新建公路桥梁跨越现有铁路隧道设计方案评估

新建公路桥梁跨越现有铁路隧道设计方案评估　王轶，杨振祥　赣州３４１０００）　（江西省赣南公路勘察设计院，江西摘要：新建公路桥梁如果跨越既有铁路隧道修建时，势必会对既有隧道造成安全影响，因此要　对设计方案进行安全评估。本文通过有限元软件ＭＩＤＡＳ／ＧＴＳ，以定南高速公路联络线龙形高架一　桥新建桥梁为工程实例，对新建公路桥梁跨越现有铁路隧道时对隧道造成的影响进行了详细的　分析，并依据计算结果提出了相应的安全防护措施。结果显示：路堑开挖引起的轨道隆起值在临　时补修的控制范围之内；桩基施工本身对隧道影响极其微小，桩基开挖不会引起隧道结构的变　形：路基段车辆荷载对隧道基本没有影响。　关键词：桥梁工程；隧道工程；ＭＩＤＡＳ／ＧＴＳ；安全评估　０前言　筒钻机组合施工工艺；张建［６］分析了新建隧道正交　下穿施工影响安全的主要因素，并且提出了预防既　有隧道应力变化的措施，为类似的交叉隧道施工的　风险评估和安全管理提供经验和技术参考。　随着经济的快速发展，我国的公路桥梁工程也　越来越多。在这些公路桥梁工程中，存在着许多新　建桥梁跨越既有结构物的工程，这些既有建筑物可　能是公路、桥梁或隧道。其中，新建公路桥梁跨越既　有隧道的工程是最复杂也是最危险的工程。当在隧　基于此，本文以定南高速公路联络线龙形高架　一桥为工程实例．通过有限元软件ＭＩＤＡＳ／ＧＴＳ，研　道上部修建桥梁时，隧道上部土方开挖量较大，大　量的土方卸载使隧道覆盖层变薄。改变了隧道的受　力状态．开挖后边坡与隧道产生相互作用，可能因　此造成隧道主体结构上浮．对既有隧道的安全运营　究了新建公路桥梁跨越现有铁路隧道时对隧道造　成的影响，并依据计算结果提出了相应的安全防护　措施，为类似工程提供经验和参考。　１工程地质概况　１．１　工程概况　造成了极大的危害。因此，要对设计方案进行安全　评估，根据结果采取相应措施。　对于新建结构物跨越既有隧道的设计方案评　估，许多专家学者通过数值模拟、理论计算和现场　实测等多种手段．对新建结构物对既有隧道的影响　进行了详细的分析，并取得了一定的成果。丁翔、卢　永生、李璐等㈣通过有限元软件ＭＩＤＡＳ／ＧＴＳ，分别　研究了新建隧道、新建工程土方和路基开挖对既有　隧道结构的安全性的影响，为类似工程的修建提供　宁都至定南（赣粤界）高速公路定南联络线新　建桥梁工程Ｋ３４＋４７３．５处与京九铁路隧道立交．交　叉处高速公路桥梁为龙形高架一桥，中心桩号为　Ｋ３４＋４３３．０９１．京九铁路桩号为Ｋ２０１４＋９４３．７０８．交　角１０８．１９６。，桥长１２９ｍ。该桥上部构造采用３ｘ４０ｍ　预应力混凝土Ｔ梁，先简支后结构连续，下部构造　墩采用双柱式墩．基础均采用灌注桩基础，墩台桩　基础采用回旋钻成孔施工．京九铁路龙形隧道从第　一了可靠的参考依据：张健ｉ４］通过，运用有限差分析数　值计算软件ＦＬＡＣ　３Ｄ进行三维数值模拟分析。研究　了新建上跨铁路运营期间列车静载作用下隧道结　构的安全陛及位移的稳定性；刘侠、夏林［５］通过工程　实例，分析了桩基础穿越既有隧道所需克服的施工　跨桥孔下穿。