公路隧道施工對(duì)下穿的運(yùn)營中的鐵路隧道襯砌影響的研究

公路隧道施工對(duì)下穿的運(yùn)營中的鐵路隧道襯砌影響的研究

1　問題背景和研究目的

索契城市的地形地貌和城市建設(shè)特點(diǎn)，包括河流、峽谷、鐵路線路對(duì)區(qū)域土地的切割，給公路運(yùn)輸組織的優(yōu)化造成極大困難。汽車數(shù)量的猛增，用盡了城市干線的通過能力，大大惡化了城市交通狀況。

在這種情況下必須集中力量綜合解決區(qū)域交通問題。優(yōu)先發(fā)展的是，修建繞過索契市稠密區(qū)的杜勃列爾公路。該公路線路的大部分（17 km）設(shè)計(jì)為若干隧道方案，實(shí)現(xiàn)從地下穿過河流、山坡和城市稠密區(qū)的設(shè)想，公路隧道No.6、No.6a與下穿的既有鐵路隧道No.5立體相交。公路隧道施工對(duì)鐵路隧道運(yùn)營將會(huì)產(chǎn)生什么影響是此項(xiàng)研究的主要目的。

公路兩平行隧道分別長564.12 m和557.8 m, 每個(gè)隧道預(yù)定設(shè)2車道。隧道縱軸線相距30 m（圖1）。隧道建筑和設(shè)備接近限界采用I級(jí)2車道公路隧道線路標(biāo)準(zhǔn)。隧道車行部分的寬度為8.5 m (其中2車道各寬3.75 m，2個(gè)安全帶各寬0.5 m)；車行部分兩側(cè)設(shè)服務(wù)通道各寬0.75 m。永久襯砌為馬蹄形鋼筋混凝土襯砌，外半徑為5 900 mm，內(nèi)半徑為5 400 mm。襯砌厚度：拱部500 mm, 仰拱1 000 mm, 隧道兩側(cè)避險(xiǎn)洞各以190 m的距離按棋盤式布置，并設(shè)3條支線隧道，供火災(zāi)時(shí)緊急疏散人員。

圖1　公路、鐵路隧道的平面布置及公路隧道施工階段

在隧道相交的區(qū)域，公路、鐵路隧道均位于強(qiáng)度較低的泥巖中，泥巖有砂質(zhì)透鏡體夾層。泥巖在空氣干燥狀態(tài)下極限受壓強(qiáng)度平均為15 MPa，變形模量為1 300～2 300 MPa。含水狀態(tài)下的這種土層其強(qiáng)度指標(biāo)降至1.5 MPa，變形模量降至500 MPa，層間粘結(jié)力降至0.1～0.15 MPa。

構(gòu)造斷層增加了它的裂隙性，導(dǎo)致滲水量增大，強(qiáng)度降低，所有這些因素還可能誘發(fā)一系列不利的地質(zhì)力學(xué)現(xiàn)象，例如山體壓力增大，隧道喪失穩(wěn)定，并造成大體積土體的坍塌?？紤]到這些因素不得不對(duì)公路隧道施工提出嚴(yán)格的要求，使其對(duì)鐵路隧道的影響降低到最小程度。這些要求的提出還基于下述理由：鐵路隧道建于1914年，它是沿黑海岸邊運(yùn)行的唯一的鐵路，承擔(dān)著繁重的客貨運(yùn)輸任務(wù)，包括運(yùn)輸索契冬季奧運(yùn)工程所需的材料和技術(shù)設(shè)備。根據(jù)早先的預(yù)計(jì)，公路隧道施工對(duì)鐵路隧道的影響區(qū)域大約在200 m長度范圍內(nèi)。

圖2　公路隧道上臺(tái)階的施工 （單位：mm）

圖3　公路隧道下臺(tái)階開挖、施作隧道底部管棚 （單位：mm）

2　研究方法

為了保證鐵路隧道在公路隧道施工過程中運(yùn)營安全，從以下兩方面采取措施。

（1）公路隧道采用上下臺(tái)階法開挖。先開挖上臺(tái)階并建立臨時(shí)仰拱，拱部地層用噴錨支護(hù)加固，臨時(shí)仰拱底部用鋼筋混凝土錨桿加固（圖2），下臺(tái)階分塊開挖（兩側(cè)錯(cuò)開開挖，然后開挖中部），在隧道仰拱底部施作長15 m的管棚，鉆孔與隧道底面呈5o夾角（圖3）。

