長沙市旺東物流園建設對既有鐵路隧道的影響評估

鄧永紅

（中鐵四院集團廣州設計院有限公司，廣州 510600）

長沙市旺東物流園是以鐵路、公路運輸為主，集貨物儲存、運輸、加工、配送及信息化為一體的現(xiàn)代物流園區(qū)，位于長沙市開福區(qū)金霞經濟開發(fā)區(qū)內，占地面積11.07 hm2。旺東物流園北側緊臨石長鐵路，南側為石長北西聯(lián)絡線柞樹灣隧道，東側為京廣鐵路，見圖1。新建物流園貨物線在既有機務折返線上出岔，并行于石長上行線西側，往西北方向進入物流園區(qū)，內設貨物線2股。物流園區(qū)內布置有站臺倉庫、生產房屋、道路、停車場等配套設施。

圖1 物流園周邊鐵路相對關系

物流園區(qū)夾在鐵路之間，建設場地較狹窄。由于高差問題，須在BXK2+900—BXK3+500范圍隧道上方填土，增加了隧道覆土厚度。物流園貨物線在BXK2+750處新建剛構橋上跨既有鐵路隧道，剛構橋樁基臨近隧道。由于新增永久荷載、可變荷載、施工擾動等因素會引起隧道結構產生新的位移和變形［1-5］，須通過模擬計算對隧道結構強度、裂縫和位移進行分析，保證鐵路隧道的安全可靠和正常使用。

1 隧道上方填土堆載安全評估

1.1 計算斷面

物流園建設需在BXK2+900—BXK3+500段隧道上方填土堆載，改變了隧道原有的受力狀況。據(jù)石長鐵路隧道竣工圖資料，柞樹灣隧道斷面情況見表1。

表1 既有柞樹灣隧道BXK2+700—BXK3+760斷面

全段隧道采用明挖法施工，各斷面結構形式類同，在隧道高度、拱頂厚度、埋深等方面略有差異，但差異不大?？紤]到安全，須根據(jù)隧道埋深檢算隧道襯砌結構強度、裂縫寬度及隧道位移。以BXK3+180斷面為例，隧道頂既有埋深為2 m，按照物流園設計隧道頂填土增加7 m，驗算埋深值按設計值再增加2 m，即隧道頂埋深計算值為11 m，見圖2。其余斷面計算與之類似。

圖2 隧道BXK3+180計算斷面（單位：m）

1.2 計算模型

隧道在BXK3+180處總高8.97 m，總寬6.75 m，襯砌為C35鋼筋混凝土結構，拱頂厚0.55 m，邊墻厚度由0.55 m漸變至0.97 m，仰拱厚0.55 m。隧道斷面單元劃分如圖3所示，劃分為66個梁單元，即66個節(jié)點，梁單元長度在0.3～0.5 m。取隧道襯砌縱向單位長度1.0 m，采用MIDAS/Civil 2015軟件建立平面單元模型進行內力計算。

圖3 BXK3+180斷面單元劃分

1.3 荷載計算及組合

隧洞頂部回填土壓力、側面回填土壓力按照TB 10003—2016《鐵路隧道設計規(guī)范》［6］明洞荷載計算方法進行計算，隧頂埋深取11 m。隧道襯砌結構自重均通過計算模型自動施加，自重系數(shù)取1.0。

垂直土壓力為

式中：γ1為拱背回填土重度，取19 kN/m3；hi為明洞結構上任意點i的土柱高度。

拱圈回填土側壓力為

式中：λ1為側壓力系數(shù)，本工程填土坡面水平λ1=tan2(π/4- φ1/2)，φ1為拱背回填土計算摩擦角，φ1=35°時λ1=0.271。

邊墻回填土側壓力為

式中：γ2為墻背回填土重度，取22 kN/m3；h'i為邊墻計算點換算高度；λ2為側壓力系數(shù)，λ2=tan2(π/4- φ2/2)，φ2為墻背回填土計算摩擦角，φ2=50°時λ2=0.132。

系統(tǒng)基于激光測徑儀的掃描測徑技術，可以直接測得小直徑( 處于激光測徑儀量程內)塞規(guī)的尺寸。通過一套專用夾具控制塞規(guī)的移動和旋轉，可實現(xiàn)其直線度和圓度的快速綜合測量。對于大直徑(超出激光測徑儀量程)的塞規(guī)，輔以激光二維掃描傳感器獲取標準件和待測件的輪廓信息，通過比較測量獲取塞規(guī)直徑。本系統(tǒng)以嵌入式控制單元為核心實現(xiàn)對各個測量模塊控制，并對測量數(shù)據(jù)進行處理、分析和評定。系統(tǒng)的組成框圖如圖1所示。

本工程主要增加荷載為回填土垂直土壓力+回填土側壓力。

1.4 結構強度、裂縫及位移檢算

拱頂、邊墻、仰拱均為偏心受壓構件。經計算可知，BXK3+180斷面隧道各單元襯砌強度安全系數(shù)最小值為5.3，滿足規(guī)范要求。

在長期荷載作用下，BXK3+180斷面隧道襯砌計算裂縫寬度最大值為0.07 mm，小于規(guī)范容許值。

采用MIDAS GTS NX軟件建立2D有限元模型，按照不同工況進行模擬計算，初始工況下位移清零。計算可知，BXK3+180處隧道襯砌在水平方向最大位移為0.63 mm，在軌面以下最大位移為0.37mm；在豎直方向最大位移為1.80mm；在軌面以下最大位移為1.52mm。

綜上，隧頂填土堆載后，該隧道結構強度滿足規(guī)范要求，裂縫寬度及位移變形均在容許值范圍之內，可以滿足隧道正常使用和列車安全運行要求。

2 新建鐵路橋上跨既有鐵路隧道所采取的措施

新建鐵路剛構橋在BXK2+750處上跨石長北西聯(lián)絡線。該處隧道采用明挖法施工，隧道總高9.20 m，總寬7.05 m，襯砌為C35鋼筋混凝土結構，仰拱厚0.65 m。隧底位于全風化花崗巖層，隧道兩側、底部以上0～2.7 m采用漿砌片石回填；隧底以上2.7～6.2 m采用干砌片石回填，再往上采用土石回填；隧頂?shù)孛嬖O0.5 m厚黏土層封閉并設置寬2.6 m、深0.8 m縱向排水溝。

針對上述情況，剛構橋施工采用以下措施［7］：

1）優(yōu)化施工方案，推薦采取人工挖孔樁施工，并設置可靠的支護措施。人工挖孔樁挖至干砌片石和漿砌片石層，采用風鎬小塊破除片石，后施作護壁，挖孔樁每節(jié)的開挖深度為1.0 m，嚴禁水平及豎向超挖。

2）為減小挖孔樁施工對隧道的影響，2排挖孔樁應對稱開挖、跳孔成樁。

3）調查既有鐵路隧道的病害和運營狀況；施工過程中不間斷監(jiān)測隧道結構變形情況，制定相應的應急預案，確保鐵路施工安全、運營安全。

圖4 新建鐵路橋上跨既有隧道立面（單位：m）

3 結語

長沙市旺東物流園項目對既有鐵路尤其是對石長鐵路北西聯(lián)絡線柞樹灣隧道影響較大，須要在隧道上填土堆載，臨近鐵路隧道進行樁基施工。經過對隧道強度、裂縫、位移等檢算，各指標均滿足規(guī)范要求。通過采取一系列有效措施，能夠滿足施工安全及既有線列車安全運行要求。