公路上跨既有引黃隧洞的影響因素分析與研究

閆立來(lái)

（山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

我國(guó)中西部地區(qū)大多數(shù)為山嶺重丘區(qū)，隨著交通建設(shè)的不斷發(fā)展，同時(shí)受土地資源的制約，交通工程越來(lái)越多地呈現(xiàn)出立體化的發(fā)展趨勢(shì)[1]，新建交通工程中上跨或下穿既有構(gòu)造物的情況越來(lái)越多，新建工程破壞了既有構(gòu)造物的受力狀態(tài)，對(duì)既有構(gòu)造物的影響和危害程度引起了相關(guān)單位的重視，近年來(lái)學(xué)者們利用理論分析、數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)等工程手段對(duì)新建工程與既有構(gòu)造物之間的相互影響進(jìn)行了大量的研究，本文以實(shí)際工程為依托，對(duì)新建公路上跨既有引黃隧洞設(shè)計(jì)與施工控制技術(shù)進(jìn)行研究，為類(lèi)似工程提供借鑒意義。

1 工程概況

山西省新國(guó)道太克線臨縣苗家莊—梁家會(huì)段升級(jí)改造公路工程在K0+500處上跨中部引黃工程TBM2標(biāo)隧洞，太克線升級(jí)改造公路工程全線采用二級(jí)公路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)速度60 km/h，路基寬度10 m，橋涵設(shè)計(jì)汽車(chē)荷載等級(jí)采用公路-Ⅰ級(jí)。太克線與引黃隧洞交叉關(guān)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(kāi)挖寬度為7.5 m，高度為7.5 m，初期支護(hù)為掛網(wǎng)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(guān)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(jí)改造公路工程與引黃隧洞交叉處以路塹形式通過(guò)，對(duì)應(yīng)引黃隧洞樁號(hào)為K0+084處，路基設(shè)計(jì)標(biāo)高距隧洞頂開(kāi)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(tǒng)結(jié)構(gòu)較密實(shí)的低液限N2紅黏土。水文地質(zhì)類(lèi)型為圍巖空隙水，洞體埋深范圍內(nèi)未見(jiàn)地下水，圍巖級(jí)別為V級(jí)。按荷載等效高度值對(duì)交叉處進(jìn)行計(jì)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(duì)隧洞影響有限元分析

2.1 邊界條件、屈服準(zhǔn)則、單元類(lèi)型的選取

根據(jù)大量的理論和實(shí)踐分析，本次計(jì)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(xué)特性遵循Drucker-Prager屈服準(zhǔn)則，建立非線彈塑性本構(gòu)模型。二次襯砌和初期支護(hù)采用2節(jié)點(diǎn)等參實(shí)體梁?jiǎn)卧狟EAM3模擬，地層圍巖體采用4節(jié)點(diǎn)等參平面實(shí)體單元PLANE42模擬。

2.2 運(yùn)營(yíng)期車(chē)輛荷載等代均布土層厚度計(jì)算

運(yùn)營(yíng)期間車(chē)輛荷載按公路-Ⅰ級(jí)車(chē)輛荷載標(biāo)準(zhǔn)值550 kN設(shè)計(jì)考慮，為了便于有限元模擬計(jì)算，車(chē)輛荷載按等代均布土層厚度法進(jìn)行簡(jiǎn)化，車(chē)輛荷載等代均布土層厚度計(jì)算公式：

式中：∑G為布置在計(jì)算面積內(nèi)的車(chē)輛輪上的重力，kN；B為路基寬度；l0為土體的破壞棱體長(zhǎng)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(zhǎng)度l0=1.4 m，由上述條件即可計(jì)算得到車(chē)輛荷載等代均布土層厚度：

2.3 計(jì)算模型及參數(shù)

引黃隧洞與太克線交叉段初期支護(hù)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(tǒng)的低液限結(jié)構(gòu)較密實(shí)N2紅黏土，圍巖級(jí)別V級(jí)，根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則》表6.4.3-1“各級(jí)土質(zhì)圍巖的基本物理力學(xué)參數(shù)”中規(guī)定[3]，交叉處圍巖取V1亞級(jí)黏質(zhì)土力學(xué)參數(shù)，交叉段圍巖、初期支護(hù)、二次襯砌等材料的物理力學(xué)模型參數(shù)如表1所示。

表1 交叉段材料物理力學(xué)模型參數(shù)

2.4 交叉處結(jié)構(gòu)受力分析

2.4.1 引黃隧洞受力分析

引黃隧洞開(kāi)挖施工中，有限元數(shù)值模擬初期支護(hù)結(jié)構(gòu)上的軸力圖、剪力圖如圖4、圖5。

圖4 隧洞初期支護(hù)軸力圖

圖5 隧洞初期支護(hù)剪力圖

引黃隧洞開(kāi)挖施工過(guò)程中，有限元數(shù)值模擬二次襯砌結(jié)構(gòu)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(guò)對(duì)引黃隧洞施工過(guò)程中初期支護(hù)和二次襯砌上軸力和剪力的分析，得到如表2、表3分析結(jié)果。