见图１。　本桥跨越处铁路为龙形隧道（暗洞隧道），隧道　中心桩号为Ｋ２０１４＋９１８，隧道全长１４０ｍ，采用ｖ级　围岩暗洞衬砌。为了尽量减少高速公路的建设对铁　路路基的影响及满足上跨净空要求，采用桥孔布置　为右幅３ｘ４Ｏｍ、左幅３ｘ４０ｍ预应力混凝土Ｔ梁桥上　难点，并且比较了不同的施工方案，确定使用全护　作者简介：王轶（１９６６一），男，大学本科，高级工程师，主要从事公路、桥梁与隧道工程勘测设计工作。　・７　・　ｈ．．　ｒ　Ｔ　．　啪．ｊ　桥　～　篷　’　巷　强　ｌ　３　ｊ　３　～　ｆ／　Ⅲ　姒　猫Ｉ“ｌ　Ｉ簟ｉ　拼　狮　拼　３￣ＯＪＨ２　弩　４韵咖髓ｉＩ　；　辣ｉｊ　３攮磁—卜　目　・ｌ　鼻／１　／　｜　ｌ　ｌ　一　厂’　…一　亩　钵欧　谐　……一一　一　图１　龙形高架一桥与京九铁路隧道平面位置关系图　跨龙形隧道的方案，该方案桥面高程为３　１０．６６８ｍ，　梁底高程为３０７．９６８ｍ（不包括桥下净空），桥下京九　铁路交叉处的龙形隧道顶高程为２９４．４７ｍ，桥梁底　至隧道顶的净空高度为１　３．４９８ｍ，桥墩边缘距京九　铁路隧道外墙边缘的最小距离为９．８ｍ，见图２。　……一＿ｆ善…　＠　右幅　０　图２龙形高架一桥（右线）与京九铁路隧道纵断面位置关系　桥梁孔跨现布置方案为：右幅３ｘ４０ｍ、左幅３×　龙形隧道上方通过。桥墩桩基离京九铁路龙形隧道　４０ｍ预应力砼Ｔ梁（梁高２．５ｍ，铺装层厚０．２ｍ），下　部构造采用直径为１．６ｍ双柱墩、直径为１．８ｍ桩基　础，桥台采用桩柱式桥台。该桥型方案从京九铁路　・外墙边缘有较大的距离，主梁采用现场预制，架桥　机架设的施工方案，施工期间对列车运行产生影响　小。　８　・　１．２工程地质条件　（２）基岩裂隙水：／ｆ　均匀地赋存于板岩裂隙…ｔ，　１．２．１　工程地质　桥址　第四系覆盖层为坡积含　主要接受大气降水的渗入补给，其次为地下水的柑ｆ　碎石粉质黏土，多沿缓坡面分布，厚度较小，下伏基　互转换补给、第四系松散堆积物孔隙水的渗入补给　岩为震旦系坝里组、沙坝黄组（ｚｌ　ｓ—Ｚ２ｂ）板岩，地质　等．．基岩节理、裂隙　１层面是地下水的主要赋存场　纵断面如图３所示　所和运动通道　地下水的流向受地彤的控制，地形　第四系（Ｑ）。粉质黏土（Ｑ４ｄ１）：黄褐色、红褐色，　上的分水岭也是地下水的分水岭，总体流向与现代　町塑，土质不均匀，禽较多石英颗粒，韧性、干强度　水系的地表水流向基本一致，主要以渗水的形式排　中等．分布于两侧桥台山坡上　、　泄于地形低洼处．　震旦系坝里组、沙坝黄组（ＺＩ　Ｓ—Ｚ２ｂ）。强风化板　据凋查．本次未发现该类地下水出露点，故陔　岩（Ｚ１　ｓ—Ｚ２ｂ）：灰黄色，细粒变余结构，板状构造，岩　类地下水贫乏。依据《公路Ｔ程地质勘察规范》（Ｊ　ＦＧ　体破碎，岩芯以砂土状、碎块状为主，块径３－－７ｃｍ，　Ｃ２０—２０１　１）中规定，项『ｊ　环境类型属于Ⅱ类，根据　质软易碎，承载力基本容许值［ｆａｏ］＝５ｏｏ一６００ｋＰａ，摩　水样水质分析报告判定，场Ｉ）（内地表水及地下水埘　阻力标准值ｑｉｋ＝ｌ２０—１４０ｋＰａ。