新建公路填挖方對下方既有隧道的影響分析

司君嶺

(西南交通大學，四川成都 610031)

1 工程概況

國內某擬建的高速公路輔道與下伏既有隧道存在2處立體交叉段。斷面里程分別為K12+908(填方斷面)、K13+745(挖方斷面)。在既有隧道上方進行土方開挖、填筑時，在施工過程中不可避免地對下方隧道產生影響，如果結構變形以及結構應力超過既有隧道的設計極限值，會直接導致整個結構體系發生嚴重損壞[1～3]。因此，有必要對高速公路輔道施工期間既有隧道的變形規律進行分析，以此評估既有線的安全狀況，保證既有隧道的正常運營。

2 模型建立

本文計算采用有限差分計算程序FLAC3D，計算模型(圖1)所取范圍是橫向取60 m，縱向90 m，填方模型高度78.31 m，挖方模型高度92.06 m。模型上方地表為自由邊界，四周設置法向約束。填挖方后路面施加10 kPa的荷載。

(a)填方交叉斷面

(b)挖方交叉斷面

2.1 圍巖參數的確定

根據地質勘察報告提供的土體物理力學性質，模型中圍巖物理力學參數見表1。

表1 圍巖物理力學參數

2.2 支護參數的確定

該隧道采用復合式襯砌結構，襯砌參數列于表2中。

表2 支護結構參數表

3 數值模擬結果及分析

既有隧道上方填挖方施工對隧道-圍巖結構而言是卸載或加載的過程，會導致隧道的附加變形，而隧道同時受到水平側壓力和豎向壓力，因此產生變形的過程是復雜的[1]。本次計算提取交叉里程段工況的圍巖主應力場、結構位移來分析既有隧道上方填挖方及路基施工對既有隧道的影響。

3.1 填挖方后圍巖主應力場分析

一般情況下圍巖的抗拉強度都比較低，因此很容易在拉應力的作用下產生拉裂破壞，尤其是在拱頂位置上，常常是引起隧道坍塌的原因。因此，分析隧道圍巖的受力對研究隧道的穩定性來說是很重要的。下面重點研究在中間截面附近的圍巖應力狀態。隧道填挖方及路基施工完成后，圍巖的最大主應力云圖如圖2、圖3所示。

圖2 K12+908交叉斷面施工完最大主應力云

圖3 K13+745交叉斷面施工完最大主應力云

從圖2、圖3中可以看出，K12+908交叉斷面施工完成后的圍巖的最大壓應力為2.377 8 MPa，較大的壓應力集中發生在隧道拱腰位置；拉應力集中于隧道直墻和拱底位置，且量值很小；K13+745交叉斷面施工完成后，圍巖的最大壓應力為2.377 0 MPa，較大的壓應力集中發生在墻角位置；拉應力集中于隧道直墻和拱底位置，且量值很小。

綜合分析兩個交叉斷面，填方斷面施工完成后圍巖應力較挖方大，但是兩者應力值均較小，由于各工況均處于深埋，應力最大值相差不大，可見該既有隧道上方填挖方對既有隧道的圍巖應力影響較小。

3.2 監控點填挖方前后位移分析

從圖4、圖5可知，左右兩邊圍巖的豎向位移相對于隧道是對稱分布的，填方后施做路基，相當于在既有隧道上方施加荷載，造成既有隧道的位移值明顯增大；而挖方后相當于在既有隧道上方卸掉部分荷載，其圍巖位移值反而有所減小[2]。K12+908交叉斷面在填方及施做路基后，圍巖及路面的最大下沉量為1.554 mm，發生在地表路面位置，最大隆起量為0.746 mm，發生在隧道拱底位置；K13+745交叉斷面在挖方及施做路基后，圍巖及路面的最大下沉量為0.326 mm，發生在隧道拱頂位置，最大隆起量為2.100 mm，發生在隧道拱底位置；將監控點設在模型沿既有隧道縱向10 m斷面處，地表路面及隧道拱頂的監控位移匯總(圖6、圖7)。

圖4 K12+908交叉斷面填方后位移云

圖5 K13+745交叉斷面挖方后位移云

圖6 地表路面位移變化曲線

圖7 拱頂沉降變化曲線

從地表路面位移曲線及隧道拱頂沉降曲線可知，K12+908斷面的位移變化較大，說明填方對隧道及路面的穩定性影響比挖方影響更大；當隧道掌子面推過一段距離后，各監控點的位移變化值均處于穩定狀態，說明在填挖方一段時間后，既有隧道結構基本處于穩定狀態，無繼續劣化現象[3]。綜合分析，各工況斷面的位移變化值均較小，均在安全控制范圍內，因此既有隧道上方填挖方對隧道的位移影響較小，能保證隧道的安全。

4 結束語

本文利用數值模擬研究了道路修建過程中，填挖方對下方既有隧道受力和變形的影響，并得到如下結論：

(1)K12+908交叉斷面和K13+745交叉斷面施工完成后的圍巖的最大主應力均集中發生在隧道拱腰位置，且填方斷面施工完成后圍巖應力較挖方斷面大，但是兩者應力值均較小，可見該既有隧道上方填挖方對既有隧道結構影響甚微。

(2)圍巖位移關于既有隧道呈對稱性分布，填挖方相當于在既有隧道上方加載(卸載)，造成既有隧道的位移值增大(減小)。

(3)在填挖方一段距離后，既有隧道結構基本處于穩定狀態，無繼續劣化現象。同時各監測點位移值均較小，能夠滿足既有隧道變形安全要求。