新建公路填挖方對下方既有隧道的影響分析

司君嶺

(西南交通大學，四川成都 610031)

1 工程概況

國內某擬建的高速公路輔道與下伏既有隧道存在2處立體交叉段。斷面里程分別為K12+908(填方斷面)、K13+745(挖方斷面)。在既有隧道上方進行土方開挖、填筑時，在施工過程中不可避免地對下方隧道產生影響，如果結構變形以及結構應力超過既有隧道的設計極限值，會直接導致整個結構體系發(fā)生嚴重損壞[1～3]。因此，有必要對高速公路輔道施工期間既有隧道的變形規(guī)律進行分析，以此評估既有線的安全狀況，保證既有隧道的正常運營。

2 模型建立

本文計算采用有限差分計算程序FLAC3D，計算模型(圖1)所取范圍是橫向取60 m，縱向90 m，填方模型高度78.31 m，挖方模型高度92.06 m。模型上方地表為自由邊界，四周設置法向約束。填挖方后路面施加10 kPa的荷載。

(a)填方交叉斷面

(b)挖方交叉斷面

2.1 圍巖參數(shù)的確定

根據(jù)地質勘察報告提供的土體物理力學性質，模型中圍巖物理力學參數(shù)見表1。

表1 圍巖物理力學參數(shù)

2.2 支護參數(shù)的確定

該隧道采用復合式襯砌結構，襯砌參數(shù)列于表2中。

表2 支護結構參數(shù)表

3 數(shù)值模擬結果及分析

既有隧道上方填挖方施工對隧道-圍巖結構而言是卸載或加載的過程，會導致隧道的附加變形，而隧道同時受到水平側壓力和豎向壓力，因此產生變形的過程是復雜的[1]。本次計算提取交叉里程段工況的圍巖主應力場、結構位移來分析既有隧道上方填挖方及路基施工對既有隧道的影響。

3.1 填挖方后圍巖主應力場分析

一般情況下圍巖的抗拉強度都比較低，因此很容易在拉應力的作用下產生拉裂破壞，尤其是在拱頂位置上，常常是引起隧道坍塌的原因。因此，分析隧道圍巖的受力對研究隧道的穩(wěn)定性來說是很重要的。下面重點研究在中間截面附近的圍巖應力狀態(tài)。隧道填挖方及路基施工完成后，圍巖的最大主應力云圖如圖2、圖3所示。

圖2 K12+908交叉斷面施工完最大主應力云

圖3 K13+745交叉斷面施工完最大主應力云

從圖2、圖3中可以看出，K12+908交叉斷面施工完成后的圍巖的最大壓應力為2.377 8 MPa，較大的壓應力集中發(fā)生在隧道拱腰位置；拉應力集中于隧道直墻和拱底位置，且量值很??；K13+745交叉斷面施工完成后，圍巖的最大壓應力為2.377 0 MPa，較大的壓應力集中發(fā)生在墻角位置；拉應力集中于隧道直墻和拱底位置，且量值很小。

綜合分析兩個交叉斷面，填方斷面施工完成后圍巖應力較挖方大，但是兩者應力值均較小，由于各工況均處于深埋，應力最大值相差不大，可見該既有隧道上方填挖方對既有隧道的圍巖應力影響較小。

3.2 監(jiān)控點填挖方前后位移分析

從圖4、圖5可知，左右兩邊圍巖的豎向位移相對于隧道是對稱分布的，填方后施做路基，相當于在既有隧道上方施加荷載，造成既有隧道的位移值明顯增大；而挖方后相當于在既有隧道上方卸掉部分荷載，其圍巖位移值反而有所減小[2]。K12+908交叉斷面在填方及施做路基后，圍巖及路面的最大下沉量為1.554 mm，發(fā)生在地表路面位置，最大隆起量為0.746 mm，發(fā)生在隧道拱底位置；K13+745交叉斷面在挖方及施做路基后，圍巖及路面的最大下沉量為0.326 mm，發(fā)生在隧道拱頂位置，最大隆起量為2.100 mm，發(fā)生在隧道拱底位置；將監(jiān)控點設在模型沿既有隧道縱向10 m斷面處，地表路面及隧道拱頂?shù)谋O(jiān)控位移匯總(圖6、圖7)。

圖4 K12+908交叉斷面填方后位移云

圖5 K13+745交叉斷面挖方后位移云

圖6 地表路面位移變化曲線

圖7 拱頂沉降變化曲線

從地表路面位移曲線及隧道拱頂沉降曲線可知，K12+908斷面的位移變化較大，說明填方對隧道及路面的穩(wěn)定性影響比挖方影響更大；當隧道掌子面推過一段距離后，各監(jiān)控點的位移變化值均處于穩(wěn)定狀態(tài)，說明在填挖方一段時間后，既有隧道結構基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，無繼續(xù)劣化現(xiàn)象[3]。綜合分析，各工況斷面的位移變化值均較小，均在安全控制范圍內，因此既有隧道上方填挖方對隧道的位移影響較小，能保證隧道的安全。

4 結束語

本文利用數(shù)值模擬研究了道路修建過程中，填挖方對下方既有隧道受力和變形的影響，并得到如下結論：

(1)K12+908交叉斷面和K13+745交叉斷面施工完成后的圍巖的最大主應力均集中發(fā)生在隧道拱腰位置，且填方斷面施工完成后圍巖應力較挖方斷面大，但是兩者應力值均較小，可見該既有隧道上方填挖方對既有隧道結構影響甚微。

(2)圍巖位移關于既有隧道呈對稱性分布，填挖方相當于在既有隧道上方加載(卸載)，造成既有隧道的位移值增大(減小)。

(3)在填挖方一段距離后，既有隧道結構基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，無繼續(xù)劣化現(xiàn)象。同時各監(jiān)測點位移值均較小，能夠滿足既有隧道變形安全要求。