隧道下穿高速公路影響分析

陳 俊

(重慶路威土木工程設(shè)計(jì)有限公司，重慶 400060)

隨著城市的不斷擴(kuò)張，地下空間開(kāi)發(fā)日益加大，地鐵隧道的修建對(duì)緩解城市交通壓力起了重要作用，但同時(shí)隧道施工不可避免的對(duì)地表結(jié)構(gòu)或周邊建筑物產(chǎn)生影響。在高速公路與隧道施工相互作用下，可能對(duì)高速公路運(yùn)營(yíng)安全和隧道結(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生影響。地鐵隧道施工前，公路和路基巖體處于自然平衡狀態(tài)，隧道開(kāi)挖后在巖體內(nèi)部形成臨空面，對(duì)隧道周邊圍巖產(chǎn)生了擾動(dòng)，導(dǎo)致圍巖應(yīng)力重分布和地層變位。在此過(guò)程中處于較差地質(zhì)環(huán)境下的淺埋暗挖隧道施工可能誘發(fā)大范圍的地表沉降，導(dǎo)致路面開(kāi)裂或路面斷裂，輕則局部降低路面平整度，降低行車(chē)舒適度，重則影響行車(chē)安全。上部汽車(chē)荷載又會(huì)對(duì)下部隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加內(nèi)力，在高速公路不能中斷行車(chē)的條件下給隧道施工帶來(lái)了安全隱患和增加了施工難度。因此，淺埋暗挖隧道下穿高速公路，隧道施工和高速公路相互作用應(yīng)引起足夠的重視。

1 公路沉降分析

1.1 公路沉降模型

根據(jù)路基路面結(jié)構(gòu)不同，其相對(duì)剛度存在差異，隧道施工引起的路面變形模式可分為剛性路面沉降模式和柔性路面沉降模式［1］，如圖1 和圖2 所示。

圖1 柔性結(jié)構(gòu)路面

圖2 剛性結(jié)構(gòu)路面

1)對(duì)于柔性路面(瀝青混凝土路面)，地鐵隧道施工引起路基沉降，路面變形與路基沉降協(xié)調(diào)一致。由于柔性路面具有很好的變形協(xié)調(diào)能力，路面不易開(kāi)裂，但路面易出現(xiàn)車(chē)轍路面縱向呈現(xiàn)高低不平順，行車(chē)至此會(huì)出現(xiàn)顛簸，行車(chē)舒適度降低。

2)對(duì)于剛性路面(水泥混凝土路面)，地鐵隧道施工導(dǎo)致的路基變形與路面沉降并不一致，存在差異沉降，路基路面呈現(xiàn)結(jié)構(gòu)分離，局部出現(xiàn)吊空現(xiàn)象。在重載汽車(chē)移動(dòng)荷載作用下，路面可能發(fā)生嚴(yán)重開(kāi)裂或斷裂，最終在汽車(chē)循環(huán)荷載作用下路面破壞不斷加劇，破壞范圍不斷擴(kuò)大，對(duì)高速行駛的汽車(chē)行車(chē)安全產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

3)在相同施工環(huán)境下，公路兩種沉降模式存在著不同的變形狀態(tài)和破壞類(lèi)型。柔性路面結(jié)構(gòu)剛度小，能適應(yīng)不同情況下的協(xié)同變形，路面結(jié)構(gòu)不易出現(xiàn)裂縫，但易出現(xiàn)車(chē)轍;剛性路面結(jié)構(gòu)剛度大，呈現(xiàn)脆性破壞方式，路面易開(kāi)裂滲漏，循環(huán)荷載下破壞速度快，破壞范圍延伸明顯，對(duì)于行車(chē)安全影響明顯較柔性路面結(jié)構(gòu)大。

