新建公路路基上跨既有高速公路隧道的安全影響分析

浙江省交通規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司 呂濤

廣西柳州市軌道交通投資發(fā)展集團有限公司 楊明松

本文以新建公路上跨既有高速公路隧道工程為研究對象，通過數(shù)值模擬理論分析公路路基施工時和建成后運營工況對既有隧道結(jié)構(gòu)的影響，研究分析得出路基開挖施工對隧道周邊圍巖有一定的擾動，導(dǎo)致隧道周邊圍巖應(yīng)力二次重分布，對運營隧道有一定的影響，路基施工期間通過采取機械開挖，加強施工監(jiān)控，并根據(jù)監(jiān)控量測數(shù)據(jù)，實時加固處理地層；運營期間加強治超管理，嚴禁超載超限車輛于道路上行駛，可保證高速公路隧道安全運營，為類似相關(guān)工程提供相應(yīng)參考。

三維計算模型的建立

根據(jù)收集原有隧道施工圖設(shè)計及地質(zhì)勘察資料，為充分研究既有隧道上方新建道路對既有隧道的影響，建立有限元模型，分析研究計算。由于隧道外寬度在3倍洞徑以上時，邊界效應(yīng)對洞室圍巖變形的影響已經(jīng)不明顯。因此，本文中模型寬度取隧道兩側(cè)距離大于3倍隧道直徑，左右各取31m，隧道底部取31m，路基下挖8m。另外本文為簡化計算模型，模型長度（隧道前進）方向取10m。根據(jù)計算區(qū)域范圍及當?shù)氐匦钨Y料，建立的模型為62m×59m×10m（挖方）的長方體。網(wǎng)格劃分采用六面體單元進行map和free劃分，共有17280個單元，20174個網(wǎng)格節(jié)點。采用實體單元模擬隧道初期支護和二次襯砌，采用cable單元模擬隧道錨桿，劃分的模型網(wǎng)格如圖1、圖2所示。

圖1 整體計算模型圖

圖2 隧道下挖段完成計算模型

在建立三維有限元計算模型時，坐標系選取為：X軸垂直隧道前進方向，Z軸垂直向上，Y軸隧道開挖方向。計算模型邊界條件：在底面施加X、Y、Z方向約束，左右邊界施加X方向水平約束，前后邊界施加Y方向約束，模型上方為自由面。此外，隧道上方道路車輛通行造成的荷載勢必對隧道產(chǎn)生一些影響。采用荷載組中面荷載施加在道路表面單元模擬道路車輛荷載。

表1 地層及襯砌物理力學參數(shù)

本工程路基與高速公路隧道上跨處，工程地質(zhì)情況從上往下分別是全、強風化花崗巖、中風化花崗巖、微風化花崗巖。

初期支護采用C25鋼纖維噴射混凝土加格柵鋼拱架，噴射混凝土厚度25cm。數(shù)值模擬中為了簡化模型建模過程，初期支護中型鋼拱架采用等效方法予以考慮，即把型鋼拱架的彈性模量折算給噴射混凝土，二次襯砌同樣采用等效方法進行模擬。拱部100范圍內(nèi)不設(shè)置系統(tǒng)錨桿，邊墻設(shè)長4.0m φ25-5中空注漿錨桿，環(huán)向間距間距1.0m，縱向間距0.5m，全長砂漿粘結(jié)。

車輛荷載計算依據(jù)《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》，計算得到公路車輛荷載約為7.5KPa，考慮超載等不利因素，結(jié)合經(jīng)驗取值28KPa。

計算結(jié)果分析

路塹開挖施工對隧道的影響分析

隧道圍巖位移分析

水平位移分析。根據(jù)水平位移云圖可得，隧道上方路塹邊坡挖方完成后的最大水平位移出現(xiàn)在隧道的拱腰附近，最大水平位移為0.93mm，因此在上方邊坡開挖施工過程中，應(yīng)加強對隧道四周水平收斂位移的監(jiān)測，如有必要對隧道采取地層注漿加固措施。