（2）根據(jù)理論計(jì)算結(jié)果，擬定鐵路隧道每沿米襯砌結(jié)構(gòu)強(qiáng)度參數(shù)，確定隧道在接近實(shí)際工作條件的應(yīng)力-變形狀態(tài)，并對(duì)鐵路隧道襯砌進(jìn)行應(yīng)力-變形狀態(tài)觀測。

為了進(jìn)一步查明鐵路隧道的襯砌結(jié)構(gòu)和評(píng)估影響區(qū)的技術(shù)狀態(tài)，首要工作是：分析以前的研究結(jié)果；宏觀調(diào)查鐵路隧道襯砌缺陷，將其繪制成圖；確定襯砌材料強(qiáng)度特性；用地質(zhì)雷達(dá)研究襯砌及其周圍土層。

在調(diào)查研究的基礎(chǔ)上得出如下看法：

（1）鐵路隧道襯砌是用厚度為270～300 mm的混凝土砌塊、用水泥砂漿作粘結(jié)材料砌成的3層砌體，襯砌總厚度850～900 mm，襯砌背后是木制臨時(shí)支護(hù)，以及用石塊砌成的用于排水的墻溝。襯砌塊混凝土受壓強(qiáng)度為35～50 MPa， 砂漿受壓強(qiáng)度為15～20 MPa。

（2）鐵路隧道襯砌的缺陷：墻上有垂直裂縫，縫寬0.4 mm，個(gè)別沿變形縫發(fā)展的垂直裂縫，縫寬達(dá)1 mm。調(diào)查中未見漏水和浸潤區(qū)。

（3）目前鐵路隧道的技術(shù)狀況：該隧道自建成后經(jīng)過1個(gè)世紀(jì)的運(yùn)營，仍有工作能力。

2.1確定鐵路隧道襯砌的容許變形值

在給定變形條件下對(duì)鐵路隧道襯砌靜力工作分析的結(jié)果，可以確定襯砌的應(yīng)力和變形的極限值，此時(shí)的鐵路隧道襯砌具有有限的工作能力。在有限單元法分析中采用了Plaxis計(jì)算程序，采用線性彈性空間單元模擬襯砌，采用摩爾-庫侖塑性變形模型的空間單元模擬隧道周圍土體，所有模擬襯砌及其周圍土體的單元均為重力單元。計(jì)算模型中土體和襯砌材料的物理力學(xué)特性，采用與實(shí)際情況相接近的數(shù)值，即由工程地質(zhì)勘測和調(diào)查結(jié)果得出的數(shù)據(jù)。

襯砌的容許變形值是依據(jù)在襯砌中開始產(chǎn)生拉應(yīng)力確定的, 襯砌受壓應(yīng)力是依據(jù)砌體水泥砂漿接近受壓強(qiáng)度極限確定的。

2.2在給定的變形條件下計(jì)算鐵路隧道襯砌應(yīng)力-變形狀態(tài)

襯砌應(yīng)力-變形狀態(tài)是按對(duì)稱和斜對(duì)稱2種變形條件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算的。計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)襯砌拱部應(yīng)力接近于極限容許應(yīng)力時(shí)，拱部最大變形值應(yīng)在20 mm范圍內(nèi)，如超過此值，拱部將產(chǎn)生拉應(yīng)力，側(cè)墻的壓應(yīng)力接近于砌體砂漿受壓強(qiáng)度極限（圖4）。

在給定變形條件下隧道襯砌應(yīng)力-變形狀態(tài)的計(jì)算結(jié)果見表1。

2.3鐵路隧道襯砌采用不同計(jì)算圖式(工況)時(shí)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果及其分析

在以下的模擬階段中完成公路隧道施工對(duì)鐵路隧道襯砌應(yīng)力-變形狀態(tài)影響的數(shù)值計(jì)算，為此，對(duì)比了按4種計(jì)算圖式（工況）計(jì)算鐵路隧道襯砌應(yīng)力-變形狀態(tài)的結(jié)果(圖5)。這4種計(jì)算圖式與公路隧道開挖面的位置有關(guān)。圖5a為公路隧道開挖前；圖5b為公路隧道開挖面與鐵路隧道相交的隧道的中線橫向距離10 m；圖5c為公路隧道的開挖面與鐵路隧道斷面在同一平面內(nèi)，上下凈距8 m；圖5d同圖5c方案，但公路隧道內(nèi)有開挖機(jī)械（3 kN/m2）。