表2 隧洞初期支護(hù)受力分析表

表3 隧洞二次襯砌受力分析表

a）對(duì)引黃隧洞初期支護(hù)和二次襯砌上軸力圖、剪力圖分析，隧洞襯砌結(jié)構(gòu)受地形起伏影響顯著，隧洞初期支護(hù)和二次襯砌中產(chǎn)生一定的偏壓。

b）對(duì)引黃隧洞初期支護(hù)和二次襯砌上軸力分析，隧洞初期支護(hù)和二次襯砌中軸心位置均以壓力為主，并沒(méi)有產(chǎn)生拉力。隧洞初期支護(hù)中最大壓應(yīng)力為4.6 MPa小于C20噴射混凝土彎曲抗壓設(shè)計(jì)強(qiáng)度11.0 MPa；隧洞二次襯砌中最大壓應(yīng)力為5.8 MPa小于C25混凝土彎曲抗壓標(biāo)準(zhǔn)值強(qiáng)度18.5 MPa，滿足設(shè)計(jì)規(guī)范和結(jié)構(gòu)安全系數(shù)要求。

c）對(duì)引黃隧洞初期支護(hù)和二次襯砌上剪力分析，隧洞初期支護(hù)部分位置的最大剪應(yīng)力0.3 MPa小于C20噴射混凝土剪應(yīng)力設(shè)計(jì)強(qiáng)度允許值0.85 MPa，隧洞二次襯砌部分位置的最大剪應(yīng)力0.8 MPa小于C25混凝土剪應(yīng)力設(shè)計(jì)強(qiáng)度允許值1.0 MPa，滿足規(guī)范設(shè)計(jì)允許要求。

2.4.2 太克線K0+500處路塹施工對(duì)隧洞影響分析

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

圖8 路塹開(kāi)挖后隧洞初期支護(hù)軸力圖

圖9 路塹開(kāi)挖后隧洞初期支護(hù)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(kāi)挖后隧洞二次襯砌軸力圖

圖11 路塹開(kāi)挖后隧洞二次襯砌剪力圖

通過(guò)對(duì)太克線路塹開(kāi)挖施工后隧洞初期支護(hù)和二次襯砌上軸力和剪力的分析，得到如表4、表5分析結(jié)果。

表4 太克線路塹開(kāi)挖后隧洞支洞初期支護(hù)受力分析表

表5 太克線路塹開(kāi)挖后隧洞支洞二次襯砌受力分析表

a）對(duì)太克線路塹開(kāi)挖后隧洞初期支護(hù)和二次襯砌上軸力圖、剪力圖分析，路塹開(kāi)挖后隧洞襯砌結(jié)構(gòu)受地形起伏影響減弱，隧洞初期支護(hù)和二次襯砌中偏壓現(xiàn)象也減弱。

b）對(duì)太克線路塹開(kāi)挖后隧洞初期支護(hù)和二次襯砌上軸力圖及表4、表5分析，隧洞初期支護(hù)和二次襯砌中軸心位置均以壓力為主，并沒(méi)有產(chǎn)生拉力。隧洞初期支護(hù)中最大壓應(yīng)力為2.6 MPa小于C20噴射混凝土彎曲抗壓設(shè)計(jì)強(qiáng)度11.0 MPa；隧洞二次襯砌中最大壓應(yīng)力為4.7 MPa小于C25混凝土彎曲抗壓標(biāo)準(zhǔn)值強(qiáng)度18.5 MPa，滿足規(guī)范要求。

c）對(duì)太克線路塹開(kāi)挖后隧洞初期支護(hù)和二次襯砌上剪力圖及表4、表5分析，隧洞初期支護(hù)部分位置的最大剪應(yīng)力為0.2 MPa小于C20噴射混凝土剪應(yīng)力設(shè)計(jì)強(qiáng)度允許值0.85 MPa，隧洞二次襯砌部分位置的最大剪應(yīng)力為0.7 MPa小于C25混凝土剪應(yīng)力設(shè)計(jì)強(qiáng)度允許值1.0 MPa，可知隧洞初期支護(hù)和二次襯砌中剪應(yīng)力滿足規(guī)范設(shè)計(jì)允許要求。

2.4.3 太克線路塹施工前后隧洞受力對(duì)比分析

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

通過(guò)表6分析可知，太克線K0+500處路塹開(kāi)挖施工后，對(duì)引黃隧洞結(jié)構(gòu)受力產(chǎn)生了卸載作用，隧洞中受力明顯減小，且偏壓現(xiàn)象也得到減弱，總體上有利于支洞結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定。

表6 太克線路塹施工前后隧洞受力對(duì)比分析表 MPa

3 結(jié)論與施工注意事項(xiàng)

a）根據(jù)新國(guó)道太克線K0+500處路塹開(kāi)挖施工前后，對(duì)引黃隧洞初期支護(hù)和二次襯砌的受力分析對(duì)比，路塹開(kāi)挖施工對(duì)引黃隧洞結(jié)構(gòu)受力起到了卸載作用，且對(duì)引黃隧洞結(jié)構(gòu)受力影響不大，偏壓現(xiàn)象也得到減弱，總體沒(méi)有對(duì)引黃隧洞結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定產(chǎn)生不利影響。

b）路塹開(kāi)挖施工過(guò)程中加強(qiáng)對(duì)引黃隧洞的監(jiān)控量測(cè)，并及時(shí)反饋量測(cè)信息。

c）路基開(kāi)挖施工過(guò)程中應(yīng)及時(shí)完善該路段截排水設(shè)計(jì)和坡面防護(hù)設(shè)計(jì)。

d）路塹開(kāi)挖施工過(guò)程中應(yīng)盡量采取對(duì)引黃隧道擾動(dòng)小的工法，避免使用振動(dòng)壓路機(jī)，可采用大噸位壓路機(jī)靜壓和控制每層虛鋪厚度及增加碾壓次數(shù)的方法達(dá)到壓實(shí)目的。

e）太克線與引黃隧洞交叉處，原路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中水泥穩(wěn)定碎石調(diào)整為連續(xù)配筋的鋼筋混凝土面板，以利于運(yùn)營(yíng)期車(chē)輛荷載向隧洞外更好地傳遞。