工對營業線的影響。