斷層帶水工隧道穿越公路對(duì)路面結(jié)構(gòu)的影響

(重慶交通大學(xué) 重慶 400000)

一、引文

我國(guó)幅員遼闊，是一個(gè)多山的國(guó)家，山區(qū)(包括山地、崎嘔的高原和丘陵)約占全國(guó)陸地面的三分之二[1]，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，交通設(shè)施的建設(shè)從地上的道路與邊坡工程，逐漸轉(zhuǎn)移到地下空間的隧道工程上來(lái)[2]。地下空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并不是一個(gè)完整的均勻介質(zhì)，其間充滿了片理、節(jié)理、層理、斷層等結(jié)構(gòu)[3]。

二、項(xiàng)目概況

XE輸水工程輸水工程4#隧洞在奎阿高速(G3014)樁號(hào)K517+181處穿越，隧洞與高速公路正交，高速公路寬約24m。在隧洞兩端各設(shè)24m作為過(guò)渡段，總長(zhǎng)度72m，隧洞樁號(hào)為97+257～97+329。襯砌后洞徑8.2m，斷面為平底馬蹄形斷面。

工程區(qū)在隧洞沿線發(fā)育有f1、f2兩條規(guī)模不等的斷層，斷層為NW走向，產(chǎn)狀：295°NE∠65°，斷層走向與隧洞軸線夾角10°，在隧洞內(nèi)延伸長(zhǎng)度25～57m，對(duì)洞室穩(wěn)定影響較大。

三、模型的的建立

取洞室左右各三倍洞涇，底部深度范圍取三倍洞涇，頂部覆土層考慮最不利因素，取最薄處，7.6m，建成后的模型寬度為70m，縱向長(zhǎng)度為72m，豎向長(zhǎng)度47.5m。計(jì)算模型的左右和前后邊界為水平方向約束，底部為豎直方向約束，頂部為自由邊界。

模型參數(shù)取值參照地勘報(bào)告，采用莫爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型。

奎阿高速(G3014)作為高速公路，設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為公路—Ⅰ級(jí)，《公路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》中明確規(guī)定公路一級(jí)車(chē)道荷載的均布荷載標(biāo)準(zhǔn)值為qk=10.5KN/m；集中荷載標(biāo)準(zhǔn)值按以下規(guī)定選取：PK=2*(L0+130)。取輸水隧洞跨徑為8.2m計(jì)算，PK=276.4KN，換算公式如下：q=(qk+Pk/5)/3.75=(10.5+276.4/8.2)/3.75=11.79KN/m2

計(jì)算時(shí)q值取13KN/m2

考慮最不利因素，荷載施加滿布整個(gè)高速公路寬度范圍內(nèi)。

四、計(jì)算結(jié)果分析

本次計(jì)算主要評(píng)價(jià)指標(biāo)為隧道開(kāi)挖對(duì)路面結(jié)構(gòu)平整度的指標(biāo)影響值，主要考慮為模型計(jì)算中的地表豎向位移指標(biāo)。參照我國(guó)《公路瀝青路面養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》(DB13/T 2465-2001)對(duì)平整度的養(yǎng)護(hù)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，高速公路、一級(jí)公路平整度(3m直尺)要求為h≤7

圖1為路面不均勻沉降模型，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，不考慮其路線縱坡的影響，且該曲線是連續(xù)圓滑的，最大沉降點(diǎn)處于曲線中間，測(cè)量平整度的最大塞尺間隙在3m直尺的中部，且間隙值取上限7mm，則由不均勻沉降產(chǎn)生的坡度為

(式3-1)

圖1 路面沉降斷面模型

所以，當(dāng)不均勻沉降產(chǎn)生的坡度控制在0.47%以內(nèi)，既不會(huì)影響路面功能性，也不會(huì)使路面結(jié)構(gòu)損壞.因此可采用平整度指標(biāo)作為高等級(jí)公路的不均勻沉降控制指標(biāo)。

圖2 隧洞開(kāi)挖后地層沉降云圖

圖3 開(kāi)挖后道路中線沉降云圖

根據(jù)圖2可知，隧洞開(kāi)挖導(dǎo)致隧洞周邊地層沉降較大部分為隧洞拱頂及底板圍巖。依據(jù)地勘報(bào)告，隧洞在樁號(hào)K97+270處于斷裂地層相交，分析可得，斷裂地層對(duì)隧洞開(kāi)挖產(chǎn)生拱頂沉降影響較為明顯，在斷裂地層與隧洞相交后，拱頂沉降明顯變大。拱頂沉降最大值，在隧洞開(kāi)挖后為1.1mm。底板圍巖隆起最大值，在隧洞開(kāi)挖后為1.8mm。

圖3顯示隧道開(kāi)挖后，隧道中線上方地層受影響較大，產(chǎn)生較大沉降。地表最大沉降值出現(xiàn)在隧洞中線上方K517+181附近。地表沉降最大值為0.73mm。

圖4 XE輸水工程4#隧洞開(kāi)挖引起的路面最大位移斷面

圖5 奎阿高速(G3014)路面最大位移斷面位移值(單位：mm)

本報(bào)告考慮到最不利荷載對(duì)應(yīng)位置，提取了奎阿高速(G3014)路面對(duì)應(yīng)XE輸水工程4#隧洞正拱頂位置的位移值，具體圖4～圖5。

取地表沉降穩(wěn)定值來(lái)進(jìn)行計(jì)算。取樁號(hào)K517+182，K517+194之間兩計(jì)算節(jié)點(diǎn)進(jìn)行縱向線型計(jì)算。本段落沿最大差異沉降值為0.687882mm(0.970147-0.282265=0.687882mm)，傾斜度i=0.687882/12.1176/1000=0.005677%，遠(yuǎn)小于規(guī)范給定的0.47%的標(biāo)準(zhǔn)值，該段XE輸水工程4#隧洞開(kāi)挖對(duì)奎阿高速(G3014)影響微小。

五、結(jié)論

本文依據(jù)XE輸水工程4#隧洞穿越奎阿高速(G3014)，分析了斷層帶地區(qū)隧道下穿公路對(duì)路面結(jié)構(gòu)的影響，運(yùn)用MidasGTS，采用莫爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型，建立了三維力學(xué)分析模型。在與斷層帶小交角，埋深較淺，圍巖條件較差的不利工況下，計(jì)算了隧道開(kāi)挖下穿公路對(duì)路面平整度的影響。隧道開(kāi)挖在此種情況下對(duì)既有公路路面平整度影響較小，為后續(xù)此類工程提供了參考案例。