由表2所示的分析結(jié)果可得出結(jié)論，公路隧道施工對(duì)鐵路隧道襯砌應(yīng)力-變形狀態(tài)不產(chǎn)生重大影響，在各施工階段襯砌塊材料只受壓縮應(yīng)力。開挖施工的影響最顯著的表現(xiàn)是，當(dāng)公路隧道的開挖面與鐵路隧道斷面處于同一平面時(shí)，襯砌拱部內(nèi)緣壓應(yīng)力增至5 MPa，開挖機(jī)械的荷載對(duì)襯砌的應(yīng)力-變形狀態(tài)基本無影響，只是拱部1/4處外緣的壓應(yīng)力略有增長。

表1　給定變形條件下隧道襯砌應(yīng)力-變形狀態(tài)計(jì)算結(jié)果

圖4　給定最大變形條件下隧道襯砌中主應(yīng)力的分布 （單位：kN/m2）

實(shí)際量測的拱頂最大變形為6 mm，遠(yuǎn)未達(dá)到事先確定的極限容許值 ( 25 mm)；而最大壓應(yīng)力為5 MPa，也遠(yuǎn)未達(dá)到砌體水泥砂漿的受壓強(qiáng)度極限值（15～20 MPa）。

2.4鐵路隧道自動(dòng)量測變形的計(jì)劃為了控制公路隧道施工對(duì)鐵路隧道技術(shù)狀態(tài)的影響，提出了一個(gè)監(jiān)測公路隧道施工過程的計(jì)劃，另外還制定了檢測鐵路隧道的計(jì)劃。

圖5　公路隧道施工對(duì)既有鐵路隧道襯砌應(yīng)力-變形狀態(tài)影響的數(shù)值分析采用的計(jì)算圖式（工況） （單位：m）

表2　采用不同計(jì)算圖式（工況）計(jì)算的鐵路隧道襯砌斷面中的應(yīng)力 MPa

監(jiān)測鐵路隧道的任務(wù)是把鐵路隧道襯砌應(yīng)力-變形可能變化的信息，有效地、定期地傳送給業(yè)主、設(shè)計(jì)和施工部門。為此，制定了鐵路隧道自動(dòng)量測變形的計(jì)劃，確定了幾個(gè)階段：準(zhǔn)備階段；監(jiān)測鐵路隧道襯砌變形狀態(tài)；根據(jù)公路隧道開挖的進(jìn)展，分析鐵路隧道襯砌的技術(shù)狀態(tài)。

在準(zhǔn)備階段，對(duì)裂縫設(shè)置了變形標(biāo)志；布置了經(jīng)緯儀和水準(zhǔn)儀的測量導(dǎo)線；埋設(shè)了測量水準(zhǔn)基標(biāo)；安置了自動(dòng)化視距經(jīng)緯儀；在襯砌上固定變形標(biāo)志，安置位移傳感器；記錄初讀數(shù)。

為了觀測隧道襯砌可能出現(xiàn)的變形，采用2臺(tái)自動(dòng)化視距經(jīng)緯儀（萊卡TM30）可以用矢量法確定變形標(biāo)志的平面與高程的位移，用電子記錄儀記錄量測值。自動(dòng)化視距經(jīng)緯儀安置在壁龕內(nèi)，在隧道中部的2個(gè)壁龕彼此相對(duì)。

對(duì)每臺(tái)視距經(jīng)緯儀，在北洞口和南洞口的非變形（不發(fā)生變形）區(qū)各設(shè)2個(gè)水準(zhǔn)基標(biāo)。自動(dòng)化視距經(jīng)緯儀根據(jù)水準(zhǔn)基標(biāo)自動(dòng)修正自己的位置。在每一段襯砌的中央斷面、變形縫的兩側(cè)均布設(shè)變形標(biāo)志，全部影響區(qū)共布設(shè)200個(gè)（圖6、圖7）。

視距經(jīng)緯儀在自動(dòng)化工作制度下1晝夜讀取4次數(shù)據(jù)，根據(jù)列車運(yùn)行時(shí)刻表讀數(shù)的時(shí)間調(diào)整為10～15 min。此外，在隧道變形縫和襯砌裂縫處布置了16個(gè)電子式位移計(jì)（Tepem4.1）。

預(yù)定在鐵路隧道南口設(shè)監(jiān)控站。信息從安設(shè)在隧道內(nèi)的量測設(shè)備經(jīng)光纖電纜進(jìn)入監(jiān)控站，經(jīng)復(fù)核后的數(shù)據(jù)上網(wǎng)發(fā)送到彼得堡交通大學(xué)隧道模型實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理和情況分析。在分析隧道技術(shù)狀態(tài)時(shí)，將所得數(shù)據(jù)與襯砌容許變形進(jìn)行比較。