中风化板岩（Ｚｌ　ｓ—　混凝土结构及混凝土巾钢筋具有微腐蚀性，对钢结　Ｚ２ｂ）：青灰色，细粒变余结构，板状构造，板状劈理　构具微腐蚀性。根据勘测部门的结论，评估范　１人ｊ　发育，见变质矿物条带，岩体较破碎，岩心－－４＋＂以块状、　地下水不发育，故暂不考虑地下水对隧道影响　短柱状为主，节长一般５—１２ｃｍ、块径５—８ｃｍ。强风　强风化板岩节理裂隙发育，多呈块状、边坡＿ＪＦ　化板岩．层厚３８ｍ一４０ｍ。为桩基及隧道主要影响地　挖易产生掉块的不良地质问题，边坡上覆残坡积粉　层　该地层属于软岩地层，岩质较破碎至破碎，开挖　质黏土及全强风化层土质松散，在雨水作用下宜形　曝露后受风化影响较大。　成小规模垮塌．高路堑边坡开挖后应采取相应的支　１．２．２水文地质桥位区地表水不发育，地下水类　护措施，并综合考虑排水、栽水避免雨水冲刷影响　型主要为松散堆积层孔隙水及基岩裂隙水，勘察期　隧道。　间未量测到稳定地下水埋深。　１．３岩土与隧道结构力学参数　（１１松散层孔隙水：主要赋存于（Ｑ４ｄ１）粉质粘土　根据《两阶段施丁罔设计Ｔ程地质勘察龙形高　中，接受大气降水补给，顺地形向低洼处排泄，其透　架一桥Ｔ程地质勘察报告》进行了岩土力学参数取　水好、赋水性差．水量贫乏。　值，见表１、表２。　（１９８５圈束ｉ商程　‘１　弱　………墨　鉴　京　寰　，一　一一一／／　霎妻　茎　：：　辜：菇．．．　．．，．　。　，．　．。耋　｛　糕　Ｉ　ｊ１　１Ｚｔ４　’一　ｊ　二－一　，／二　≤　：　歹　／‘　，／　二　一／　：　／／　一　一　／　一一　／　／’　一　押１　＇Ｌ，‘　／／　，／　ｊ　二　一　绣　乏≤　：曼　墨　ｉ主　；　ｉ　≮　量　｜Ｌ—ｉｉ　■曩　图３地质纵断面示意图　・　９　・　表１　主要土层岩石力学参数　表２隧道材料参数　材料名称　岩土名称重度／ｋＮ・ｎｌ　弹性模量ＥＳ／ＧＰａ　２评估方法与内容　２．１　数值分析计算假定与模型　根据本Ｔ程的实际情况和特点，在三维有限元　分析时进行了如下假定和简化：　（１）将土层简化为水平层状分布的连续材料。　基于宏观行为．本构模型采用基于广义胡克定律的　图４隧道原始应力状态横断面网格模型　弹性模型，采用实体单元模拟土体。该模型在数值　计算中效率很高，效果很好，收敛很快，计算相对稳　定．能较好的描述材料的整体行为，在土木工程领　域内得到了广泛的应用：　（２）混凝土采用线弹性模型，衬砌单元选用壳　单元：　（３）为简化地形地面采用最不利坡面进行模拟；　（４）模型的左右边界施加水平约束，底部施加　竖向位移约束，顶面自由。根据工程经验分析，考虑　到挖方和填方土体的影响范围及尽可能简化减少　节点等因素，计算范围选取５０ｍｘ６５ｍ的土体单元。　在此区域模拟土层、隧道、桥梁桩基，通过激活钝化　表３施工步设置及控制区域　图５桥梁三维效果图　开挖区域的土体单元，衬砌单元模拟开挖及桩基施　＿Ｔ　程及其影响。整个有限元模型共４５６５个单元．　１３１３５个节点，隧道网格模型见图４，桥梁模型见图　５。　２．２评估计算工况　计算模拟施Ｔ步骤为：１．施加边界条件，模拟大　区域天然地应力场；２．开挖表层粘土；３．