上跨既有鐵路隧道公路橋梁工程施工對隧道結構安全的影響因素分析

孫志濤

(1.中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西 西安 710043；2.陜西省鐵道及地下交通工程重點實驗室（中鐵一院），陜西 西安 710043)

0 引言

隨著公路、鐵路網的日益完善，交通基礎設施建設中不可避免地會形成公鐵立交。對于公鐵立交應該采取何種型式及技術要求，相關法律、法規及規范給出了一定要求，但是對于具體的公鐵立交項目在方案研究及施工過程中仍需進行嚴謹的立交評估工作[1-4]。本文對鐵路隧道先行、公路橋梁后建的公鐵立交工程建設主要技術要求和風險源進行闡述，并以某公路橋梁上跨鐵路隧道為例，分析公路橋梁上跨施工過程對既有隧道結構安全性的影響。

1 工程概況

某公路橋梁上跨既有鐵路隧道立交工程的公路橋梁與鐵路隧道位置關系如圖1、圖2所示，立交里程分別為K1+562.59（=蘭合鐵路左線DK24+877.35）、K1+618.98（=蘭合鐵路右線DYK24+882.90），交角為分別為78.6°、76.7°。立交處左、右線隧道埋深分別約72.2m、50.8m，地層主要巖性為砂巖夾礫巖。

圖1 公路橋梁與鐵路隧道平面位置關系

圖2 公路橋梁與鐵路隧道立面關系

2 上跨鐵路隧道公路橋梁工程建設的主要風險源

對于鐵路隧道先行、公路橋梁后建的公鐵立交工程，需從設計階段、施工期間、運營期間等階段分析新建工程對既有工程影響，通過定性、定量的方法分析危險源是否在可接受范圍。

2.1 設計階段主要危險源、危險因素

（1）既有設施調查不充分；

（2）交叉角度不滿足要求；

（3）橋下凈空及凈寬不滿足規范要求；

（4）公路與鐵路橋墩或基礎安全距離不滿足要求；

（5）不符合現行公路及市政相關法律法規要求；

（6）不符合公路運營、管理部門的要求。

2.2 施工期間主要危險源、危險因素

（1）未與產權單位簽訂安全協議；地下設施、管線、光纜和電纜等未調查、探查；未提前通知管理單位派人監督或者監護人員未到場即動工開挖；附屬設施未查清用途，在用的情況下就拆除；拆除既有設施未制定拆除施工專項技術或者方案不當、未按照方案實施。

（2）基坑周邊未設置防護欄桿、基坑邊坡不穩定、基坑頂周邊未壓載控制；地表水未截流或者導流。

（3）影響既有運營工程的安全施工未獲許可。

（4）施工期抽取地下水可引起地層松動、沉降。

（5）邊坡地層巖性較差或地形高陡時，不當的施工可造成邊坡垮塌，增加隧道附加堆載。

（6）場地受地形限制，開挖邊坡匯水或橋梁集中排水流入隧道洞身范圍，增加隧道滲漏風險。

（7）設備和材料選擇的不合理，使用過程中的磨損、檢修、養護以及不合理存放。

（8）施工機具、材料、棄渣在靠近既有鐵路隧道洞身范圍集中停放、堆載。

2.3 運營期間主要危險源、危險因素

（1）鐵路落物對公路的影響；

（2）公路行駛車輛對橋墩及橋梁的碰撞；

（3）鐵路運行期間發生脫軌、相撞等意外事故；

（4）不可抗拒因素。

3 公路橋梁上跨鐵路隧道施工安全控制標準

針對公鐵立交工程，相關法律、法規及行業規范對平面線位、相對空間位置關系進行了約束，公鐵立交相關法律法規及其他依據文件如表1所示[5]。

表1 公鐵立交相關法律法規及其他依據文件

3.1 變形控制標準

《鄰近鐵路營業線施工安全監測技術規程》（TB 10314-2021）[6]中規定，200km/h 客貨共線鐵路變形控制標準參照高速鐵路部分執行，因此本工程鐵路變形控制標準具體如表2、表3所示。

