公路上跨既有引黃隧洞的影響因素分析與研究

閆立來

（山西省交通規劃勘察設計院有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

我國中西部地區大多數為山嶺重丘區，隨著交通建設的不斷發展，同時受土地資源的制約，交通工程越來越多地呈現出立體化的發展趨勢[1]，新建交通工程中上跨或下穿既有構造物的情況越來越多，新建工程破壞了既有構造物的受力狀態，對既有構造物的影響和危害程度引起了相關單位的重視，近年來學者們利用理論分析、數值模擬、現場試驗等工程手段對新建工程與既有構造物之間的相互影響進行了大量的研究，本文以實際工程為依托，對新建公路上跨既有引黃隧洞設計與施工控制技術進行研究，為類似工程提供借鑒意義。

1 工程概況

山西省新國道太克線臨縣苗家莊—梁家會段升級改造公路工程在K0+500處上跨中部引黃工程TBM2標隧洞，太克線升級改造公路工程全線采用二級公路技術標準，設計速度60 km/h，路基寬度10 m，橋涵設計汽車荷載等級采用公路-Ⅰ級。太克線與引黃隧洞交叉關系平面圖如圖1所示。

引黃工程隧洞與太克線交叉段洞室開挖寬度為7.5 m，高度為7.5 m，初期支護為掛網錨噴C20混凝土15 cm，二次襯砌為C25鋼筋混凝土襯砌50 cm，引黃隧洞與太克線交叉段襯砌圖如圖2所示。

圖1 太克線與引黃隧洞交叉關系平面圖

圖2 引黃隧洞與太克線交叉段襯砌圖（單位：m）

太克線升級改造公路工程與引黃隧洞交叉處以路塹形式通過，對應引黃隧洞樁號為K0+084處，路基設計標高距隧洞頂開挖輪廓為22.0 m，太克線K0+500斷面與引黃隧洞位置圖如圖3所示。太克線與引黃隧洞交叉處上覆Q3pl、Q2pl黃土和卵石土，厚度在0-2 m，下部為N2紅黏土，隧洞洞身段為上第三系上新統結構較密實的低液限N2紅黏土。水文地質類型為圍巖空隙水，洞體埋深范圍內未見地下水，圍巖級別為V級。按荷載等效高度值對交叉處進行計算，太克線與引黃隧洞交叉處支洞判定為深埋段。

圖3 太克線K0+500斷面與引黃隧洞位置圖（單位：m）

2 太克線K0+500處路塹對隧洞影響有限元分析

2.1 邊界條件、屈服準則、單元類型的選取

根據大量的理論和實踐分析，本次計算范圍在水平方向上取5倍徑距,在隧道底部方向下取3倍徑距[2]。交叉處地層圍巖為假定彈塑性體，材料力學特性遵循Drucker-Prager屈服準則，建立非線彈塑性本構模型。二次襯砌和初期支護采用2節點等參實體梁單元BEAM3模擬，地層圍巖體采用4節點等參平面實體單元PLANE42模擬。

2.2 運營期車輛荷載等代均布土層厚度計算

運營期間車輛荷載按公路-Ⅰ級車輛荷載標準值550 kN設計考慮，為了便于有限元模擬計算，車輛荷載按等代均布土層厚度法進行簡化，車輛荷載等代均布土層厚度計算公式：

式中：∑G為布置在計算面積內的車輛輪上的重力，kN；B為路基寬度；l0為土體的破壞棱體長度；γ為土體容重。

路基寬度B=10.0 m，N2紅黏土土體容重γ=18 kN/m3，土體的破壞棱體長度l0=1.4 m，由上述條件即可計算得到車輛荷載等代均布土層厚度：

2.3 計算模型及參數

引黃隧洞與太克線交叉段初期支護采用噴C20混凝土15 cm，二次襯砌采用C25鋼筋混凝土50 cm。交叉處引黃支洞洞身段為上第三系上新統的低液限結構較密實N2紅黏土，圍巖級別V級，根據《公路隧道設計細則》表6.4.3-1“各級土質圍巖的基本物理力學參數”中規定[3]，交叉處圍巖取V1亞級黏質土力學參數，交叉段圍巖、初期支護、二次襯砌等材料的物理力學模型參數如表1所示。