1.2 隧道施工影響下公路破壞行為分析

淺埋暗挖地鐵隧道施工引起圍巖應(yīng)力重新分布，隧道周邊圍巖向隧道內(nèi)部移動(dòng)，導(dǎo)致隧道地層變位誘發(fā)地表沉降。上部路面結(jié)構(gòu)在重力作用和汽車(chē)豎向荷載作用下，路面將向下變形，使得路面結(jié)構(gòu)本身下部受拉，上部受壓，設(shè)計(jì)中已考慮了路面抗拉強(qiáng)度，但隧道施工誘發(fā)的不均勻沉降導(dǎo)致的較大附加應(yīng)力在路面設(shè)計(jì)過(guò)程中并未考慮到，此附加應(yīng)力和原有的拉應(yīng)力耦合可能引起路面開(kāi)裂或斷裂等現(xiàn)象。1)位于較差地質(zhì)環(huán)境下的淺埋暗挖隧道下穿高速公路，設(shè)計(jì)、施工為了確保公路安全暢通，隧道開(kāi)挖前需進(jìn)行大管棚注漿加固，這可能引起路面出現(xiàn)小幅度隆起，降低路面平順度。這種狀態(tài)下路面下部可能處于壓應(yīng)力狀態(tài)，路面上部反而受到拉應(yīng)力，當(dāng)然在移動(dòng)汽車(chē)荷載作用下，路面拉壓應(yīng)力可能會(huì)反向，但這種方式可以抵消部分拉壓應(yīng)力，從某種程度上說(shuō)這對(duì)于減小公路內(nèi)部應(yīng)力是有一定好處的，其受力模式如圖3所示。在大管棚注漿過(guò)程中若不控制好注漿壓力和注漿量，對(duì)于剛性結(jié)構(gòu)路面局部過(guò)大的隆起可能導(dǎo)致路面開(kāi)裂。2)未出現(xiàn)注漿隆起的柔性結(jié)構(gòu)路面，隧道開(kāi)挖引起路基下沉，路面在結(jié)構(gòu)自重作用下，呈現(xiàn)沉降槽曲線模式，路面下部受拉，上部受壓。另外在汽車(chē)荷載P作用下會(huì)產(chǎn)生一個(gè)附加應(yīng)力σ，但此時(shí)路面下部總拉應(yīng)力一般不可能超過(guò)材料抗拉強(qiáng)度σf即路面不會(huì)產(chǎn)生裂縫。在這種模式下由于路面沉降，高速行駛的汽車(chē)會(huì)存在局部的超重效應(yīng)，使得路面容易出現(xiàn)車(chē)轍等現(xiàn)象，其受力模式如圖4所示。3)沒(méi)有注漿隆起的剛性結(jié)構(gòu)路面，隧道施工引起路基沉降導(dǎo)致的路面開(kāi)裂或貫穿斷裂有兩種破壞類(lèi)型:a.路基沉降與路面沉降存在較大的差異沉降，路基路面中間局部脫空，那么路面會(huì)存在“簡(jiǎn)支梁效應(yīng)”，在重載汽車(chē)輪載下，路面下部產(chǎn)生巨大拉應(yīng)力，若此拉應(yīng)力σ＞σf，路面下部開(kāi)裂，在不斷高速汽車(chē)循環(huán)荷載作用下，裂縫快速延伸開(kāi)展，直至貫通路面上部，甚至導(dǎo)致整個(gè)路面斷裂;b.路基路面存在較小差異沉降，路面“簡(jiǎn)支梁效應(yīng)”不明顯，在此狀態(tài)下路面下部拉應(yīng)力σ＜σf，但路面依舊開(kāi)裂，分析其主要原因是公路基層內(nèi)部微裂紋的發(fā)展、延伸。在公路基層與路面脫離過(guò)程中，路面結(jié)構(gòu)附帶著部分凹凸不平極不均勻的基層材料即路面下部存在一個(gè)粘結(jié)附加層，此粘結(jié)附加層抗拉強(qiáng)度很低，其自身內(nèi)部存在很多微裂紋，這些微裂紋在汽車(chē)荷載作用下，雖路面下部拉應(yīng)力σ＜σf，但從斷裂力學(xué)角度考慮，這些裂紋尖端存在應(yīng)力場(chǎng)奇異區(qū)，裂紋尖端附近應(yīng)力極高，由此裂紋快速延伸、開(kāi)展、擴(kuò)大，最終在循環(huán)荷載下路面開(kāi)裂甚至斷裂，如圖5所示。

圖3 管棚注漿地表隆起示意圖

2 數(shù)值模擬

2.1 工程概況

區(qū)間地鐵隧道穿越一條正在運(yùn)營(yíng)的高速公路，隧道設(shè)計(jì)寬度為11.8 m，高度為9.8 m，隧道下穿高速路段最小埋深僅4.0 m。隧道采用貫穿高速公路的雙層大管棚注漿加固支護(hù)，擬采用全斷面法機(jī)械掘進(jìn)施工，采用鋼拱架、錨桿、鋼筋網(wǎng)、噴射混凝土進(jìn)行初期支護(hù)。隧道幾乎垂直下穿高速公路，其平面位置如圖6所示，隧道橫斷面圖如圖7所示。