表2 隧道位移變形監測預警值、報警值和控制值

表3 軌道位移變形監測預警值、報警值和控制值

3.2 應力控制標準

參考《鐵路隧道設計規范》（TB 10003-2016）[7]6.2條，襯砌混凝土的抗壓強度按照容許應力取值，初期支護噴射混凝土強度按照設計強度取值，應力控制標準如表4所示。

表4 隧道結構強度容許應力

4 公路橋梁上跨鐵路隧道數值計算分析

為分析公路橋梁公路施工對下穿鐵路隧道的影響，采用三維地層-結構法模擬分析大橋施工對鐵路隧道結構、軌道變形的影響。

4.1 施工工序、荷載及物理力學參數

考慮與公路橋梁交叉段的鐵路隧道尚未掘進施工，為保證鐵路隧道施工期及運營期安全，考慮按如下工序進行簡化模擬：①初始應力場計算→②左線隧道開挖及支護→右線隧道開挖及支護→③～⑧邊坡第一至八級開挖并防護→開挖承臺→跳槽鉆挖3#樁基及澆筑→跳槽鉆挖4#樁基及澆筑→澆筑3、4#墩承臺→跳槽鉆挖2#樁基及澆筑→施加上部結構荷載→施加運營荷載。物理力學參數及主要荷載如表5、表6所示。

表5 地層物理力學參數

表6 鉆孔樁頂主要荷載

4.2 建立模型及計算分析

采用修正摩爾-庫倫本構模型[8-11]、結構單元采用彈性本構模型，為保證模型有足夠計算精度并盡量減少計算工作量，本次分析按圣維南原理對計算范圍進行了一定限制，計算模型尺寸為橫向×縱向×豎向=185m×100m×185m。所建立的三維模型如圖3所示。

圖3 三維有限元模型

通過計算模擬得到橋梁施工期間邊坡開挖對隧道影響最大，邊坡開挖結束時，隧道結構產生的最大主壓應力為10.2MPa，最大主拉應力為5.57MPa。隧道產生的最大豎向位移為1.81mm，最大水平位移為0.699mm。鉆孔施工對既有隧道結構影響較小，隧道位移及應力數值變化微小，樁基開挖對既有隧道影響較小[12-15]。

橋梁施工期間上部結構荷載加載后隧道初期支護結構產生的最大主壓應力為10.1MPa，最大主拉應力為5.56MPa。隧道產生的最大豎向位移為1.85mm，最大水平位移為0.702mm。最終施工步下隧道初期支護結構應力云圖及位移云圖如圖4～圖8所示。

圖4 施作橋梁上部結構后初期支護主應力及結構位移

圖5 各施工步隧道初期支護最大主壓應力變化曲線

圖6 各施工步隧道初期支護最大主拉應力變化曲線

圖7 各施工步隧道初期支護最大豎向附加位移UZ變化曲線

圖8 各施工步初期支護最大水平附加位移UX變化曲線

計算模擬橋梁運營期間隧道二次襯砌應力、位移及道床位移情況如圖9所示，可見隧道二次襯砌產生的最大最大主壓應力、主拉應力分別為0.0521MPa、0.083MPa，受公路運營影響輕微。公路運營后，二次襯砌豎向最大附加位移為0.0613mm、水平最大附加位移為0.0068mm，均遠小于規范控制（5mm），滿足規范要求。道床豎向最大附加位移為0.0532mm、水平最大附加位移為0.00595mm，均遠小于規范控制（2mm），滿足規范要求。

圖9 運營后引起二次襯砌應力、位移及道床位移情況

5 結束語

綜上所述，本課題結論如下：

（1）對于公鐵立交工程，采取公路橋梁上跨既有鐵路隧道的設計方案滿足相關規范、規定要求，設計方案總體可行，該類立交方式影響較小，公路橋施工及運營對鐵路影響可控。

（2）對于鐵路隧道先行、公路橋梁后建的公鐵立交工程，需從設計階段、施工期間、運營期間等階段分析新建工程對既有工程影響。

（3）橋梁施工期間邊坡開挖工序對既有隧道影響最大，主要原因為卸荷加載對地下結構影響較大。樁基施工、樁基荷載的施加對于鐵路隧道結構安全性影響較小。