新建公路填挖方对下方既有隧道的影响分析

司君岭

(西南交通大学，四川成都 610031)

1 工程概况

国内某拟建的高速公路辅道与下伏既有隧道存在2处立体交叉段。断面里程分别为K12+908(填方断面)、K13+745(挖方断面)。在既有隧道上方进行土方开挖、填筑时，在施工过程中不可避免地对下方隧道产生影响，如果结构变形以及结构应力超过既有隧道的设计极限值，会直接导致整个结构体系发生严重损坏[1～3]。因此，有必要对高速公路辅道施工期间既有隧道的变形规律进行分析，以此评估既有线的安全状况，保证既有隧道的正常运营。

2 模型建立

本文计算采用有限差分计算程序FLAC3D，计算模型(图1)所取范围是横向取60 m，纵向90 m，填方模型高度78.31 m，挖方模型高度92.06 m。模型上方地表为自由边界，四周设置法向约束。填挖方后路面施加10 kPa的荷载。

(a)填方交叉断面

(b)挖方交叉断面

2.1 围岩参数的确定

根据地质勘察报告提供的土体物理力学性质，模型中围岩物理力学参数见表1。

表1 围岩物理力学参数

2.2 支护参数的确定

该隧道采用复合式衬砌结构，衬砌参数列于表2中。

表2 支护结构参数表

3 数值模拟结果及分析

既有隧道上方填挖方施工对隧道-围岩结构而言是卸载或加载的过程，会导致隧道的附加变形，而隧道同时受到水平侧压力和竖向压力，因此产生变形的过程是复杂的[1]。本次计算提取交叉里程段工况的围岩主应力场、结构位移来分析既有隧道上方填挖方及路基施工对既有隧道的影响。

3.1 填挖方后围岩主应力场分析

一般情况下围岩的抗拉强度都比较低，因此很容易在拉应力的作用下产生拉裂破坏，尤其是在拱顶位置上，常常是引起隧道坍塌的原因。因此，分析隧道围岩的受力对研究隧道的稳定性来说是很重要的。下面重点研究在中间截面附近的围岩应力状态。隧道填挖方及路基施工完成后，围岩的最大主应力云图如图2、图3所示。

图2 K12+908交叉断面施工完最大主应力云

图3 K13+745交叉断面施工完最大主应力云

从图2、图3中可以看出，K12+908交叉断面施工完成后的围岩的最大压应力为2.377 8 MPa，较大的压应力集中发生在隧道拱腰位置；拉应力集中于隧道直墙和拱底位置，且量值很小；K13+745交叉断面施工完成后，围岩的最大压应力为2.377 0 MPa，较大的压应力集中发生在墙角位置；拉应力集中于隧道直墙和拱底位置，且量值很小。

综合分析两个交叉断面，填方断面施工完成后围岩应力较挖方大，但是两者应力值均较小，由于各工况均处于深埋，应力最大值相差不大，可见该既有隧道上方填挖方对既有隧道的围岩应力影响较小。

3.2 监控点填挖方前后位移分析

从图4、图5可知，左右两边围岩的竖向位移相对于隧道是对称分布的，填方后施做路基，相当于在既有隧道上方施加荷载，造成既有隧道的位移值明显增大；而挖方后相当于在既有隧道上方卸掉部分荷载，其围岩位移值反而有所减小[2]。K12+908交叉断面在填方及施做路基后，围岩及路面的最大下沉量为1.554 mm，发生在地表路面位置，最大隆起量为0.746 mm，发生在隧道拱底位置；K13+745交叉断面在挖方及施做路基后，围岩及路面的最大下沉量为0.326 mm，发生在隧道拱顶位置，最大隆起量为2.100 mm，发生在隧道拱底位置；将监控点设在模型沿既有隧道纵向10 m断面处，地表路面及隧道拱顶的监控位移汇总(图6、图7)。

图4 K12+908交叉断面填方后位移云

图5 K13+745交叉断面挖方后位移云

图6 地表路面位移变化曲线

图7 拱顶沉降变化曲线

从地表路面位移曲线及隧道拱顶沉降曲线可知，K12+908断面的位移变化较大，说明填方对隧道及路面的稳定性影响比挖方影响更大；当隧道掌子面推过一段距离后，各监控点的位移变化值均处于稳定状态，说明在填挖方一段时间后，既有隧道结构基本处于稳定状态，无继续劣化现象[3]。综合分析，各工况断面的位移变化值均较小，均在安全控制范围内，因此既有隧道上方填挖方对隧道的位移影响较小，能保证隧道的安全。

4 结束语

本文利用数值模拟研究了道路修建过程中，填挖方对下方既有隧道受力和变形的影响，并得到如下结论：

(1)K12+908交叉断面和K13+745交叉断面施工完成后的围岩的最大主应力均集中发生在隧道拱腰位置，且填方断面施工完成后围岩应力较挖方断面大，但是两者应力值均较小，可见该既有隧道上方填挖方对既有隧道结构影响甚微。

(2)围岩位移关于既有隧道呈对称性分布，填挖方相当于在既有隧道上方加载(卸载)，造成既有隧道的位移值增大(减小)。

(3)在填挖方一段距离后，既有隧道结构基本处于稳定状态，无继续劣化现象。同时各监测点位移值均较小，能够满足既有隧道变形安全要求。