新建公路隧道上跨既有鐵路隧道的安全性評價

趙法亮

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司 北京市 102600)

隨著我國基礎交通設施不斷發展，公路、鐵路、城市等隧道越來越多的建設和運營，受地形、地質、周邊建筑等多種因素影響，不可避免地出現許多上下交叉隧道形式的工程，這些工程相互之間存在不同程度的不利影響。劉明高等[1]通過實際監控量測數據，研究了市政隧道上跨既有鐵路隧道設計和施工采用的原則、方法與對策。熊文亮[2]研究了既有鐵路隧道的襯砌結構安全檢算的依據和方法。張麗娟[3]探討了新建公路隧道上跨施工中施工技術及管理思路。張勤等[4]研究了路基排水施工對高速公路隧道結構安全的影響，針對性地提出施工和運營過程中的安全保障措施。以實際工程為依托，研究新建公路隧道上跨既有鐵路隧道的安全影響。

1 工程概況

新建蘭永臨高速柳泉隧道為分離式公路特長隧道，全長4956m，雙向四車道，設計時速80km/h。柳泉隧道與東坪村隧道平面關系見圖1。既有蘭新客專東坪村隧道位于甘肅省蘭州市西固區境內，單洞雙線隧道，全長2088m，設計時速350km/h，線路采用無砟軌道，無縫鋼軌。

圖1 柳泉隧道與東坪村隧道平面關系圖

新建柳泉隧道于AZK6+129.23、AYK6+079處連續兩次上跨既有運營蘭新客專東坪村隧道，左右線與東坪村隧道平面交叉交角分別為45°、48°，與蘭新客專東坪村隧道豎向距離分別為47.3m、45.3m。

圖2 柳泉隧道與蘭新客專東坪村隧道剖面關系圖

2 控制標準

上跨施工過程中對既有鐵路隧道的控制主要是結構變形和內力兩方面。其中內力控制主要是驗算隧道斷面關鍵位置處的安全系數，結構變形主要是隧道自身的襯砌結構、隧洞內鋼軌的變形。上跨施工引起的變形量和內力值都要嚴格限制在允許范圍內，避免對既有隧道的結構和運營安全造成危害。

2.1 襯砌變形控制標準

襯砌作為隧道最主要承受荷載的結構，上跨施工中必須減少擾動，嚴格控制變形量在允許的范圍內，變形一旦超限制可能會引起結構變形開裂、掉塊、滲水，影響既有隧道的安全，甚至中斷列車的正常營運。根據《鄰近鐵路營業線施工安全監測技術規程》(TB 10314—2021，J 2906—2021)規定，高速鐵路隧道位移變形監測預警值、報警值和控制值標準見表1。

表1 高速鐵路隧道位移變形監測預警值、報警值和控制值 mm

新建高速公路隧道上跨開挖施工過程中，隨著巖體不斷開挖，既有高鐵隧道上方所受荷載也減小，襯砌結構將產生豎向位移，這里采用5mm作為控制標準來進行襯砌變形控制。

2.2 鐵路軌道控制標準

既有鐵路隧道內鋼軌在復雜的受力條件下工作，會出現高低、水平、扭曲、軌向等各類不平順，會使得輪軌動力作用增強，從而導致輪軌系統劇烈振動，降低了列車行駛的穩定性，嚴重時會引發脫軌事故。

根據《鄰近鐵路營業線施工安全監測技術規程》(TB 10314—2021，J 2906—2021)規定，高速鐵路軌道位移變形監測預警值、報警值和控制值見表2。

表2 高速鐵路軌道位移變形監測預警值、報警值和控制值 mm

本次采用軌道豎向、水平位移2mm作為控制標準來進行襯砌變形控制。

3 隧道結構及軌道安全性評價

3.1 分析方法

根據新建隧道和既有隧道相對位置關系，建立三維有限元模型來分析上跨施工對既有隧道帶來的一系列影響，三維數值模型見圖3。在滿足邊界效應及兩隧道交叉段落范圍的前提下，三維模型的左右長度為200m；前后長度為280m；下邊界至既有隧道底板以下50m，由于為上跨公路隧道埋深很大，上邊界至新建公路隧道塌落拱以上10m，共130m。

圖3 三維數值模型圖

3.2 基本參數的選取

采用的物理力學參數見表3。

表3 主要物理力學參數

3.3 分析結果

(1)既有鐵路隧道襯砌變形分析

從位移云圖(圖4)可知，既有鐵路隧道最大豎向位移出現在兩隧道交叉斷面處，為拱頂隆起變形，最大值為0.7mm，小于襯砌變形控制標準5mm。

圖4 既有鐵路隧道襯砌變形云圖

(2)隧道結構安全系數檢算

在新建公路隧道開挖作用下，既有鐵路隧道襯砌的內力結果如圖5所示。

圖5 既有鐵路隧道襯砌結構內力分布圖

由于兩隧道交叉位置處的既有隧道襯砌內力最大，僅需對交叉位置處斷面進行安全檢算。根據《鐵路隧道設計規范》中“8.5襯砌計算”相關規定，驗算既有鐵路隧道襯砌斷面中拱頂、拱腳、仰拱3處特征位置的安全系數，由于篇幅有限，僅給出新建公路右線交叉斷面處驗算結果，如表4。

表4 與新建隧道右線交叉斷面襯砌結構受力及安全系數檢算表

由表4中計算結果可知，既有鐵路隧道拱頂、拱腳、仰拱位置處安全系數均滿足規范要求，新建公路上跨施工對既有鐵路隧道影響有限，不會危害襯砌結構的安全。

(3)軌道變形分析

施工期既有鐵路隧道軌道的位移圖見圖6、圖7所示(x、y、z方向正值代表變形與x、y、z軸正值一致)。

圖6 鐵路左線軌道位移云圖

圖7 鐵路右線軌道位移云圖

由以上數據可知，軌道變形整體較小，且左、右線左右軌道變形趨勢基本一致，軌道豎向位移和水平位移最大值出現在鐵路左線軌道上，豎向位移最大值為0.53mm，水平位移最大值為0.14mm，均小于2mm的控制標準。

上述計算結果均小于控制值(水平、高低5mm，軌向4mm)，不影響軌道的安全狀態。

4 結論

新建公路左線隧道AZK6+085.95～AZK6+172.51段共86.56m、右線隧道AYK6+030.54～AZK6+121.46段共90.92m位于影響范圍內，公路隧道設計采取了相應的加強處理措施，可以保證新建公路隧道上跨施工及既有鐵路隧道的安全：

(1)新建公路隧道的開挖使得既有鐵路隧道在拱頂處發生隆起變形，最大變形值僅為0.7mm，遠遠小于5mm的控制標準，襯砌結構是安全的。

(2)既有鐵路施工期軌道最大變形值豎向為0.35mm、水平方向為0.03mm，均遠遠小于2mm的控制標準。因此，新建公路隧道的開挖不會對既有鐵路隧道內軌道產生不良影響。

(3)新建公路上跨施工對既有鐵路隧道影響有限，未形成拉裂、壓裂破壞，既有隧道拱頂、拱腳、仰拱等處安全系數遠大于規范規定，襯砌結構安全。