长沙市旺东物流园建设对既有铁路隧道的影响评估

邓永红

（中铁四院集团广州设计院有限公司，广州 510600）

长沙市旺东物流园是以铁路、公路运输为主，集货物储存、运输、加工、配送及信息化为一体的现代物流园区，位于长沙市开福区金霞经济开发区内，占地面积11.07 hm2。旺东物流园北侧紧临石长铁路，南侧为石长北西联络线柞树湾隧道，东侧为京广铁路，见图1。新建物流园货物线在既有机务折返线上出岔，并行于石长上行线西侧，往西北方向进入物流园区，内设货物线2股。物流园区内布置有站台仓库、生产房屋、道路、停车场等配套设施。

图1 物流园周边铁路相对关系

物流园区夹在铁路之间，建设场地较狭窄。由于高差问题，须在BXK2+900—BXK3+500范围隧道上方填土，增加了隧道覆土厚度。物流园货物线在BXK2+750处新建刚构桥上跨既有铁路隧道，刚构桥桩基临近隧道。由于新增永久荷载、可变荷载、施工扰动等因素会引起隧道结构产生新的位移和变形［1-5］，须通过模拟计算对隧道结构强度、裂缝和位移进行分析，保证铁路隧道的安全可靠和正常使用。

1 隧道上方填土堆载安全评估

1.1 计算断面

物流园建设需在BXK2+900—BXK3+500段隧道上方填土堆载，改变了隧道原有的受力状况。据石长铁路隧道竣工图资料，柞树湾隧道断面情况见表1。

表1 既有柞树湾隧道BXK2+700—BXK3+760断面

全段隧道采用明挖法施工，各断面结构形式类同，在隧道高度、拱顶厚度、埋深等方面略有差异，但差异不大。考虑到安全，须根据隧道埋深检算隧道衬砌结构强度、裂缝宽度及隧道位移。以BXK3+180断面为例，隧道顶既有埋深为2 m，按照物流园设计隧道顶填土增加7 m，验算埋深值按设计值再增加2 m，即隧道顶埋深计算值为11 m，见图2。其余断面计算与之类似。

图2 隧道BXK3+180计算断面（单位：m）

1.2 计算模型

隧道在BXK3+180处总高8.97 m，总宽6.75 m，衬砌为C35钢筋混凝土结构，拱顶厚0.55 m，边墙厚度由0.55 m渐变至0.97 m，仰拱厚0.55 m。隧道断面单元划分如图3所示，划分为66个梁单元，即66个节点，梁单元长度在0.3～0.5 m。取隧道衬砌纵向单位长度1.0 m，采用MIDAS/Civil 2015软件建立平面单元模型进行内力计算。

图3 BXK3+180断面单元划分

1.3 荷载计算及组合

隧洞顶部回填土压力、侧面回填土压力按照TB 10003—2016《铁路隧道设计规范》［6］明洞荷载计算方法进行计算，隧顶埋深取11 m。隧道衬砌结构自重均通过计算模型自动施加，自重系数取1.0。

垂直土压力为

式中：γ1为拱背回填土重度，取19 kN/m3；hi为明洞结构上任意点i的土柱高度。

拱圈回填土侧压力为

式中：λ1为侧压力系数，本工程填土坡面水平λ1=tan2(π/4- φ1/2)，φ1为拱背回填土计算摩擦角，φ1=35°时λ1=0.271。

边墙回填土侧压力为

式中：γ2为墙背回填土重度，取22 kN/m3；h'i为边墙计算点换算高度；λ2为侧压力系数，λ2=tan2(π/4- φ2/2)，φ2为墙背回填土计算摩擦角，φ2=50°时λ2=0.132。

系统基于激光测径仪的扫描测径技术，可以直接测得小直径( 处于激光测径仪量程内)塞规的尺寸。通过一套专用夹具控制塞规的移动和旋转，可实现其直线度和圆度的快速综合测量。对于大直径(超出激光测径仪量程)的塞规，辅以激光二维扫描传感器获取标准件和待测件的轮廓信息，通过比较测量获取塞规直径。本系统以嵌入式控制单元为核心实现对各个测量模块控制，并对测量数据进行处理、分析和评定。系统的组成框图如图1所示。

本工程主要增加荷载为回填土垂直土压力+回填土侧压力。

1.4 结构强度、裂缝及位移检算

拱顶、边墙、仰拱均为偏心受压构件。经计算可知，BXK3+180断面隧道各单元衬砌强度安全系数最小值为5.3，满足规范要求。

在长期荷载作用下，BXK3+180断面隧道衬砌计算裂缝宽度最大值为0.07 mm，小于规范容许值。

采用MIDAS GTS NX软件建立2D有限元模型，按照不同工况进行模拟计算，初始工况下位移清零。计算可知，BXK3+180处隧道衬砌在水平方向最大位移为0.63 mm，在轨面以下最大位移为0.37mm；在竖直方向最大位移为1.80mm；在轨面以下最大位移为1.52mm。

综上，隧顶填土堆载后，该隧道结构强度满足规范要求，裂缝宽度及位移变形均在容许值范围之内，可以满足隧道正常使用和列车安全运行要求。

2 新建铁路桥上跨既有铁路隧道所采取的措施

新建铁路刚构桥在BXK2+750处上跨石长北西联络线。该处隧道采用明挖法施工，隧道总高9.20 m，总宽7.05 m，衬砌为C35钢筋混凝土结构，仰拱厚0.65 m。隧底位于全风化花岗岩层，隧道两侧、底部以上0～2.7 m采用浆砌片石回填；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；隧顶地面设0.5 m厚黏土层封闭并设置宽2.6 m、深0.8 m纵向排水沟。

针对上述情况，刚构桥施工采用以下措施［7］：

1）优化施工方案，推荐采取人工挖孔桩施工，并设置可靠的支护措施。人工挖孔桩挖至干砌片石和浆砌片石层，采用风镐小块破除片石，后施作护壁，挖孔桩每节的开挖深度为1.0 m，严禁水平及竖向超挖。

2）为减小挖孔桩施工对隧道的影响，2排挖孔桩应对称开挖、跳孔成桩。

3）调查既有铁路隧道的病害和运营状况；施工过程中不间断监测隧道结构变形情况，制定相应的应急预案，确保铁路施工安全、运营安全。

图4 新建铁路桥上跨既有隧道立面（单位：m）

3 结语

长沙市旺东物流园项目对既有铁路尤其是对石长铁路北西联络线柞树湾隧道影响较大，须要在隧道上填土堆载，临近铁路隧道进行桩基施工。经过对隧道强度、裂缝、位移等检算，各指标均满足规范要求。通过采取一系列有效措施，能够满足施工安全及既有线列车安全运行要求。