道路上跨既有隧道施工安全性评价研究

郑敏敏 （兰州信息科技学院，甘肃 兰州 730300）

1 引言

随着目前基建的逐渐发展，不同空间的利用最大化已经成为趋势，不同构筑物之间的近距离施工也带来了安全隐患。为此，诸多人员对多种土工构筑物近距离施工进行了研究，丰富了施工经验。范德全[1]依托兴泉铁路绿谷二号隧道上跨既有福厦铁路陈坝隧道工程实例，开展新建铁路隧道上跨爆破施工对既有铁路隧道振动影响分析。结合隧道的基本情况，进行危险源辨识分析，针对性提出爆破方案，并进行最大装药量计算。然后提出爆破工程防护措施的建议，为爆破施工的顺利实施提供技术保障。李刚柱[2]针对某地新建地铁隧道斜穿上跨既有地铁隧道形成的双层四线叠交隧道的近接施工问题，采用基于有限差分法的数值模拟手段，深入研究了新建隧道左、右线不同施工方案对既有线的变形影响规律。王显根[3]以济南地铁2号线出入场线盾构上跨开源路站-烈士陵园站区间既有隧道施工为例，采用Midas GTS NX对盾构上跨既有隧道进行数值模拟。由此可见，近距离施工需要进行相关的安全性评估，以确保安全及顺利施工，为此文章以宁东基地白芨滩路北延伸段道路及给排水工程上跨既有宝丰物流园铁路专用线宝丰隧道为依托，总结辨识道路施工影响隧道安全的控制标准，并采用三维数值仿真的方法对既有隧道上跨道路施工进行安全性评价。

2 工程概况

宁东基地白芨滩路北延伸段道路及给排水工程上跨既有宝丰物流园铁路专用线宝丰隧道，上跨道路中线与铁路隧道中线交叉里程K0+477.37(=铁路设计里程ZDK0+293.60)。

2.1 道路线路设计概况

原设计认为白芨滩路北延伸段道路线位与宝丰物流园道路及其大门设置位置存在冲突，对此进行设计变更，道路起点位置不变，路线调整范围为K0+000～K1+015.15（=原设计K1+010处），调整路线范围长度为1015.15m。线路调整后，K0+280东侧预留约66m宽空间修建宝丰物流大门。

在道路开挖至路床底面标高后，继续向下超挖40cm，全断面铺设防水土工布（两布一膜的防渗土工布单位面积质量不小于500g/m2，断裂强度≥15kN/m，断裂伸长率＜50%，撕裂强度≥0.6kN），在回填6%灰土过程中，每40cm厚度铺设土工格栅。路面结构层底基层变更为水泥石灰砂砾土（体积比为4:10:40:46）。

2.2 隧道概况

宝丰隧道位于宝丰物流园前，宁东灵盐台地缓坡丘陵区，地势较为平坦，坡缓山圆。隧道采用明挖结构，最大埋深12.0m，起迄里程为 ZDK0+121.4～ZDK0+330，全长208.6m隧道处于1.75‰/208.6m的下坡，交通条件较为便利。为了后续线路（预留黎红线）在本线上部形成立体交叉，故将此段落定为隧道工程，洞口的确定亦考虑到后期上方路基回填的要求。

隧道开挖回填设计。本工程明洞覆土 厚 度 ZDK0+121.4～ZDK0+230为10m；ZDK0+230～ZDK0+250为过渡段落，回填纵向坡度1:10，厚度10m～12m；ZDK0+250～ZDK0+330为12m。明挖主体结构达到规范要求的强度后，其上可回填土石，并使回填土达到塑性指数小于12，液限小于32%。分层铺设分层碾压，最终使回填层的单轴抗压强度达到120kPa以上、压实系数Kh不小于0.7，地基系数K30不小于0.86。开挖回填断面如图1所示。

图1 隧道明洞基坑开挖防护及回填处理图

2.3 既有铁路情况与道路工程关系

因线路调整，经专家评审后，平面设计意见具体如下。为满足现行有关规范技术指标要求，将变更道路段的设计速度调整为30km/h。道路线位变更后，将于K0+477.37处上跨宝丰隧道（宝丰隧道里程DZK0+293.6）。道路东侧边缘距离隧道出口西北角为4m，且道路与铁路交叉角度约500，基本满足设计规范要求。白芨滩路北延伸段道路设计变更路线范围K0+000～K1+015.15（=原设计K1+010处），长度为1015.15m，相对原设计增长5.151m。线路调整后，K0+280东侧预留约66m宽空间修建宝丰物流大门。道路上跨段与宝丰隧道平面交叉位置关系如图2所示。

