公路與隧道立體交叉形式及影響探討

梁洪濤，黨高峰，王 萌

（湖北省交通規劃設計院股份有限公司，湖北 武漢430051）

0 引 言

隨著我國經濟的快速發展，公路、鐵路等交通基礎設施也迅速增加。由于公路網絡與鐵路網絡“跨省區、長干線、高標準”的特點，在公路設計過程中，不可避免會出現公路或鐵路與已建隧道進行交叉的情況[1]。在此背景下，本文對公路與既有隧道立體交叉的形式和影響進行探討，希望能為類似工程提供一定參考。

1 安全性評價方法

公路與既有隧道的交叉形式包括橋梁、路基和隧道3 種。不論以何種形式與隧道進行交叉，公路建設與運營均會對隧道產生影響，嚴重情況下，當既有隧道的變形達到一定程度時，會導致隧道結構的損壞，影響行車安全。因此，公路工程必須采取安全可靠的結構形式、施工方案和施工工藝，同時還需要對已建隧道的影響做相關安全性評價，以達到既有隧道運營安全的目的。

在評估項目建成后對既有隧道結構影響時，主要采用有限元程序建立模型，進行數值模擬計算。數值模擬分析方法可以考慮地層條件、空間條件、輔助工法等外在因素，對不同工況下既有隧道的受力和變形情況進行分析，能夠較為真實地模擬公路施工和運營過程中對既有隧道的影響，在安全性評價中應用廣泛。

2 以橋梁形式上跨既有隧道

公路以橋梁形式與隧道交叉是最常用的交叉形式，其風險主要在于橋梁樁基施工過程中使周邊土體產生擠壓變形，使隧道受力狀況發生改變，可能引起隧道的不均勻沉降，嚴重時可能導致隧道襯砌開裂，影響隧道結構安全[2]。

以某上跨既有隧道的公路橋梁工程為例，該橋梁與隧道基本呈正交角度交叉，上部構造采用4×40 m預應力鋼筋混凝土T 梁，下部構造采用柱式墩，基礎采用挖孔灌注樁以減少施工對隧道的影響。隧道埋深約為13 m，梁底與地面的距離約為14 m，橋墩邊緣與隧道邊緣的最小距離約為12 m。通過數值分析計算可知，樁基開挖時地層各向位移最大位置發生在樁孔中心位置，最大值為2.56 mm，車輛行車荷載對隧道的影響基本可忽略不計，說明公路橋梁的施工及運營不會影響既有隧道結構的安全性。

總體來看，公路采用大跨徑橋梁上跨隧道的情況下，由于樁基距隧道較遠，可有效減小公路施工和運營過程中對隧道的干擾，安全風險相對較小。

3 以路基形式上跨既有隧道

采用路基形式上跨既有隧道時，路基施工、自重和車輛行車荷載對隧道結構的影響較為復雜，本文則重點對采用路基形式上跨既有隧道的影響進行分析研究。

以湖北省某新建高速公路與襄渝鐵路及復線新、老白云山隧道交叉為例，根據其設計資料，高速公路采用路基形式上跨既有隧道。路線方案與鐵路交叉點有2 處，交叉點鐵路隧道由南至北分別為新白云山隧道、老白云山隧道。與襄渝鐵路復線交角約為69°，交叉處新白云山隧道覆土厚度約為63 m，隧道圍巖等級為IV 級，初支厚度18 cm，二襯結構厚35 cm，公路路基填方高度8 m；與襄渝鐵路老線交角約為63°，交叉處老白云山隧道覆土厚度約為51 m，隧道圍巖等級為IV 級，結構厚45 cm，公路路基填方高度9 m。根據設計方案，采用有限元軟件對交叉工程進行仿真計算分析。

3.1 計算假定

在明確分析目的的情況下，根據項目實際情況和特點，做如下假定和簡化。

（1）土層為各向同性、均質的連續材料；

（2）地層參數參照工程地勘報告中所給出的土體參數及地質工程手冊；

（3）既有鐵路隧道在施工前處于良好狀態；

（4）荷載分為恒載與活載兩部分：恒載為路基自重，活載均按公路-I 級荷載考慮。

3.2 模型尺寸與邊界條件

兩條鐵路隧道的水平間距約120 m，隧道最大覆土厚度63 m。考慮到模型的邊界效應，整個模型地層的長、寬、高為225 m×200 m×100 m，地層簡化為3 層，第一層為碎石土，第二層為強風化片巖，第三層為微風化片巖。

3.3 模型參數

在設計資料地質參數的基礎上，通過查閱相關規范及手冊，確定參數表（見表1）。

表1 模型相關參數表

3.4 計算結果

根據工程情況，將整個仿真分析分為初始地應力、現狀隧道、高速公路建成后路基壓力和車道荷載作用3 個階段，模擬整個施工過程。對地層豎向應力、地層沉降、隧道沉降等進行計算，如圖1、圖2 和圖3 所示。

圖1 隧道沉降圖

圖2 新白云山隧道縱向沉降趨勢圖

圖3 老白云山隧道縱向沉降趨勢圖

從計算結果看，在高速公路路基和公路荷載的作用下，隧道產生了局部沉降，其中老白云山隧道最大沉降為2 mm，新白云山隧道最大沉降為1.4 mm。隧道沉降最大的位置在公路路基下部，然后向兩側遞減。隧道的沉降主要是由地層的整體沉降引起，隧道結構本身產生的變形很小，對隧道的結構安全的影響不大。

因此，通過以上實例分析，在既有隧道埋深較深時，公路可采用路基形式與隧道進行交叉，以減小建設和運營過程中對隧道的影響。

4 以隧道形式與既有隧道交叉

若采用隧道形式與既有隧道交叉，兩座隧道的間距、空間關系、隧道的規模、施工方法、地形地質條件對兩座隧道均有影響[3]。本文結合相關工程項目，對隧道與隧道交叉的相互影響總結如下：

（1）當兩隧道凈距超過35 m 時，隧道之間相互影響作用非常微弱，基本可不考慮新建隧道施工對既有隧道結構的影響，一般不需要采取特殊措施；

（2）當兩隧道凈距在20 ～35 m 時，會產生一定影響，需對隧道進行監控量測，并根據既有結構的位移、變形量等推定允許值，再決定是否采取其他措施；對于新建隧道應采用控制爆破、靜態爆破等方法減少圍巖擾動，采用超前管棚支護、徑向注漿等措施減少圍巖變形；

（3）當兩隧道凈距在10 ～20 m 時，相互影響作用較大，除了對既有隧道的監測，新建隧道的特殊施工方法外，對新建隧道結構還應進行加強，短開挖，強支護，對既有隧道應根據情況加固或提前采取加固措施。

5 結 語

通過對公路分別采用橋梁、路基和隧道形式與既有隧道交叉的研究可知，在進行路線方案設計時，若與隧道的交叉不可避免，應優先采用大跨徑橋梁跨越；當隧道埋深較深時，可采用低路基形式進行交叉；當必須以隧道形式進行交叉時，應控制好縱面指標，增加新建隧道與既有隧道的凈距，降低安全風險。

總而言之，公路在與既有隧道進行交叉時，必須對路線進行多方案比選，并對交叉方案進行安全性評價，最終確定出安全合理的交叉方案。