高速公路上跨浅埋式高铁隧道方案研究

耿晓轲

（河南高速公路监理咨询有限公司，河南 郑州 450000）

随着国家高速铁路建设速度的加快，在今后的高速公路建设中将会出现各种方式穿越高速铁路的情况，文章以连霍高速洛阳至三门峡（豫陕界）段改扩建工程（简称“洛三改扩建工程”）上跨郑西高铁为例，探讨各种交叉方案的可行性。

1 工程概况

洛三改扩建工程起于连霍高速与洛阳绕城高速交叉处，止于豫陕省界收费站，全长约195km，采用双向8车道高速公路标准，设计速度100km/h。上跨阌乡隧道DK298+780～DK298+898段为挖方路段，采用北侧整体式加宽方式以路基方式跨越，新建单侧整体式路基宽度为24.5m，路面顶面与隧道顶面高差为11～13m。

阌乡隧道为双线铁路隧道全长770m，设计速度350km/h。隧道DK298+875～DK299+020里程段下穿连霍高速，隧道与公路平面交角为15°34′12″，交叉段隧道覆盖层仅11m。平面呈小角度交叉，上下交叠，竖向距离较近，其施工运营均会造成隧道周围围岩应力的重分布。

2 洛三改扩建工程对阌乡隧道的近接影响

改扩建工程对既有隧道的影响决定于以下条件：挖方工程与既有隧道的间隔、挖方体与既有隧道的相对位置关系、挖方工程的大小、挖方工程的施工方法、地形和地质条件、既有隧道衬砌结构安全和健全度等。新建工程近接度的示意如图1所示。

图1 近接度的划分

通过上部基坑中心做45°斜线作为地层中潜在的影响面，根据横向影响范围及斜交角度可计算影响区域沿连霍高速公路的长度为213.4m，沿阌乡隧道的纵向长度为217.4m。影响范围及程度较大，施工中采取辅助措施方案是必要的。

3 施工对策方案

改扩建工程对隧道的影响主要分为以下两个方面：（1）施工阶段。基坑开挖时，既有隧道会产生向上的拉伸及位移，损伤隧道的拱作用，不利于结构的安全与稳定。（2）运营阶段。投入运营后，车辆荷载的移动性、冲击性及值不定性均会对隧道衬砌造成一定的损伤。

施工中应延长开挖时间间隔、减小每次的开挖量，尽量减小衬砌的损伤程度。通过辅助措施方案，将车辆荷载尽量传递至围岩而非衬砌结构，减小运营阶段对隧道衬砌的影响。为此，提出以下3种方案。

3.1 板梁式防护

在新建高速公路线路下设置钢筋混凝土板，在板坯两侧设置纵梁作为条形基础。二者共同承担高速公路运营中的荷载，以确保高速公路运营中隧道的整体安全稳定。

3.2 拱桥式防护

挖方结束后，对隧道上方的拱桥进行加固可以避免或减缓车辆荷载对隧道结构的二次扰动，保证隧道结构和行车安全。

3.3 桩基拱桥式防护

在隧道上方设置“拱桥”，在拱脚下挖桩基时，二者共同承担高速公路施工和运营中的部分荷载，从而保证隧道在高速公路施工及运营中的整体安全、稳定。

4 方案比选

通过FLAC3D数值模拟分析围岩在各防护措施中的稳定性，为方案比选提供参考依据。

4.1 分析方法选择

隧道围岩较常用的稳定性分析方法有强度折减法和容重增加法。强度折减法是将围岩抗剪强度的代表值折减至围岩达到极限破坏状态。此时，折减系数为围岩安全系数。增大容重的方法是增大重力加速度，直至围岩达到极限破坏状态。此时，重力加速度与实际加速度之比就是围岩的安全系数。对于摩擦角较大的砂土，当岩土重力荷载增大时，法向应力的增长速度就会快于剪应力的增长速度。由摩尔库仑抗剪强度公式可知岩土体抗剪强度与法向应力成线性关系，岩土体抗剪强度的增长速度比其剪应力的增长速度快，即使不断地增加岩土体的容重也不会造成围岩破坏。这与实际情况明显不符，所以文章采用强度折减法评价隧道围岩的稳定系数。

4.2 稳定性判据说明

（1）以有限元静力平衡计算不收敛作为围岩整体失稳的标志。这种判定具有一定的任意性，而且造成数值计算不收敛的因素比较复杂，增加了计算的难度，故不采用。（2）以塑性区（或者等效塑性应变）隧道到地表贯通作为围岩失稳的标志。塑性区贯通是破坏的必要条件，但不是充分条件，这还取决于是否存在一个巨大的和无限发展的塑性变形和位移。因此，不能简单地以隧道对地表的塑性区侵彻作为判据。（3）以破坏围岩部分的无限移动作为围岩失稳的标志。此时土体滑移面上应变和位移发生突变且无限发展。根据变形破坏规律，围岩稳定性随各种环境因素的变化而变化，位移速率（位移增量与时间增量之比）也随之变化。当围岩达到临界滑动状态时，围岩安全系数降到1.0，位移速率急剧增大，很快将导致围岩失稳破坏。由此可见，围岩的稳定性与位移速率的变化趋势有着密切的关系。