开挖强风化　板岩；４．施工桩基；５．桩基荷载加载结合ＭＩＤＡＳ／ＧＴＳ　软件的激活、钝化技术及网格自适应功能可有效准　确的计算具有复杂几何边界及多种介质条件下的　岩土、结构等二维力学运算，详细计算步骤见表３。　・１　０・　３评估结论　３．１　路堑开挖对隧道的影响　ＪＩ：挖表层　…ｒ【　上的卸栽下１２－ｔ　发　化　Ｊ’・定　度的　Ｉ　变肜，丧　粘土卸裁后　的川弹值约为３．１５１１ｆｉｌｌ　１，｛：挖第二层强风化　，ｉｉ．ｌＩＩ１Ｊ　，　体化移如图７所／Ｊ：，从　Ｉ　ｊＪ－以看　．¨Ｊ　体的　人变形Ｉ，ｌ弹变形发十　近ＩＩＩ顶侧，基木规　为川ｉｉ　Ｉ币　值与十　挖　战Ｉ　匕，０土仆弹性馍越成反比．　阡挖而最大回弹ｆｃｆ约为ｌ６．２４ｍｍ　当开挖至　■层　；ｘｔｌ＇ｋ．岩时．隧道ｌ｛、ｆ砌结构将发牛　定　ｌ｝的化ｆｊ；．　汁算结果如　８所，ｊ　，从　可以看ｆ　隧道结卡勾　也随着地层回掸发，ｆ　变形，最大值位于拱顶，　ｌ　０．３２　ｒＩＩＩＩ１，最／Ｊ，ｆｌ　ｆｆ　ｊ　隧ｒ－Ｆｌ￣ｌ拱位蹬．约为５．０３ｍｍ　Ｉ　此轨道位　隧道　ｌ　造成的隆起高约为６ｍｍ　久丁作业验收的ｔ　４ｎ…１控制　，等于经　ｊ　芥的　６　ｒ　Ｉｌｌ１控制值　弩虑剑地Ｊ　ＩＩｌ　产牛的隆起会　定　范　内渐变过度，ＩＩ＿＿ｆ　力‘　挖・定　度上收　鍪　道的偏　情况　０　／—、　—一一一一一　一　一—图７　第二层强风化岩开挖时的土体位移　（单位：ｍｍ）　图８第二层强风化岩开挖时隧道衬砌位移　（单位：ｍｍ）　３．２桩基施工对隧道的影响　基墩台桩坫础采川　旋钻成孔施　，　ｆｆ－分圳　为１．８ｍ、２ｍ…旋钻成孔过　｛　芬虑・定的护＾　或防塌孔措施　地埘隧道涧身的衬删的卡爱　，　确定桩塔外缘　＿ｊ－隧道二｝、『外缘最，Ｊ，Ｉｇｆ！离　９．Ｏｍ隧　道系统锚杆Ｋ度为３ｍ，桩轼外缘与隧ｍ系统　”　术端净距有６１ｌ１　一　图１　Ｏ开挖桩基时地层竖向位移　（单位：ｍｍ）　开挖桩基时地层各向位移计算值如图９和图　ｌ０所示，从图中可知，应变最大位置发生在桩孔中　心位置，并且发生在直径为２ｍ的桩身上．最大值为　２．４８ｍｍ。具体施Ｔ时应尽可能选择在旱季施工．且　禁止使用爆破计算．应采用人Ｔ钻孑Ｌ桩施工方法．　以确保桩基施Ｔ质量和隧道结构的安全性　图１　１　开挖桩基时隧道横向位移　（单位：ｍｍ）　图１２开挖桩基时隧道竖向位移　（单位：ｍｍ）　桩基施］＿时．隧道各向位移计算结果见图１１　和图１２。由图可知桩基开挖是隧道产生水平向的位　移，其最大值约为０．９ｒａｍ。基本可以认为桩基开挖　对隧道影响较弱。桩基施工及加载后会对土体产生　一个向下的挤压力．一定程度上可以抵消一部分土　体回弹产生的位移。土体会产生微弱的下沉位移。　３．３车辆行车荷载对隧道的影响　定南联络线采用公路一Ｉ级荷载标准．跨越段　跨度４０ｍ，取Ｐｋ＝２（１０＋１３０）＝３４０ｋＮ；取ｑｋ＝ｌ０．５ｋＮ／　ｍ。计算时为排除之前的施工步骤对计算分析的影　响，先对初始位移阶段性清零。对桥台路基段车辆　・１　２．　荷载进行了模拟得出应力云图如图ｌ３所示。