某旅游公路上跨高速公路隧道的工程技术设计

2019-09-09张勤，罗浩，夏冲，王庆

北方交通 2019年8期

张勤，罗浩，夏冲，王庆

(中国市政工程中南设计研究总院有限公司武汉市 430010)

0 引言

随着我国交通事业的不断发展和完善，同一地区新建公路受地形、地物和地质条件等因素的限制，不可避免地与已建路网形成上跨或下穿等交叉关系。通常在既有隧道上方再造建筑物，将会对既有隧道结构产生一定的影响。从结构原理上可知，在隧道顶部开挖，相当于对隧道卸载，会使隧道变形隆起；在隧道顶部修建筑物，相当于对隧道加载，会使隧道衬砌增大受力从而存在衬砌开裂破坏风险，同时外部对隧道加载也会使得已经沉降稳定的隧道重新发生额外沉降，会对已经通车运营的隧道造成一定运营安全风险。

国内目前有众多成功案例，主要分为城市地铁之间的隧道交叉、城市地铁隧道下穿城市道路、铁路隧道交叉高速公路隧道、铁路隧道下穿高速路基等工程案例, 众多学者在隧道交叉的力学研究取得了丰富的经验[1-5]。通常新建等级公路都采用高架桥跨越高速公路路基，而旅游公路采用路基形式上跨高速公路隧道的设计研究案例并不多。以某旅游公路路基上跨高速公路隧道实际工程为背景，充分研究路基上跨隧道方案存在的问题，提出相应的设计对策和施工控制要求，并分析旅游公路在其施工和运营过程中对已建高速隧道的影响，最终论证路基上跨隧道方案的合理性。

1 工程概况

某旅游公路设计为二级公路，设计车速60km/h，标准路基宽度10m，横断布置为10m=0.75m土路肩+0.75m硬路肩+3.5m车行道+3.5m车行道+0.75m硬路肩+0.75m土路肩。旅游公路拟在高速公路削竹式洞口顶部宽约40m相对平坦的平台通过。高速公路隧道为双车道上下行分离式，隧道间距15m，净高7m，净宽10.8m。旅游公路上跨高速公路隧道的位置主要位于隧道顶部平台，位于浅埋暗洞部分，根据隧道相关资料，隧道断面二衬为45cm厚C30模筑钢筋混凝土,钢筋主筋为25@20cm，初支为 24cm厚C25喷射混凝土，I18工字钢@60cm、Φ8mm@20cm×20cm钢筋网。隧道洞口是采用明洞形式修建。高速公路隧道于2009年建成通车。

2 路线设计

本旅游公路为某县重点旅游基础设施工程，在前期方案研究中，采用桥跨方案时，旅游公路在拟定桥跨方案时因高速公路右幅为临近河流且为陡坡，桥跨方案规模较大；且根据交通部相关规定，在高速路基范围内应采用钢结构桥梁形式跨越，桥跨方案费用约3000万元。在高速公路隧道顶部平台上修建旅游公路路基费用约300万元。相比之下，路基方案更加经济合理。

旅游公路平面设计线形在JD5位置为曲线半径R=180m和缓和曲线Ls=90m，与高速公路隧道轴线平面斜交角约68°。旅游公路路基左侧边缘与高速公路隧道左洞口及其洞顶坡顶的水平、垂直距离分别是37m和14m，与高速公路隧道右洞口及其洞顶坡顶的水平、垂直距离分别是43m和10m。平面交叉关系详见图1。旅游公路设计用地范围在高速公路用地界线之外，其路基边线与高速公路用地隔离栅的水平距离为10～11m。

图1 二级公路与高速公路隧道交叉平面图

旅游公路纵断面设计线形以上坡4.15%和下坡3.87%跨越高速公路隧道洞口，路线设计最高点位于高速公路隧道洞顶平台，凸型竖曲线半径2700m，凸型竖曲线长度为216.45m。根据现场实际测量，高速公路隧道口车行道路面高程为399.15m，洞口顶部高程407.15m。旅游公路跨越高速公路隧道的桩号范围为K2+200～K2+300；与高速公路左右隧道交点桩号分别为K2+240和K2+270，与隧道洞顶的高程差分别为14.31m和10.35m；在隧道顶部平台设计为浅挖方路堑形式，开挖路堑深度约 0.5～2.3m，以尽量降低成型路基对隧道的荷载影响。纵断面关系详见图2。

图2 二级公路与高速公路隧道竖向标高关系图

在旅游公路上跨高速公路隧道洞口顶部的路线设计方案中，需要深入解决如下问题：

(1)旅游公路与高速公路洞口排水问题；

(2)旅游公路施工或运营荷载对高速公路隧道的影响；

(3)旅游公路施工期间高速公路运行安全保障措施；

(4)旅游公路运行期间对高速公路正常运行的安全保障措施；

(5)旅游公路的运行安全检算等问题。

3 设计措施

3.1 排水设计

公路路基排水是一项非常复杂而重要的工作，路基路面排水系统应根据地理环境不同、水系的流向、强度、引流方式等因素进行设计；不当的排水设计对新建或已建的结构易造成水毁破坏事故。旅游公路路基排水与高速公路隧道洞顶截水沟相互独立，互不影响；在高速公路隧道顶部为最高点，通过路基两侧的边沟或排水沟沿着旅游公路纵坡排走并排入天然水系，则根据现场调查和当地暴雨强度公式在旅游公路路基两侧设置60cm×60cm的矩形边沟。