表1 交叉段材料物理力學模型參數

2.4 交叉處結構受力分析

2.4.1 引黃隧洞受力分析

引黃隧洞開挖施工中，有限元數值模擬初期支護結構上的軸力圖、剪力圖如圖4、圖5。

圖4 隧洞初期支護軸力圖

圖5 隧洞初期支護剪力圖

引黃隧洞開挖施工過程中，有限元數值模擬二次襯砌結構上的軸力圖、剪力圖如圖6、圖7。

圖6 隧洞二次襯砌軸力圖

圖7 隧洞二次襯砌剪力圖

通過對引黃隧洞施工過程中初期支護和二次襯砌上軸力和剪力的分析，得到如表2、表3分析結果。

表2 隧洞初期支護受力分析表

表3 隧洞二次襯砌受力分析表

a）對引黃隧洞初期支護和二次襯砌上軸力圖、剪力圖分析，隧洞襯砌結構受地形起伏影響顯著，隧洞初期支護和二次襯砌中產生一定的偏壓。

b）對引黃隧洞初期支護和二次襯砌上軸力分析，隧洞初期支護和二次襯砌中軸心位置均以壓力為主，并沒有產生拉力。隧洞初期支護中最大壓應力為4.6 MPa小于C20噴射混凝土彎曲抗壓設計強度11.0 MPa；隧洞二次襯砌中最大壓應力為5.8 MPa小于C25混凝土彎曲抗壓標準值強度18.5 MPa，滿足設計規范和結構安全系數要求。

c）對引黃隧洞初期支護和二次襯砌上剪力分析，隧洞初期支護部分位置的最大剪應力0.3 MPa小于C20噴射混凝土剪應力設計強度允許值0.85 MPa，隧洞二次襯砌部分位置的最大剪應力0.8 MPa小于C25混凝土剪應力設計強度允許值1.0 MPa，滿足規范設計允許要求。

2.4.2 太克線K0+500處路塹施工對隧洞影響分析

太克線K0+500處路塹段開挖施工后，引黃隧洞初期支護上的軸力圖、剪力圖如圖8、圖9。

圖8 路塹開挖后隧洞初期支護軸力圖

圖9 路塹開挖后隧洞初期支護剪力圖

引黃隧洞二次襯砌上的軸力圖、剪力圖如圖10、圖11。

圖10 路塹開挖后隧洞二次襯砌軸力圖

圖11 路塹開挖后隧洞二次襯砌剪力圖

通過對太克線路塹開挖施工后隧洞初期支護和二次襯砌上軸力和剪力的分析，得到如表4、表5分析結果。

表4 太克線路塹開挖后隧洞支洞初期支護受力分析表

表5 太克線路塹開挖后隧洞支洞二次襯砌受力分析表

a）對太克線路塹開挖后隧洞初期支護和二次襯砌上軸力圖、剪力圖分析，路塹開挖后隧洞襯砌結構受地形起伏影響減弱，隧洞初期支護和二次襯砌中偏壓現象也減弱。

b）對太克線路塹開挖后隧洞初期支護和二次襯砌上軸力圖及表4、表5分析，隧洞初期支護和二次襯砌中軸心位置均以壓力為主，并沒有產生拉力。隧洞初期支護中最大壓應力為2.6 MPa小于C20噴射混凝土彎曲抗壓設計強度11.0 MPa；隧洞二次襯砌中最大壓應力為4.7 MPa小于C25混凝土彎曲抗壓標準值強度18.5 MPa，滿足規范要求。

c）對太克線路塹開挖后隧洞初期支護和二次襯砌上剪力圖及表4、表5分析，隧洞初期支護部分位置的最大剪應力為0.2 MPa小于C20噴射混凝土剪應力設計強度允許值0.85 MPa，隧洞二次襯砌部分位置的最大剪應力為0.7 MPa小于C25混凝土剪應力設計強度允許值1.0 MPa，可知隧洞初期支護和二次襯砌中剪應力滿足規范設計允許要求。

2.4.3 太克線路塹施工前后隧洞受力對比分析

太克線K0+500處路塹施工前后，隧洞初期支護和二次襯砌受力對比分析如表6所示。

通過表6分析可知，太克線K0+500處路塹開挖施工后，對引黃隧洞結構受力產生了卸載作用，隧洞中受力明顯減小，且偏壓現象也得到減弱，總體上有利于支洞結構的安全穩定。

表6 太克線路塹施工前后隧洞受力對比分析表 MPa

3 結論與施工注意事項

a）根據新國道太克線K0+500處路塹開挖施工前后，對引黃隧洞初期支護和二次襯砌的受力分析對比，路塹開挖施工對引黃隧洞結構受力起到了卸載作用，且對引黃隧洞結構受力影響不大，偏壓現象也得到減弱，總體沒有對引黃隧洞結構的安全穩定產生不利影響。

b）路塹開挖施工過程中加強對引黃隧洞的監控量測，并及時反饋量測信息。

c）路基開挖施工過程中應及時完善該路段截排水設計和坡面防護設計。

d）路塹開挖施工過程中應盡量采取對引黃隧道擾動小的工法，避免使用振動壓路機，可采用大噸位壓路機靜壓和控制每層虛鋪厚度及增加碾壓次數的方法達到壓實目的。

e）太克線與引黃隧洞交叉處，原路面結構設計中水泥穩定碎石調整為連續配筋的鋼筋混凝土面板，以利于運營期車輛荷載向隧洞外更好地傳遞。