赵法亮
(中铁第五勘察设计院集团有限公司 北京市 102600)
随着我国基础交通设施不断发展，公路、铁路、城市等隧道越来越多的建设和运营，受地形、地质、周边建筑等多种因素影响，不可避免地出现许多上下交叉隧道形式的工程，这些工程相互之间存在不同程度的不利影响。刘明高等[1]通过实际监控量测数据，研究了市政隧道上跨既有铁路隧道设计和施工采用的原则、方法与对策。熊文亮[2]研究了既有铁路隧道的衬砌结构安全检算的依据和方法。张丽娟[3]探讨了新建公路隧道上跨施工中施工技术及管理思路。张勤等[4]研究了路基排水施工对高速公路隧道结构安全的影响，针对性地提出施工和运营过程中的安全保障措施。以实际工程为依托，研究新建公路隧道上跨既有铁路隧道的安全影响。
新建兰永临高速柳泉隧道为分离式公路特长隧道，全长4956m，双向四车道，设计时速80km/h。柳泉隧道与东坪村隧道平面关系见图1。既有兰新客专东坪村隧道位于甘肃省兰州市西固区境内，单洞双线隧道，全长2088m，设计时速350km/h，线路采用无砟轨道，无缝钢轨。
图1 柳泉隧道与东坪村隧道平面关系图
新建柳泉隧道于AZK6+129.23、AYK6+079处连续两次上跨既有运营兰新客专东坪村隧道，左右线与东坪村隧道平面交叉交角分别为45°、48°，与兰新客专东坪村隧道竖向距离分别为47.3m、45.3m。
图2 柳泉隧道与兰新客专东坪村隧道剖面关系图
上跨施工过程中对既有铁路隧道的控制主要是结构变形和内力两方面。其中内力控制主要是验算隧道断面关键位置处的安全系数，结构变形主要是隧道自身的衬砌结构、隧洞内钢轨的变形。上跨施工引起的变形量和内力值都要严格限制在允许范围内，避免对既有隧道的结构和运营安全造成危害。
2.1 衬砌变形控制标准
衬砌作为隧道最主要承受荷载的结构，上跨施工中必须减少扰动，严格控制变形量在允许的范围内，变形一旦超限制可能会引起结构变形开裂、掉块、渗水，影响既有隧道的安全，甚至中断列车的正常营运。根据《邻近铁路营业线施工安全监测技术规程》(TB 10314—2021，J 2906—2021)规定，高速铁路隧道位移变形监测预警值、报警值和控制值标准见表1。
表1 高速铁路隧道位移变形监测预警值、报警值和控制值 mm
新建高速公路隧道上跨开挖施工过程中，随着岩体不断开挖，既有高铁隧道上方所受荷载也减小，衬砌结构将产生竖向位移，这里采用5mm作为控制标准来进行衬砌变形控制。
2.2 铁路轨道控制标准
既有铁路隧道内钢轨在复杂的受力条件下工作，会出现高低、水平、扭曲、轨向等各类不平顺，会使得轮轨动力作用增强，从而导致轮轨系统剧烈振动，降低了列车行驶的稳定性，严重时会引发脱轨事故。
根据《邻近铁路营业线施工安全监测技术规程》(TB 10314—2021，J 2906—2021)规定，高速铁路轨道位移变形监测预警值、报警值和控制值见表2。
表2 高速铁路轨道位移变形监测预警值、报警值和控制值 mm
本次采用轨道竖向、水平位移2mm作为控制标准来进行衬砌变形控制。
3.1 分析方法
根据新建隧道和既有隧道相对位置关系，建立三维有限元模型来分析上跨施工对既有隧道带来的一系列影响，三维数值模型见图3。在满足边界效应及两隧道交叉段落范围的前提下，三维模型的左右长度为200m；
前后长度为280m；
下边界至既有隧道底板以下50m，由于为上跨公路隧道埋深很大，上边界至新建公路隧道塌落拱以上10m，共130m。
图3 三维数值模型图
3.2 基本参数的选取
采用的物理力学参数见表3。
表3 主要物理力学参数
3.3 分析结果
(1)既有铁路隧道衬砌变形分析
从位移云图(图4)可知，既有铁路隧道最大竖向位移出现在两隧道交叉断面处，为拱顶隆起变形，最大值为0.7mm，小于衬砌变形控制标准5mm。
图4 既有铁路隧道衬砌变形云图
(2)隧道结构安全系数检算
在新建公路隧道开挖作用下，既有铁路隧道衬砌的内力结果如图5所示。
图5 既有铁路隧道衬砌结构内力分布图
由于两隧道交叉位置处的既有隧道衬砌内力最大，仅需对交叉位置处断面进行安全检算。根据《铁路隧道设计规范》中“8.5衬砌计算”相关规定，验算既有铁路隧道衬砌断面中拱顶、拱脚、仰拱3处特征位置的安全系数，由于篇幅有限，仅给出新建公路右线交叉断面处验算结果，如表4。
表4 与新建隧道右线交叉断面衬砌结构受力及安全系数检算表
由表4中计算结果可知，既有铁路隧道拱顶、拱脚、仰拱位置处安全系数均满足规范要求，新建公路上跨施工对既有铁路隧道影响有限，不会危害衬砌结构的安全。
(3)轨道变形分析
施工期既有铁路隧道轨道的位移图见图6、图7所示(x、y、z方向正值代表变形与x、y、z轴正值一致)。
图6 铁路左线轨道位移云图
图7 铁路右线轨道位移云图
由以上数据可知，轨道变形整体较小，且左、右线左右轨道变形趋势基本一致，轨道竖向位移和水平位移最大值出现在铁路左线轨道上，竖向位移最大值为0.53mm，水平位移最大值为0.14mm，均小于2mm的控制标准。
上述计算结果均小于控制值(水平、高低5mm，轨向4mm)，不影响轨道的安全状态。
新建公路左线隧道AZK6+085.95～AZK6+172.51段共86.56m、右线隧道AYK6+030.54～AZK6+121.46段共90.92m位于影响范围内，公路隧道设计采取了相应的加强处理措施，可以保证新建公路隧道上跨施工及既有铁路隧道的安全：
(1)新建公路隧道的开挖使得既有铁路隧道在拱顶处发生隆起变形，最大变形值仅为0.7mm，远远小于5mm的控制标准，衬砌结构是安全的。
(2)既有铁路施工期轨道最大变形值竖向为0.35mm、水平方向为0.03mm，均远远小于2mm的控制标准。因此，新建公路隧道的开挖不会对既有铁路隧道内轨道产生不良影响。
(3)新建公路上跨施工对既有铁路隧道影响有限，未形成拉裂、压裂破坏，既有隧道拱顶、拱脚、仰拱等处安全系数远大于规范规定，衬砌结构安全。
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