3.2 高速公路隧道结构分析

(1)有限元计算模型

采用大型有限元软件MIDAS GTS进行数值计算，从静力学角度来分析旅游公路路基修建对高速公路隧道的影响。本次设计分析采用对比法进行增量分析，以高速公路隧道原始山体条件为基础，重点分析高速公路隧道二次衬砌在旅游公路路基施工和运营两个阶段下的弯矩及轴力相对变化情况。对隧道断面进行平面静力分析，使用平面4节点实体线性单元(plane 42)模拟围岩和开挖单元，二次衬砌支护采用梁单元(beam 3)进行模拟。根据高速公路隧道设计断面和Ⅴ级围岩进行模拟计算，重点进行对比分析高速公路隧道原状工况、旅游公路施工工况和旅游公路运营工况的轴力和弯矩变化情况。

(2)工况分析

高速公路原状工况主要是分析隧道在原状地形条件下的隧道二衬的轴力和弯矩情况，高速公路隧道在旅游公路位置属于浅埋隧道。旅游公路施工工况主要分析浅挖0.5m和施工压路机线荷载作用下引起的洞顶超载。旅游公路运营工况主要分析路基成型后，在车辆轴压下引起的洞顶超载。

表1 高速公路隧道工况荷载计算表

图3 高速公路原状工况高速公路隧道二衬轴力(kN)

图4 高速公路原状工况高速公路隧道二衬弯矩(kN·m)

图5 旅游公路施工工况高速公路隧道二衬轴力(kN)

图6 旅游公路施工工况高速公路隧道二衬弯矩(kN·m)

图8 旅游公路运营工况高速公路隧道二衬弯矩(kN·m)

根据三种工况的计算结果，在高速公路原状工况的基准下，选择高速公路隧道的关键性控制截面—拱顶和端墙位置的二衬轴力和弯矩为分析对象。

表2 高速公路隧道的二衬内力计算表

分析隧道拱顶位置，高速公路隧道二衬轴力最大增加73.9kN，增量11.21%；二衬弯矩最大增加9.5kN.m，增量4.68%；拱顶截面最不利状态均发生在旅游公路施工工况下。

分析隧道端墙位置，高速公路隧道二衬轴力最大增加77.2kN，增量6.61%；二衬弯矩最大增加22.3kN·m，增量6.89%；拱顶截面最不利状态均发生在旅游公路施工工况下。

通过上表对比分析明显可知，高速公路隧道二衬轴力和弯矩在最不利工况均为在旅游公路施工工况下。

表3 高速公路隧道二衬裂缝宽度和强度验算表

高速公路隧道浅埋段衬砌断面二衬为45cm厚C30模筑钢筋混凝土,钢筋主筋为25@20cm。经结构验算列入上表，高速公路隧道洞口在拱顶位置的强度安全系数最小为3.62，裂缝最大宽度0.112mm，均满足规范要求；在端墙位置的强度安全系数最小为2.51，裂缝最大宽度0.183mm，均满足规范要求。通过以上分析，高速公路隧道的二衬内力和裂缝宽度在最不利旅游公路施工工况下能满足结构强度和耐久性要求。因此，旅游公路对高速公路隧道的力学效应影响增量较小，隧道原支护及配筋应能满足其在旅游公路修建及运营阶段的自身安全。

3.3 施工期间高速公路运行保障措施

由于旅游公路距离高速公路范围较近，在对高速运行有影响的段落施工过程中，路基施工除常规施工外，另外保障措施有：

(1)应按照相应公路管理条例办理各项手续；

(2)施工期间不得破坏高速隧道的现状各项设施；

(3)路基开挖前应先做好排水设施和防落石措施；

(4)开挖遇石方应采用机械开挖或静力破碎，严禁爆破施工；

(5)洞顶范围不得使用重大型机械进行路基开挖及碾压，以低速静压为主，严禁采用冲击振压；

(6)施工时应对隧道运行进行结构和安全监测，确保施工期高速隧道的运营安全。

3.4 运营期间高速公路运行保障措施

旅游公路运行期间的安全保障措施分为旅游公路自身安全保障和高速公路的安全保障。旅游公路安全保障措施主要有路面抗滑移沥青薄层、交通标志标线和路侧护栏。路面设置彩色沥青内聚树脂抗滑移薄层，设置间距每隔5m布设宽1m抗滑移薄层；同时路面设置减速警示标线。旅游公路与高速公路交叉，事故出现的严重等级为高，按照规范[6-7]要求为必须设置，路侧防护等级为四级，上跨高速公路隧道范围内的护栏防护等级按照SB级设计。旅游公路交叉位置在JD5处有一处R=180m的弯道，本路段的左路侧护栏应提高一级设置，设计采用SA级带阻爬坎的混凝土护栏，进一步加强旅游公路的运营安全保障。

旅游公路在运营期间对高速公路正常运行的安全保障尤为重要。在旅游公路上发生的危险源或事故侵入高速公路范围内，就特别容易造成二次重大伤害；主要危险源为旅游公路车辆抛物或车辆失控翻车侵入高速。尽管旅游公路的路侧护栏采用提高一级到SA级防护，本段仍要考虑对高速公路进行冗余安全防护措施。旅游公路在本段左路侧混凝土护栏和高速公路用地格栅之间设置RXI-Y-150型易修复被动柔性防护网，设计拦截1500kJ动力势能[6-7]，冗余安全按照55t标准车辆翻车瞬时速度80km/h(约20m/s)的翻车动能进行有效拦截。