由云　图数据可知，路基加载对隧道的影响数量级为ｌ０—　５ｒａｍ。其影响非常微小，基本可认路基段车辆荷载　对隧道基本没有影响。　图１　３车辆荷载对隧道影响云图　４安全防护措施　（１）施工过程中加强对轨道变形的监测工作。　以路堑开挖范围外扩２０ｍ为影响范围利用行车天　窗时间及时根据监测数值调整轨面高低。以减小施　工对京九线运营的影响：　（２）路堑施工时应分段开挖，不要将隧道上方　土体一次开挖到位。建议将路堑分成３－４段，逐次　施工，并利用各分段之间的施工间隙及时的调整轨　面减小对行车的影响：　（３）路堑开挖完成后应在路堑汇水影响范围内　选择合适阻水、排水方式、做好顶部的排水措施．即　要防止雨水渗入下方土体又要防止雨水在此处汇　集。建议可适当在开挖面填筑粘性土或防水材料：　（４）提高防撞护栏的安全等级，增加防抛网等　防抛设施，增加、加强防排水、告示牌、标线、减速　带、电子监控交通违章、防撞护栏反光材料等措施。　５　结语　（１）路堑开挖引起轨道隆起的最大约为６．２ｒａｍ。　大于６ｍｍ控制值，但小于临时补修的控制值。采取　信息化施工，在开挖基面的基础上左右外扩３０ｍ作　为施工监测范围。对该范围内的轨面高低变化进行　实时观测。以４ｒａｍ为调整启动值，一旦超过４ｍｍ立　即组织调整修正轨面高差保证列车正常运营：　（２）路堑施工时应严格分段分层开挖，及时施　工边坡支护及排水设施。不要将隧道上方土体一次　开挖到位。将路堑分成３－４段，逐次施工，并利用各　分段之间的施工间隙及时调整围护轨面、道床减小　对行车的影响．便于动态监测及时处理：　（３）路堑开挖完成后应在路堑汇水影响范围内　参考文献：　［１］丁翔．新建铁路隧道上跨既有铁路隧道安全评估【ＪＪ＿铁道　建筑技术，２０１６（０１）：４１—４６．　【２】卢永升．建工程土方压覆既有隧道衬砌安全性评估［Ｊ］．山　选择合适阻水、排水方式、做好顶部的排水措施，即　要防止雨水渗入下方土体又要防止雨水在此处汇　集。建议可适当在开挖面填筑粘性土或防水材料，　并补充路堑汇水计算：　（４）桩基施工对隧道影响极其微小．桩基开挖　不会引起隧道结构的变形，路基段车辆荷载对隧道　西建筑，２０１２，３８（２２）：１８６—１８８．　［３】李璐．路基开挖及运营阶段对下部既有隧道的影响分析　［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１２（￥２）：１３４—１３６．　ｆ４］张健．新建铁路路基上跨既有隧道安全性评估　公路工　程，２０１２，３７￣）：３７—３９．　基本没有影响。隧道至两侧桩基范围内岩层建议使　用人工辅助风镐开挖，禁止使用爆破技术。桩基施　工应尽可能避开雨季，并采取可靠护壁支护措施。　［５］刘侠，夏林．临近既有隧道的桩基础施工技术【ＪＪ＿市政技术，　２０１２（１）：７８－８１．　［６张建．６］新建隧道施工对既有隧道应力影响的分析【ＪＪ．铁道　建筑，２０１４（１）：３４—３６．　一一　１一　＋”—　＋“＋－＋。十一一ｌ－＋一＋－＋Ｈ＋Ｈ＋＋＋一＋・＋　＋　＋“＋一＋…＋“＋“＋“＋“＋…＋“＋　＋“＋”＋一＋一＋＊＋一＊＋一一＋”＋＋・＋－＋一＋一一＋一一＋．．