圖4 柔性結(jié)構(gòu)路面沉降示意圖

圖5 剛性結(jié)構(gòu)路面沉降示意圖

圖6 隧道與高速公路平面位置關(guān)系

圖7 隧道橫斷面示意圖（單位：m）

2.2 有限元模型及計(jì)算分析

實(shí)踐和理論分析表明，地下洞室開(kāi)挖僅在洞室周?chē)喽词抑行?倍～5倍隧道開(kāi)挖寬度范圍內(nèi)存在影響，在3倍寬度處的應(yīng)力變化一般在10%以下，在5倍寬度處應(yīng)力變化一般在5%以內(nèi)［2］。文中隧道模型向上取至地表路面，兩邊寬度各取40 m，向下取30 m。路面和基層采用彈性模型，隧道穿過(guò)巖體和注漿加固層采用莫爾—庫(kù)侖模型，單元采用三維實(shí)體單元，初期支護(hù)采用板單元模擬。研究表明，對(duì)于Ⅴ級(jí)圍巖注漿加固，其粘聚力C可提高2倍左右，圍巖級(jí)別可提高一個(gè)等級(jí)［3］，文中大管棚注漿參數(shù)通過(guò)適當(dāng)提高巖體力學(xué)參數(shù)考慮，鋼拱架通過(guò)提高初期支護(hù)參數(shù)考慮，隧道掘進(jìn)尺度按1 m進(jìn)行分析。根據(jù)道路設(shè)計(jì)相關(guān)規(guī)范［4］，模型中路面汽車(chē)荷載接地壓力取0.707 MPa，按靜止荷載分析計(jì)算，相對(duì)應(yīng)的作用半徑為106.5 mm，荷載作用于隧道軸線頂部路面按雙向汽車(chē)行駛荷載計(jì)算并考慮最不利位置。模型中材料物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1，有限元模型及尺寸劃分如圖8所示。

表1 材料物理力學(xué)參數(shù)

2.3 計(jì)算結(jié)果及分析

從圖9結(jié)果可以看出，地鐵隧道施工會(huì)對(duì)高速公路產(chǎn)生影響。上行線的沉降值普遍比下行線大且沉降范圍明顯比下行線稍大，高速公路路面最大沉降為4.3mm，位于上行線邊緣，表明隨著隧道施工推進(jìn)，高速公路沉降影響逐漸加大。此外，由于路基和路面結(jié)構(gòu)剛度相差太大，路面中心沉降相對(duì)較大導(dǎo)致隧道拱肩斜上方路面有略微的上升。隧道施工對(duì)地表路面的影響范圍約隧道軸線左右各30 m，上行線路面中心沉降值為3.2 mm，下行線路面中心沉降值為3.9 mm，下行線沉降較上行線小，說(shuō)明在隧道施工路面沉降監(jiān)測(cè)中需要加強(qiáng)對(duì)上行線的監(jiān)測(cè)。

圖8 有限元計(jì)算模型

圖9 模型豎向位移云圖

圖10 路面拉應(yīng)力云圖

從圖10結(jié)果可以看出，隧道軸線位置處混凝土路面上部受壓應(yīng)力作用，最大壓應(yīng)力為0.99 MPa，滿足應(yīng)力安全要求，隧道拱肩斜上部路面受拉應(yīng)力作用，最大拉應(yīng)力為0.41 MPa，滿足相關(guān)公路路面設(shè)計(jì)規(guī)范［5］關(guān)于路面抗拉強(qiáng)度的要求，即隧道施工不易誘發(fā)路面開(kāi)裂。

3 結(jié)語(yǔ)

1)分析了柔性和剛性路面不同結(jié)構(gòu)模式下，隧道施工誘發(fā)路面沉降的不同表現(xiàn)形式，表明柔性結(jié)構(gòu)路面破壞較剛性結(jié)構(gòu)弱。2)探討了隧道施工影響下公路破壞行為，分析了各種破壞產(chǎn)生的原因，并從斷裂力學(xué)角度解釋了路面未達(dá)到其抗拉強(qiáng)度就開(kāi)裂破壞的原因。3)采用有限元模擬了高速公路汽車(chē)荷載模式下的路面沉降和路面應(yīng)力狀態(tài)，結(jié)果表明正常隧道施工對(duì)高速公路影響較小。若為確保高速公路安全，施工過(guò)程中可以加強(qiáng)沉降觀測(cè)且在施工過(guò)程中可采取掌子面上車(chē)道暫時(shí)隔離的措施。

［1］ 彭立敏，安永林，施成華.近接建筑物條件下隧道施工安全與風(fēng)險(xiǎn)管理的理論與實(shí)踐［M］.北京:科學(xué)技術(shù)出版社，2010.

［2］ 徐干成，白洪才，鄭穎人，等.地下工程支護(hù)結(jié)構(gòu)［M］.北京:中國(guó)水利水電出版社，2002.

［3］ 李國(guó)富.綜彩面托偽頂開(kāi)采化學(xué)注漿加固技術(shù)研究［J］.礦山壓力與頂板管理，2003(3):60-61.

［4］ JTG B01-2003，公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［5］ JTG D40-2011，公路水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.