不同工況下道路施工對既有下穿隧道的影響分析

唐杰 張順

（重慶市市政設計研究院有限公司，重慶 400020)

隨著城市都市功能區的極速擴大，市政道路建設速度越來越快。西南地區地形地貌較為復雜，公路隧道較多，市政道路設計時常會出現上跨既有隧道的情況，工程設計中常采用填方、挖方或橋梁的形式上跨隧道，但不同形式上跨對既有下穿隧道的影響程度未知。

本文以某既有下穿隧道頂部道路施工為研究對象，針對路基填方、路塹挖方和橋臺結構三種方式，分析了各施工工況對既有下穿隧道的影響。深埋隧道頂部道路填（挖）方施工時，隧道結構的最大橫、豎向位移為1.13mm（0.71mm）、2.74mm（0.86mm），最大位移為規范容許值的27.4%（8.6%）；淺埋隧道頂部橋臺樁基施工時，隧道結構的最大橫、豎向位移為0.58mm、2.84mm，最大位移為規范容許值的28.4%；三種施工工況下隧道拱底最大位移分別為0.79mm、0.67mm和2.1mm，是規范容許值的19.8%、16.8%和52.5%，橋臺樁基施工時隧道拱底變形較大。

一、工程概況

擬建道路成南北走向，為城市主干路，設計行車時速50km，雙向六車道，標準路幅寬40m。

既有隧道采用復合式硬質巖石隧道掘進機 (Tunnel Bohr Maschine，TBM)施工，雙洞單線，隧道凈距10m，斷面尺寸6m，圍巖等級Ⅳ級，結構均為深埋隧道，采用管片厚度50mm，采用C50鋼筋混凝土。

擬建道路上跨該既有隧道，共存在3種典型施工工況，即道路挖方、填方和橋臺結構。

挖方：道路k2+600為挖方區最不利斷面，該斷面挖方高度為11.6m，道路標高342.560m，隧道結構頂標高320.835m，道路路面與隧道結構頂豎向高差約21.7m，為深埋隧道。

填方：道路k1+580為填方區最不利斷面，該斷面填方高度為24.8m，道路設計為365.459m，隧道結構頂標高314.735m，道路路面與隧道結構頂豎向距離48.03m，為深埋隧道。

橋臺結構：道路k2+700為橋臺斷面，該斷面M型框架梁底設計標高327.918m，隧道結構頂標高319.038m，M框架梁底與隧道結構頂豎向距離8.88m，為淺埋隧道。

二、有限元模型建立及分析

（一）材料參數

有限元分析采用Midas GTS軟件，巖土體采用M—C模型，隧道襯砌結構、管片采用線彈性模型。根據地質情況判斷，該段地層主要為人工填土、砂質泥巖及砂巖。

（二）有限元模型建立及施工模擬

有限元模型主要建立了道路挖方、道路填方及道路橋臺施工階段，有限元模型如圖1所示，計算步驟如下。

圖1 道路橋臺有限元模型

道路挖方階段：自重應力場平衡→隧道開挖施工→道路工程挖方施工及車輛荷載施加。

道路填方階段：自重應力場平衡→隧道開挖施工→道路工程填方施工及車輛荷載施加。

道路橋臺施工階段：自重應力場平衡→隧道開挖施工→M框架梁基礎基槽開挖→樁基部分開挖→樁基施工→M框架梁及橋墩施工→回填及橋梁上部施工。

三、有限元結果分析

（一）道路挖方

當道路挖方施工完成后，其對隧道結構的橫、豎向位移云圖如圖2、圖3所示。分析可知，道路挖方致使隧道結構最大豎向位移為0.86mm，橫向位移為0.71mm，拱底最大豎向變形為0.67mm。

圖2 隧道管片橫向位移云圖

圖3 隧道豎片豎向位移云圖

（二）道路填方

當道路填方施工完成后，其對隧道結構的橫、豎向位移云圖如圖4、圖5所示。分析可知，道路填方致使隧道結構最大豎向位移為2.74mm，橫向位移為1.13mm，拱底最大豎向變形為0.79mm。

圖4 隧道管片橫向位移云圖

圖5 隧道豎片豎向位移云圖

（三）道路橋臺

當道路橋臺、樁基施工完成后，其對隧道結構的橫、豎向位移云圖如圖6、圖7所示。分析可知，道路橋臺、樁基施工致使隧道結構最大豎向位移為2.84mm，橫向位移為0.58mm，拱底最大豎向變形為2.1mm。

圖6 隧道管片橫向位移云圖

圖7 隧道豎片豎向位移云圖

綜合上述分析計算可知，各施工工況下道路建成使用引起隧道結構變形小于10mm，拱底變形小于4mm，滿足相關規范的要求。橋梁中采取了M型框架梁基礎，橋梁荷載通過M框架梁基礎直接傳遞到隧道底部以下巖層，對隧道管片沒有產生附加荷載，對隧道結構影響很小，隧道結構仍滿足設計要求，高架橋建設與使用不影響該段結構安全。

四、結語

本文通過Midas GTS有限元軟件，分析了道路挖方、填方、橋臺樁基施工對既有隧道的影響，得出以下結論。

當既有隧道為深埋隧道時，頂部道路挖方施工對隧道結構產生的橫、豎向變形相差不大，填方施工易致使軌道結構產生較大的豎向變形，變形量雖未超過規范要求，但道路設計時應盡量避免以填方形式通過，增加隧道頂部荷載。

當既有隧道為淺埋隧道時，為避免對隧道結構產生影響，道路可采用橋梁的形式跨越隧道，使橋梁樁基礎施工對隧道結構產生的變形影響滿足規范控制要求。

橋臺樁基礎對隧道結構及周圍圍巖的豎向變形影響較大，樁基施工時可采用人工挖孔樁，避免產生過大的負摩阻力增加隧道結構豎向變形。