新建公路路基上跨既有高速公路隧道的安全影響分析

浙江省交通規(guī)劃設計研究院有限公司 呂濤

廣西柳州市軌道交通投資發(fā)展集團有限公司 楊明松

本文以新建公路上跨既有高速公路隧道工程為研究對象，通過數(shù)值模擬理論分析公路路基施工時和建成后運營工況對既有隧道結(jié)構(gòu)的影響，研究分析得出路基開挖施工對隧道周邊圍巖有一定的擾動，導致隧道周邊圍巖應力二次重分布，對運營隧道有一定的影響，路基施工期間通過采取機械開挖，加強施工監(jiān)控，并根據(jù)監(jiān)控量測數(shù)據(jù)，實時加固處理地層；運營期間加強治超管理，嚴禁超載超限車輛于道路上行駛，可保證高速公路隧道安全運營，為類似相關(guān)工程提供相應參考。

三維計算模型的建立

根據(jù)收集原有隧道施工圖設計及地質(zhì)勘察資料，為充分研究既有隧道上方新建道路對既有隧道的影響，建立有限元模型，分析研究計算。由于隧道外寬度在3倍洞徑以上時，邊界效應對洞室圍巖變形的影響已經(jīng)不明顯。因此，本文中模型寬度取隧道兩側(cè)距離大于3倍隧道直徑，左右各取31m，隧道底部取31m，路基下挖8m。另外本文為簡化計算模型，模型長度（隧道前進）方向取10m。根據(jù)計算區(qū)域范圍及當?shù)氐匦钨Y料，建立的模型為62m×59m×10m（挖方）的長方體。網(wǎng)格劃分采用六面體單元進行map和free劃分，共有17280個單元，20174個網(wǎng)格節(jié)點。采用實體單元模擬隧道初期支護和二次襯砌，采用cable單元模擬隧道錨桿，劃分的模型網(wǎng)格如圖1、圖2所示。

圖1 整體計算模型圖

圖2 隧道下挖段完成計算模型

在建立三維有限元計算模型時，坐標系選取為：X軸垂直隧道前進方向，Z軸垂直向上，Y軸隧道開挖方向。計算模型邊界條件：在底面施加X、Y、Z方向約束，左右邊界施加X方向水平約束，前后邊界施加Y方向約束，模型上方為自由面。此外，隧道上方道路車輛通行造成的荷載勢必對隧道產(chǎn)生一些影響。采用荷載組中面荷載施加在道路表面單元模擬道路車輛荷載。

表1 地層及襯砌物理力學參數(shù)

本工程路基與高速公路隧道上跨處，工程地質(zhì)情況從上往下分別是全、強風化花崗巖、中風化花崗巖、微風化花崗巖。

初期支護采用C25鋼纖維噴射混凝土加格柵鋼拱架，噴射混凝土厚度25cm。數(shù)值模擬中為了簡化模型建模過程，初期支護中型鋼拱架采用等效方法予以考慮，即把型鋼拱架的彈性模量折算給噴射混凝土，二次襯砌同樣采用等效方法進行模擬。拱部100范圍內(nèi)不設置系統(tǒng)錨桿，邊墻設長4.0m φ25-5中空注漿錨桿，環(huán)向間距間距1.0m，縱向間距0.5m，全長砂漿粘結(jié)。

車輛荷載計算依據(jù)《公路橋涵設計通用規(guī)范》，計算得到公路車輛荷載約為7.5KPa，考慮超載等不利因素，結(jié)合經(jīng)驗取值28KPa。

計算結(jié)果分析

路塹開挖施工對隧道的影響分析

隧道圍巖位移分析

水平位移分析。根據(jù)水平位移云圖可得，隧道上方路塹邊坡挖方完成后的最大水平位移出現(xiàn)在隧道的拱腰附近，最大水平位移為0.93mm，因此在上方邊坡開挖施工過程中，應加強對隧道四周水平收斂位移的監(jiān)測，如有必要對隧道采取地層注漿加固措施。