每天的數(shù)據(jù)在10：00前傳送到道路和建筑物管理局，假如出現(xiàn)超出極限容許的變形狀況，則應(yīng)對(duì)公路隧道施工采取補(bǔ)充的技術(shù)措施，或?qū)﹁F路隧道襯砌采取加固對(duì)策。監(jiān)測計(jì)劃還包括對(duì)軌道的水平測量及對(duì)隧道襯砌的宏觀觀測（每周1次）。2.5 鐵路隧道襯砌變形的監(jiān)測結(jié)果

對(duì)鐵路隧道受公路隧道施工的影響區(qū)進(jìn)行經(jīng)常的觀測，必須貫穿公路隧道施工的全過程，并延長到公路隧道中該區(qū)段的永久襯砌施作后的6個(gè)月。自2012年1月（監(jiān)測開始）到2013年9月變形標(biāo)志的最大位移不超過8 mm，98%的變形標(biāo)志的平面-高程位移處于3～4 mm的范圍內(nèi)。布置在變形縫處的位移傳感器記錄到的變形縫的閉合值為0.6 mm，布置在襯砌裂縫處的傳感器同樣顯示裂縫有閉合的趨勢(shì)。這些數(shù)值均處于量測精度范圍內(nèi)。

圖6　觀測點(diǎn)布置（1～20數(shù)字表示觀測變形的斷面） （單位：m）

圖7　鐵路隧道內(nèi)量測儀器安設(shè) （單位：mm）

3　研究結(jié)論

監(jiān)測結(jié)果表明，在鐵路隧道上方公路隧道施工過程中，鐵路隧道襯砌處于各向受壓狀態(tài)。數(shù)值分析的結(jié)果，襯砌最大位移僅為極限容許值的30%。因此，可以認(rèn)為，公路隧道施工中所采用的結(jié)構(gòu)技術(shù)方案，保證了施工安全，也保證了既有鐵路隧道運(yùn)營的可靠性。

4　結(jié)束語

為了在公路隧道施工中確保下穿的既有鐵路隧道的運(yùn)營安全，從兩方面采取了技術(shù)措施。

第一，優(yōu)選公路隧道的設(shè)計(jì)、施工方案，使公路隧道的施工（開挖支護(hù)）盡量減小對(duì)鐵路隧道襯砌的影響：諸如采用上下臺(tái)階法開挖；對(duì)拱部施作系統(tǒng)的徑向錨桿穩(wěn)定周圍地層；在上臺(tái)階臨時(shí)仰拱下面施作鋼筋混凝土錨桿，加固臨時(shí)仰拱下部土體；下臺(tái)階分塊分步開挖，并在仰拱下施作管棚，加固仰拱底部土體；仰拱永久襯砌厚度采取1 000 mm(比拱部永久襯砌厚度500 mm厚1倍)。所有這些措施均有利于減小對(duì)鐵路隧道襯砌的影響。

第二，對(duì)鐵路隧道襯砌進(jìn)行監(jiān)控量測。首先確定鐵路隧道襯砌的容許變形值，確定容許變形值的判據(jù)是：襯砌不產(chǎn)生拉應(yīng)力；襯砌塊之間的水泥砂漿受壓強(qiáng)度不超過極限容許值。對(duì)鐵路隧道襯砌分別施加對(duì)稱和斜對(duì)稱變形，用數(shù)值方法計(jì)算襯砌的應(yīng)力-變形狀態(tài)，求得容許的變形值。并且用數(shù)值方法計(jì)算在不同計(jì)算圖式（工況）條件下鐵路隧道襯砌的應(yīng)力狀態(tài)，掌握各工況的襯砌應(yīng)力狀態(tài)，以利監(jiān)測控制。在鐵路隧道內(nèi)采取的現(xiàn)場監(jiān)控量測主要是自動(dòng)化的位移量測——襯砌變形、裂縫發(fā)展。

將量測值與容許變形值進(jìn)行對(duì)比，如果不超出容許變形，說明鐵路隧道是安全的。如果超出容許變形，則應(yīng)對(duì)公路隧道施工采取附加措施，或?qū)﹁F路隧道采取加固措施。

參考文獻(xiàn)

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邵根大 編譯

責(zé)任編輯 毛 靜

收稿日期2015-01-19