图2 道路上跨段与宝丰隧道平面交叉位置关系

为尽可能减少对现有隧道结构的影响，建议道路K0+480处上跨隧道处的道路设计标高约1259.19m（宝丰隧道结构顶部标高为1253.82m），隧道顶部覆土厚度约5.37m，道路路床需做加强及防渗处理，即路床下超挖0.4m后，铺设1层防渗土工布和3层土工格栅，分散车辆荷载对隧道结构的应力。

3 道路施工影响隧道安全的控制标准

3.1 主要风险因素辨识

本道路工程施工及运营风险因素及风险事件如表1所示。

路基施工可能引起的风险因素及风险事件 表1

3.2 安全控制标准

结构安全系数如表2所示，变形控制标准如表3所示。

钢筋混凝土结构的强度安全系数 表2

既有线隧道结构控制指标参考数值表 表3

4 市政道路上跨隧道施工影响分析

4.1 有限元建模分析

为考虑路基施工空间效应对下伏既有隧道的影响，计算采用三维地层结构法模拟分析路基施工过程，并最终得到下伏隧道周边地层位移、塑性区及隧道结构自身变形情况，根据相关规范对结构变形要求，评判隧道安全性。模型尺寸为Z向取80m，X向取200m，Y向300m，所建立的三维有限元模型如图3所示。经计算，得到初始状态下模型应力场云图，如图4所示，初始状态下模型应力符合实际情况，证明模型建立准确，可以进行后续施工步骤的模拟。

图3 三维模型空间位置透视图

图4 初始状态模型应力场云图

计算总体过程为地层初始应力场→隧道修筑后应力场→路基开挖→基底处理、路面铺筑→开通运营。根据具体施工步骤，隧道上覆土体3m～6m不同工况下模型最小安全系数、最大水平及竖向位移等关键数据进行曲线分析，如图5所示。由图5（a）可知，在几种工况下，模型安全系数均呈现出先开挖卸荷导致安全系数增大，再路基填筑增大导致安全系数减少的趋势，符合实际工程效果。在垫层下挖时卸荷最大，安全系数达到最大，但所有工况下安全系数均大于2.40，满足规范要求。

图5 关键计算曲线图示

同理，由图5（b）、图4（c）可知，最大水平及竖向位移均呈现出逐渐增大后减小的趋势，因为开挖导致实际工程自由度增大，位移增加，随后路基填筑后边坡位移得到限制。隧道覆土达到6m时，最大水平及竖向位移分别为4.61mm、3.43mm，均小于规范限值。

4.2 施工建议

为进一步保证既有铁路运营安全和正常使用，建议设计施工采取以下技术措施。

上跨道路施工前，通过地表注浆的方式加固隧道周边土体，形成“门”式加固区，控制隧道及周边土体变形，再进行道路路基开挖施工。

地表注浆施工前建议精确定位注浆孔位置，现场试验确定合理的扩散半径，以确保加固区域的有效性，同时要严格控制注浆压力，防止注浆压力过大，造成隧道结构变形。上跨隧道段，临近隧道洞口一侧应设置SS级防撞护栏及防抛网，防抛网高度不小于2.5m，确保隧道运营安全。道路下方敷设的给水管道增加套管保护措施，应确保管道及套管的密封性，防止水体下渗。由于上跨道路接入宝丰物流园，通行车辆不可通行超载超限车辆，做好限重措施，限载重量大于70t。

5 结论

文章以某道路上跨既有宝丰隧道为依托，采用三维数值仿真的方法对既有隧道上跨道路施工进行安全性评价。研究表明，隧道上覆土体3m～6m不同工况下，模型安全系数呈现出先增大后减少的趋势，且所有工况下安全系数均大于2.40，满足规范要求。最大水平及竖向位移均呈现出逐渐增大后减小的趋势，隧道覆土达到6m时，最大水平及竖向位移分别为4.61mm、3.43mm，均小于规范限值。建议施工时通过地表注浆加固、设置SS级防撞护栏及防抛网、避免通行超载超限车辆，做好限重措施等措施，以确保隧道结构安全控制指标满足规范要求。