铁路隧道下穿高速公路设计方案分析

(中铁工程设计咨询集团，北京 100055)

1 工程概况

1．1 概况

山西中南部某隧道全长1 789 m，位于山西省长治县境内。该隧道处于低山丘陵区，地形起伏较小，发育有沟谷。隧址属寒冷地区，最冷月平均气温－5．3℃，场区土壤最大冻结深度59 cm。地震基本烈度为7度，本区地震动反应谱特征周期是0．40 s。本隧道于2009年开始施工。隧道为单面5．4‰的上坡，全隧道位于直线上。

隧址区地层岩性较复杂，分布有第四系上更新统坡洪积砂质黄土、黏质黄土;第四系中更新统坡洪积黏质黄土;第四系坡洪积角砾土;石炭系上统太原组页岩夹灰岩、砂岩等;石炭系中统本溪组页岩、炭质页岩;奥陶系峰峰组灰岩等。

1．2 下穿高速公路情况简述

隧道在DK503+122处下穿长安高速公路，交叉点公路里程为K70+360，交叉范围内公路为路堑形式，公路路面宽为12 m+2 m+12 m=26 m，铁路线路与公路线路斜交角度约为25°，下穿段里程影响范围大致在DK503+070～DK503+160。长安高速公路为在建公路，计划2010年年底通车运营。图1为隧道下穿长安高速公路的平面图。

图1 隧道下穿高速公路平面示意图

另外，与其他隧道下穿高速公路实例不同的是，本隧道与高速公路交叉点里程K70+360处公路为1-4 m钢筋混凝土盖板通道。通道涵洞长29 m，涵洞总宽6 m，基础为扩大基础。隧道结构顶至高速公路路面的距离仅有11．7 m，涵洞的基础底距离隧道结构顶的距离为5．5 m。图2为隧道与高速公路路面及涵洞的关系立面图。

图2 隧道与高速公路路面及涵洞的关系立面图

隧道在勘测时，该盖板通道正在进行施工，图3为盖板通道施工中的照片。

图3 正在施工中的1-4 m钢筋混凝土盖板通道

地质情况:下穿公路段范围内围岩级别为Ⅴ级围岩，隧道为超浅埋，洞身穿越C3t和C2b页岩、砂岩、炭质页岩和薄煤层，强风化，岩体破碎。

2 施工风险分析

隧道下穿高速公路处深较浅，隧道结构顶至高速公路路面的距离仅有11．7 m，且地质条件较差，该处洞身穿越C3t和C2b页岩、砂岩、炭质页岩和薄煤层，强风化，岩体破碎。而且根据施工时间推算，待隧道进行下穿施工时，高速公路已经开通运营，对路面沉降的要求加大，另外，隧道下穿高速公路范围内为1座1-4 m的涵洞，涵洞的基础底距离隧道结构顶的距离仅有5．5 m，隧道穿越施工时不确定因素多，因此施工风险极大。根据《铁路隧道风险评估暂行规定》，隧道施工可能造成路面沉降、开裂，概率等级4，后果等级3，风险等级评为高级，设计中必须加强支护，将风险降低。

3 施工方法选择及超前支护参数、初期支护参数的拟定

常用的施工方法有台阶法、开挖预留核心土法、双侧壁导坑法、中隔壁(CD)法、交叉中隔壁(CRD)法。目前，国内对于下穿隧道的施工方法大多采用交叉中隔壁(CRD)法或双侧壁导坑法。通过许多成功实施的工程实例可以看出，长管棚配合超前支护配合CRD法或者双侧壁导坑法开挖，能有效控制路面沉降。此外，在隧道下穿公路的大部分工程中都采用了大管棚超前支护，这说明大管棚超前支护可以防止路面坍塌。因此可以得出以下结论:对于软弱围岩浅埋铁路隧道进行下穿高速公路及其他等级公路的施工时，采用大管棚进行超前支护，CRD法或双侧壁导坑法开挖，对公路路面的稳定、保证正常公路运行起到较好的控制作用。

本工程隧道在DK503+122处下穿长安高速公路，且K70+360处公路为1-4 m钢筋混凝土盖板通道，公路路面宽26 m，下穿段里程影响范围大致在DK503+070～DK503+160。

考虑到铁路隧道进行下穿施工时，公路已通车，由于隧道上方为盖板涵，盖板涵结构对隧道拱顶的沉降变形极为敏感，涵洞的沉降会直接传递到公路路面，从而造成公路路面开裂及沉降，为避免铁路隧道施工对公路路面结构及行车造成影响，必须执行“短进尺、弱爆破、强支护、衬砌紧跟”的施工原则，加强超前支护及初期支护，避免土层损失造成路面沉降。

确定的本下穿段的超前支护措施:在DK503+070～DK503+160段采用φ108大管棚超前支护，环向间距0．3 m，管棚每节长15 m，搭接长度大于3 m。另外，φ42超前小导管注浆超前支护作为补充加强，长4．5 m，环向间距0．3 m。