豎向位移分析。根據(jù)豎向位移云圖可得，隧道上方路塹邊坡在開挖完成后，由于卸荷原因，路面包括隧道都因卸荷產(chǎn)生了一定的隆起，由云圖可得，開挖完成后的路面最大隆起位移為1.67cm，隧道拱頂隆起1.2cm，拱底隆起8mm，因此在隧道上方路塹邊坡開挖后，應及時對下方土層采取加固措施，防止因卸荷原因造成地表隧道隆起現(xiàn)象，可以對地表采取注漿，地錨等措施，并對隧道四周拱底和拱頂加強監(jiān)控量測，發(fā)現(xiàn)位移速率變化過大應及時采取相關(guān)措施，并在隧道四周土層采取注漿加固等一系列措施，從而防止因為覆土深度變淺導致路面上部車輛荷載對既有隧道的影響。

隧道圍巖應力云圖

根據(jù)路塹邊坡挖方完成后隧道圍巖的大小主應力云圖可得，隧道上方挖方完成后，隧道四周出現(xiàn)應力集中，最大應力為3.7MPa，表現(xiàn)為壓應力，主要在隧道的拱頂及拱腳位置，小于圍巖的極限抗壓強度；在隧道拱肩附近出現(xiàn)了拉應力，大小為0.1MPa，小于圍巖的極限抗拉強度。因此在隧道上方路塹挖方完成后應對隧道拱頂及拱腳進行加固措施，防止因應力過大而造成現(xiàn)有拱頂和拱腳混凝土擠壓變形。

通車后運營期對隧道結(jié)構(gòu)的影響分析

運營隧道上方道路運營通車后，對其進行數(shù)值計算，得出分析結(jié)果如下：

隧道圍巖位移分析

水平位移分析。根據(jù)水平位移云圖可得，隧道上方道路在通車后的最大水平位移出現(xiàn)在隧道的拱腰附近，最大水平位移為0.46mm，因此在上方道路通車后在水平位移方向也造成了一定的水平位移，與之前的路塹開挖造成的水平位移疊加，在隧道拱腰附近水平位移最大。在通車過程中，應加強對隧道四周收斂位移的監(jiān)測，如有必要根據(jù)監(jiān)控量測數(shù)據(jù)對隧道采取地層注漿加固措施。

豎向位移分析。根據(jù)豎向位移云圖可得，隧道上方道路通車后，地表產(chǎn)生的豎向位移最大，地表沉降為6.4mm，在拱頂造成的沉降位移為5mm，拱底是3mm，由于通車原因，對既有隧道造成了一定的沉降位移，與其原先的路塹開挖造成的位移出現(xiàn)抵消作用，但考慮到之間是有一定的時間間隔，因此施工過程中應注意反復對隧道四周圍巖的擾動，所造成的隧道四周圍巖及襯砌的反復變形，從而導致疲勞破壞的現(xiàn)象發(fā)生，因此在施工過程中加強對隧道四周收斂的監(jiān)控量測，發(fā)現(xiàn)位移速率變化過大應及時采取相關(guān)措施，并在隧道四周土層采取注漿加固等一系列措施，防止因施工原因造成的對隧道四周圍巖的反復擾動變形影響。

隧道圍巖應力云圖

根據(jù)路通車后隧道圍巖的大小主應力云圖可得，隧道上方道路通車后，在隧道四周出現(xiàn)應力集中，最大應力為8.13MPa，表現(xiàn)為壓應力，主要在隧道的拱腰及拱腳附近，小于圍巖的極限抗壓強度；在隧道拱底及拱頂附近出現(xiàn)拉應力，在拱底處的拉應力最大，為0.13MPa，小于圍巖的極限抗拉強度。因此在隧道上方道路通車前應加固隧道拱腰、拱腳及拱底，如采取注漿，錨桿等，防止因為應力過大而造成現(xiàn)有襯砌混凝土的擠壓或受拉變形破壞。