新建公路路基上跨既有高速公路隧道的安全影响分析

浙江省交通规划设计研究院有限公司 吕涛

广西柳州市轨道交通投资发展集团有限公司 杨明松

本文以新建公路上跨既有高速公路隧道工程为研究对象，通过数值模拟理论分析公路路基施工时和建成后运营工况对既有隧道结构的影响，研究分析得出路基开挖施工对隧道周边围岩有一定的扰动，导致隧道周边围岩应力二次重分布，对运营隧道有一定的影响，路基施工期间通过采取机械开挖，加强施工监控，并根据监控量测数据，实时加固处理地层；运营期间加强治超管理，严禁超载超限车辆于道路上行驶，可保证高速公路隧道安全运营，为类似相关工程提供相应参考。

三维计算模型的建立

根据收集原有隧道施工图设计及地质勘察资料，为充分研究既有隧道上方新建道路对既有隧道的影响，建立有限元模型，分析研究计算。由于隧道外宽度在3倍洞径以上时，边界效应对洞室围岩变形的影响已经不明显。因此，本文中模型宽度取隧道两侧距离大于3倍隧道直径，左右各取31m，隧道底部取31m，路基下挖8m。另外本文为简化计算模型，模型长度（隧道前进）方向取10m。根据计算区域范围及当地地形资料，建立的模型为62m×59m×10m（挖方）的长方体。网格划分采用六面体单元进行map和free划分，共有17280个单元，20174个网格节点。采用实体单元模拟隧道初期支护和二次衬砌，采用cable单元模拟隧道锚杆，划分的模型网格如图1、图2所示。

图1 整体计算模型图

图2 隧道下挖段完成计算模型

在建立三维有限元计算模型时，坐标系选取为：X轴垂直隧道前进方向，Z轴垂直向上，Y轴隧道开挖方向。计算模型边界条件：在底面施加X、Y、Z方向约束，左右边界施加X方向水平约束，前后边界施加Y方向约束，模型上方为自由面。此外，隧道上方道路车辆通行造成的荷载势必对隧道产生一些影响。采用荷载组中面荷载施加在道路表面单元模拟道路车辆荷载。

表1 地层及衬砌物理力学参数

本工程路基与高速公路隧道上跨处，工程地质情况从上往下分别是全、强风化花岗岩、中风化花岗岩、微风化花岗岩。

初期支护采用C25钢纤维喷射混凝土加格栅钢拱架，喷射混凝土厚度25cm。数值模拟中为了简化模型建模过程，初期支护中型钢拱架采用等效方法予以考虑，即把型钢拱架的弹性模量折算给喷射混凝土，二次衬砌同样采用等效方法进行模拟。拱部100范围内不设置系统锚杆，边墙设长4.0m φ25-5中空注浆锚杆，环向间距间距1.0m，纵向间距0.5m，全长砂浆粘结。

车辆荷载计算依据《公路桥涵设计通用规范》，计算得到公路车辆荷载约为7.5KPa，考虑超载等不利因素，结合经验取值28KPa。

计算结果分析

路堑开挖施工对隧道的影响分析

隧道围岩位移分析

水平位移分析。根据水平位移云图可得，隧道上方路堑边坡挖方完成后的最大水平位移出现在隧道的拱腰附近，最大水平位移为0.93mm，因此在上方边坡开挖施工过程中，应加强对隧道四周水平收敛位移的监测，如有必要对隧道采取地层注浆加固措施。

竖向位移分析。根据竖向位移云图可得，隧道上方路堑边坡在开挖完成后，由于卸荷原因，路面包括隧道都因卸荷产生了一定的隆起，由云图可得，开挖完成后的路面最大隆起位移为1.67cm，隧道拱顶隆起1.2cm，拱底隆起8mm，因此在隧道上方路堑边坡开挖后，应及时对下方土层采取加固措施，防止因卸荷原因造成地表隧道隆起现象，可以对地表采取注浆，地锚等措施，并对隧道四周拱底和拱顶加强监控量测，发现位移速率变化过大应及时采取相关措施，并在隧道四周土层采取注浆加固等一系列措施，从而防止因为覆土深度变浅导致路面上部车辆荷载对既有隧道的影响。

隧道围岩应力云图

根据路堑边坡挖方完成后隧道围岩的大小主应力云图可得，隧道上方挖方完成后，隧道四周出现应力集中，最大应力为3.7MPa，表现为压应力，主要在隧道的拱顶及拱脚位置，小于围岩的极限抗压强度；在隧道拱肩附近出现了拉应力，大小为0.1MPa，小于围岩的极限抗拉强度。因此在隧道上方路堑挖方完成后应对隧道拱顶及拱脚进行加固措施，防止因应力过大而造成现有拱顶和拱脚混凝土挤压变形。

通车后运营期对隧道结构的影响分析

运营隧道上方道路运营通车后，对其进行数值计算，得出分析结果如下：

隧道围岩位移分析

水平位移分析。根据水平位移云图可得，隧道上方道路在通车后的最大水平位移出现在隧道的拱腰附近，最大水平位移为0.46mm，因此在上方道路通车后在水平位移方向也造成了一定的水平位移，与之前的路堑开挖造成的水平位移叠加，在隧道拱腰附近水平位移最大。在通车过程中，应加强对隧道四周收敛位移的监测，如有必要根据监控量测数据对隧道采取地层注浆加固措施。

竖向位移分析。根据竖向位移云图可得，隧道上方道路通车后，地表产生的竖向位移最大，地表沉降为6.4mm，在拱顶造成的沉降位移为5mm，拱底是3mm，由于通车原因，对既有隧道造成了一定的沉降位移，与其原先的路堑开挖造成的位移出现抵消作用，但考虑到之间是有一定的时间间隔，因此施工过程中应注意反复对隧道四周围岩的扰动，所造成的隧道四周围岩及衬砌的反复变形，从而导致疲劳破坏的现象发生，因此在施工过程中加强对隧道四周收敛的监控量测，发现位移速率变化过大应及时采取相关措施，并在隧道四周土层采取注浆加固等一系列措施，防止因施工原因造成的对隧道四周围岩的反复扰动变形影响。

隧道围岩应力云图

根据路通车后隧道围岩的大小主应力云图可得，隧道上方道路通车后，在隧道四周出现应力集中，最大应力为8.13MPa，表现为压应力，主要在隧道的拱腰及拱脚附近，小于围岩的极限抗压强度；在隧道拱底及拱顶附近出现拉应力，在拱底处的拉应力最大，为0.13MPa，小于围岩的极限抗拉强度。因此在隧道上方道路通车前应加固隧道拱腰、拱脚及拱底，如采取注浆，锚杆等，防止因为应力过大而造成现有衬砌混凝土的挤压或受拉变形破坏。