综合分析以上3种判据，文章采用第三种判定，即隧道二次衬砌的拱顶沉降、水平收敛及仰拱隆起的位移突变作为围岩达到极限稳定破坏的依据。一般当安全系数＞1.0时，便可以认为围岩是稳定的，但是综合考虑各种不利因素，取1.0为临界安全系数过于冒进，本次计算以3为围岩稳定性的临界点，即当安全系数≥3时围岩便认为是稳定的。

4.3 计算简述

为评价上述3种防护措施方案对围岩稳定性的影响，以无防护方案作为参照。考虑到各防护措施方案的施工阶段对隧道衬砌的损伤程度不尽相同，无防护方案、板梁式防护、拱桥式防护、桩基拱桥式防护方案对应的隧道衬砌劣化系数分别取0.3、0.35、0.4、0.5。以洛三高速运营阶段的标准荷载及超载时的安全系数作为方案比选的控制计算工况。连霍高速为双向8车道公路，设计时速为100km/h，加宽部分荷载为公路I级荷载，路基路宽24.5m，为单向4车道，考虑最不利的情况，车道内均布荷载，则荷载可以简化为kN/m。本次计算取qk=23kN/m作为标准荷载，考虑到现在高速公路常有超载现象，以标准荷载的两倍作为超载92kN/m情况进行计算。

5 计算结果分析

不断加大强度折减系数，得出各折减系数对应的标准荷载及超载情况下的稳定状态，提取隧道二次衬砌的拱顶沉降、水平收敛与拱顶隆起值，以其值突变点所对应的强度折减系数作为各防护措施方案对应的围岩稳定系数。

5.1 无防护方案

经计算，标准荷载（23kN/m）及超载（92kN/m）作用下，选取断面的安全系数均在1.8左右，＞3.0。

5.2 板梁式防护方案

经计算，标准荷载（23kN/m）及超载（92kN/m）作用下，选取断面的安全系数均在4.0左右，＞3.0。

5.3 拱桥式防护方案

经计算，标准荷载（23kN/m）及超载（92kN/m）作用下，选取断面的安全系数均在4.5左右，＞3.0。

5.4 桩基拱桥式防护方案

经计算，标准荷载（23kN/m）及超载（92kN/m）作用下，选取断面的安全系数均在4.5左右，＞3.0。

5.5 安全系数小结

3种方案均能提高隧道的安全系数为3.0，满足安全要求。

6 方案比选

6.1 施工

隧道围岩基本为黄土，遇水易坍塌。在拱桥桩基施工中使用常规机械挖孔是不容易的。人工挖孔桩施工进度慢，成本高，安全性难以保证。拱桥加固不需打桩，操作方便，但需沿高速铁路隧道方向进行，公路与铁路隧道小角度相交，增加了额外开挖量。板梁防护措施只需沿公路改扩建方向铺设1m厚钢筋混凝土板，避免大量超挖，施工组织管理方便，安全和速度得到有效保证。

6.2 经济

桩基础拱桥在开挖体积和材料消耗方面均大于梁板拱桥。工程造价高、工作量大，所需的机械和人工费用也相应增加，而板梁防护措施比拱桥防护措施成本低、效率高。

6.3 安全

由于空间条件和工程路线的限制，桩基础拱桥的桩孔必然与隧道结构接近，开挖量会增加，隧道结构会受到3个方向的干扰，危及隧道结构的安全；拱桥加固只需在隧道上方开挖，隧道结构施工扰动小，相对安全；梁板防护需在设计路面结构层下继续开孔，开挖深度2～3m，对隧道的影响比以上两种方案，也是施工过程中最安全的。

7 结束语

（1）隧道上方开挖土体时，相当于对其所受竖向荷载的一个卸载过程，将造成既有隧道衬砌的损伤，降低隧道的拱作用；路面车辆荷载具有移动性、冲击性及值不定性，对隧道衬砌的损伤更甚。（2）为减小高速运营阶段对既有隧道的不利影响，以将路面车辆荷载通过附属结构传递至隧道左右两下侧的方案为宜，方案比选时应综合考虑施工、经济、安全及施工对隧道衬砌的扰动大小。（3）考虑附属措施方案对隧道衬砌的损伤，桩基拱桥方案及拱桥方案对隧道围岩结构的稳定性系数提高程度相当，板梁式方案能保证隧道围岩结构满足安全要求，综合考虑造价、施工及安全，板梁式方案最优。（4）基坑每次的开挖量不易过大，开挖时间间隔不宜过短，以使隧道围岩应力具有足够的时间重自我调整，降低施工过程对隧道围岩结构的不利影响，同时应注意防水及边坡支护与加固。