＋“＋一＋・　（上接第６页）　（３）软弱围岩隧道爆破开挖控制变形的方法包　数值分析计算［Ｊ】．岩土力学，２０１０，３１（８）：２６１３—２６１８．　［６】左双英，肖明，续建科等．隧道爆破开挖围岩动力损伤效应　数值模拟［Ｊ］．岩土力学，２０１１，３２（１０）：３１７１—３１８４．　［７］肖建清，冯夏庭，林大能．爆破循环对围岩松动圈的影响ｆＪ１＿　岩石力学与工程学报，２０１０，２９（１　１）：２２４８—２２５５．　括及时支护、超前预约束柔性支撑．要根据实际情　况具体安排．避免出现支护过早或者过刚而引起围　岩破坏的现象。　参考文献：　【８】傅洪贤，赵勇，谢晋水．铁路双线隧道围岩爆破松动范围测　试分析ｌＪＪ．中国铁道科学，２０１０，３１（５）：５４—５８．　【１］宋波，李悦，单宏兰等．爆破作用对地下金属矿山围岩稳定　性的影响［Ｊ］．岩石力学与工程学报，２００７，２６（￥１）：３４６１—　３４６７．　【９】王国体，胡晓军，潘恒芳．地基反力的数值模拟和基础结构　的内力响应［Ｊ］．土木工程学报，２００２，４（３）：１２—５０．　［２】宋波，曹野．基于小波能量的爆破震动巷道围岩稳定性判　据［Ｊ］．岩土力学，２０１３，３４（Ｓ１）：２３４—２４０．　【１　Ｏ】张玉成，杨光华，刘鹏等．爆破荷载在数值计算中的等效施　加方法研究　地下空间与工程学报，２０１２，２（２）：４２—４３．　【１　１】赵勇．隧道软弱围岩变形机制与控制技术研究【Ｄ】．北京：　北京交通大学，２０　１２．　【３】阳生权，周健，吕中玉．地下结构及其围岩爆破地震效应ｆＪ１．　工程爆破，２００６，１２（１）：８２—８５．　『４１阳生权，吕中玉，刘宝深．隧道围岩爆破地震累积效应研究　ｆＪ］．地下空间与工程学报，２００７，３（８）：１４５１—１４５４．　【１２】王玉锁，王明年，童建军等．砂土质隧道围岩内摩擦系数的　试验研究［Ｊ】．岩土力学，２００８（３）：７４１—７４６．　【５】肖明，张雨霆，陈俊涛等．地下洞室开挖爆破围岩松动圈的　［１３］粱庆国，李洁，李德武等．黄土隧道围岩飞机研究的若干问　题［Ｊ］．岩土工程学报，２０１　１，３３（８）：１７０—１７６．　陕西交通１　４６５　４￣元项目合同签约　６月２１日，陕西省政府与中国铁建、中国中铁、葛洲坝集团在西安举行项目投资签约仪式。省委书记　娄勤俭、省长胡和平见证签约。　签约仪式上，陕西省交通运输厅分别与中国铁建、中国中铁、葛洲坝集团签署了总金额１４６５亿元的　项目合同和投资意向协议。中国铁建将投资１９８亿元，于２０２０年１Ｏ月前建成合阳至铜川、吴起至华池高　速公路；拟投资５１６亿元参与西安至韩城、西安咸阳机场至阎良城际铁路和眉县至太白高速公路项目建　设。中国中铁将加大在陕投入，拟投资５１１亿元参与西安至法门寺、机场至法门寺城际铁路和旬邑至凤　翔、韩城至黄龙高速公路项目建设。葛洲坝集团也将积极投身陕西省基础设施等建设，拟投资２４　乙元参　与延长至黄龙、宁陕至石泉高速公路项目建设，促进陕西交通运输体系完善，助力陕西追赶超越发展。　・１３・