豎向位移分析。根據(jù)豎向位移云圖可得，隧道上方路塹邊坡在開挖完成后，由于卸荷原因，路面包括隧道都因卸荷產(chǎn)生了一定的隆起，由云圖可得，開挖完成后的路面最大隆起位移為1.67cm，隧道拱頂隆起1.2cm，拱底隆起8mm，因此在隧道上方路塹邊坡開挖后，應(yīng)及時對下方土層采取加固措施，防止因卸荷原因造成地表隧道隆起現(xiàn)象，可以對地表采取注漿，地錨等措施，并對隧道四周拱底和拱頂加強監(jiān)控量測，發(fā)現(xiàn)位移速率變化過大應(yīng)及時采取相關(guān)措施，并在隧道四周土層采取注漿加固等一系列措施，從而防止因為覆土深度變淺導(dǎo)致路面上部車輛荷載對既有隧道的影響。

隧道圍巖應(yīng)力云圖

根據(jù)路塹邊坡挖方完成后隧道圍巖的大小主應(yīng)力云圖可得，隧道上方挖方完成后，隧道四周出現(xiàn)應(yīng)力集中，最大應(yīng)力為3.7MPa，表現(xiàn)為壓應(yīng)力，主要在隧道的拱頂及拱腳位置，小于圍巖的極限抗壓強度；在隧道拱肩附近出現(xiàn)了拉應(yīng)力，大小為0.1MPa，小于圍巖的極限抗拉強度。因此在隧道上方路塹挖方完成后應(yīng)對隧道拱頂及拱腳進行加固措施，防止因應(yīng)力過大而造成現(xiàn)有拱頂和拱腳混凝土擠壓變形。

通車后運營期對隧道結(jié)構(gòu)的影響分析

運營隧道上方道路運營通車后，對其進行數(shù)值計算，得出分析結(jié)果如下：

隧道圍巖位移分析

水平位移分析。根據(jù)水平位移云圖可得，隧道上方道路在通車后的最大水平位移出現(xiàn)在隧道的拱腰附近，最大水平位移為0.46mm，因此在上方道路通車后在水平位移方向也造成了一定的水平位移，與之前的路塹開挖造成的水平位移疊加，在隧道拱腰附近水平位移最大。在通車過程中，應(yīng)加強對隧道四周收斂位移的監(jiān)測，如有必要根據(jù)監(jiān)控量測數(shù)據(jù)對隧道采取地層注漿加固措施。

豎向位移分析。根據(jù)豎向位移云圖可得，隧道上方道路通車后，地表產(chǎn)生的豎向位移最大，地表沉降為6.4mm，在拱頂造成的沉降位移為5mm，拱底是3mm，由于通車原因，對既有隧道造成了一定的沉降位移，與其原先的路塹開挖造成的位移出現(xiàn)抵消作用，但考慮到之間是有一定的時間間隔，因此施工過程中應(yīng)注意反復(fù)對隧道四周圍巖的擾動，所造成的隧道四周圍巖及襯砌的反復(fù)變形，從而導(dǎo)致疲勞破壞的現(xiàn)象發(fā)生，因此在施工過程中加強對隧道四周收斂的監(jiān)控量測，發(fā)現(xiàn)位移速率變化過大應(yīng)及時采取相關(guān)措施，并在隧道四周土層采取注漿加固等一系列措施，防止因施工原因造成的對隧道四周圍巖的反復(fù)擾動變形影響。

隧道圍巖應(yīng)力云圖

根據(jù)路通車后隧道圍巖的大小主應(yīng)力云圖可得，隧道上方道路通車后，在隧道四周出現(xiàn)應(yīng)力集中，最大應(yīng)力為8.13MPa，表現(xiàn)為壓應(yīng)力，主要在隧道的拱腰及拱腳附近，小于圍巖的極限抗壓強度；在隧道拱底及拱頂附近出現(xiàn)拉應(yīng)力，在拱底處的拉應(yīng)力最大，為0.13MPa，小于圍巖的極限抗拉強度。因此在隧道上方道路通車前應(yīng)加固隧道拱腰、拱腳及拱底，如采取注漿，錨桿等，防止因為應(yīng)力過大而造成現(xiàn)有襯砌混凝土的擠壓或受拉變形破壞。