初期支护:钢架采用Ⅰ20a型钢钢架，纵向间距0．5 m，喷射C25混凝土，厚度25 cm。锚杆:长度3．5 m，环向间距×纵向间距:1．0 m ×1．0 m。

施工方法采用交叉中隔壁(CRD)工法。

4 下穿段隧道承受的荷载分析

最不利情况下隧道结构所承担的荷载情况:1)垂直荷载:隧道上方的土石自重荷载、高速公路路面车辆传递的荷载、涵洞自重传递的荷载、涵洞内机车车辆传递的荷载。2)水平荷载:侧向土压力及垂直荷载造成的附加水平土压力。现在分别计算如下。

4．1 垂直荷载

4．1．1 隧道结构上方的5．5 m的土石荷载

根据《铁路隧道设计规范》附录 E的公式，q1=，近似取 q1= γh，则 q1=γh=20 ×5．5=110．0 kPa。

4．1．2 结构传下来高速公路车辆的荷载

高速公路的路面车辆荷载，按设计公路车辆荷载公路—Ⅰ级来计算。按JTG D60-2004公路桥涵设计通用规范，公路—Ⅰ级车辆荷载图如图4所示。

图4 公路—Ⅰ 级车辆荷载图

路面的车辆荷载通过涵洞的结构传至涵洞基础，然后再通过5．5 m厚的土层传至隧道结构顶上，高速公路单向有3个车道，车道总宽度为12 m，涵洞的基础宽度为1．8 m。因为涵洞顶面总宽度为6 m，所以车辆荷载只能由后轴加前轴或前轴加中轴作用在涵洞结构顶面上，取其大值，前轴和后轴相加:轴重=140+140+30=310 kN计算，3个车道轴重同时传递，总轴重=310×3=930 kN。路面车辆荷载通过涵洞基础按45°角扩散经5．5 m覆土传递到隧道结构顶，传递到结构顶的荷载q2计算如下:

4．1．3 涵洞结构自重传递下来的荷载

涵洞每延长米混凝土方量为17．19 m3，混凝土的重度按25 kN/m3计算，涵洞自重传递至结构顶的荷载为(按45°扩散角进行传递):

4．1．4 涵洞内机车通行传递的荷载

涵洞为交通涵洞，需要考虑最不利情况下上方有车辆通行的荷载，按JTG D60-2004公路桥涵设计通用规范，公路—Ⅱ级车辆荷载按1个车辆荷载计算:

4．1．5 所有垂直荷载求和

以上叠加，所有垂直荷载q=q1+q2+q3+q4=110．0+6+34．7+2=152．7 kPa。

4．2 水平荷载

4．2．1 由洞顶土压力形成的侧压力

根据《铁路隧道设计规范》附录E的公式，e1=γh1λ，经计算λ=0．47，所以隧道结构上部的水平荷载:

隧道拱脚部位的水平荷载:

4．2．2 由路面公路荷载引起的侧压力

5 数值模拟分析

5．1 结构计算

在最不利荷载作用下，下穿高速公路段隧道结构计算模型如图5所示。

图5 隧道计算模型

拟定衬砌采用C35钢筋混凝土，弹性模量为31 000 MPa，泊松比为0．2，重度为25 kN/m3。采用基于有限单元法数值模拟软件SAP84对隧道衬砌结构进行计算，计算中采用荷载—结构模式，围岩对墙背及拱背的弹性抗力采用弹簧单元模拟，计算结果如图6～图8所示。

5．2 受力特征总结

从上面结果可以看出，下穿高速公路段，由于隧道上方为涵洞，降低了垂直应力，但是由于侧压力较大，最大的弯矩出现在边墙脚部。

图6 剪力图

图7 轴力图

图8 弯矩图

最大负弯矩为641 kN·m，集中在边墙脚;其最大正弯矩为120．4 kN·m，集中在拱腰部位;其最大轴力为1 540 kN，集中在拱顶和仰拱;最小轴力为594．5 kN，集中在边墙;其最大剪力为513．5 kN，集中在边墙与仰拱连接处。

5．3 衬砌断面设计

通过计算结果确定结构断面的尺寸和配筋，结构计算结果见表1，表2为控制截面处的安全系数，满足《铁路隧道设计规范》钢筋混凝土安全系数2．0的要求。

表1 结构计算结果

表2 控制截面处安全系数

6 结语

铁路隧道下穿高速公路现在遇到的情况较多，但是交叉的部位有其他构筑物的情况较少见，根据现场施工情况来看，高速公路的地表沉降控制的较好，说明设计方案是成功的，现把得到的体会及经验归纳如下:1)在下穿高速公路的设计中，在软质岩层中，超前大管棚支护配合CRD工法，对确保施工安全、控制地表下沉的效果是很明显的。2)在数值计算中，将车辆荷载等相关荷载考虑全面，将是确定后期衬砌结构参数拟定的关键。

［1］TB 10003-2005，铁路隧道设计规范［S］．

［2］铁建设〔2007〕200号，铁路隧道风险评估暂行规定［S］．

［3］关宝树．铁路工程设计要点集［M］．北京:人民交通出版社，2003．