高速公路上跨淺埋式高鐵隧道方案研究

耿曉軻

（河南高速公路監(jiān)理咨詢有限公司，河南 鄭州 450000）

隨著國(guó)家高速鐵路建設(shè)速度的加快，在今后的高速公路建設(shè)中將會(huì)出現(xiàn)各種方式穿越高速鐵路的情況，文章以連霍高速洛陽(yáng)至三門(mén)峽（豫陜界）段改擴(kuò)建工程（簡(jiǎn)稱“洛三改擴(kuò)建工程”）上跨鄭西高鐵為例，探討各種交叉方案的可行性。

1 工程概況

洛三改擴(kuò)建工程起于連霍高速與洛陽(yáng)繞城高速交叉處，止于豫陜省界收費(fèi)站，全長(zhǎng)約195km，采用雙向8車(chē)道高速公路標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)速度100km/h。上跨閿鄉(xiāng)隧道DK298+780～DK298+898段為挖方路段，采用北側(cè)整體式加寬方式以路基方式跨越，新建單側(cè)整體式路基寬度為24.5m，路面頂面與隧道頂面高差為11～13m。

閿鄉(xiāng)隧道為雙線鐵路隧道全長(zhǎng)770m，設(shè)計(jì)速度350km/h。隧道DK298+875～DK299+020里程段下穿連霍高速，隧道與公路平面交角為15°34′12″，交叉段隧道覆蓋層僅11m。平面呈小角度交叉，上下交疊，豎向距離較近，其施工運(yùn)營(yíng)均會(huì)造成隧道周?chē)鷩鷰r應(yīng)力的重分布。

2 洛三改擴(kuò)建工程對(duì)閿鄉(xiāng)隧道的近接影響

改擴(kuò)建工程對(duì)既有隧道的影響決定于以下條件：挖方工程與既有隧道的間隔、挖方體與既有隧道的相對(duì)位置關(guān)系、挖方工程的大小、挖方工程的施工方法、地形和地質(zhì)條件、既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)安全和健全度等。新建工程近接度的示意如圖1所示。

圖1 近接度的劃分

通過(guò)上部基坑中心做45°斜線作為地層中潛在的影響面，根據(jù)橫向影響范圍及斜交角度可計(jì)算影響區(qū)域沿連霍高速公路的長(zhǎng)度為213.4m，沿閿鄉(xiāng)隧道的縱向長(zhǎng)度為217.4m。影響范圍及程度較大，施工中采取輔助措施方案是必要的。

3 施工對(duì)策方案

改擴(kuò)建工程對(duì)隧道的影響主要分為以下兩個(gè)方面：（1）施工階段?；娱_(kāi)挖時(shí)，既有隧道會(huì)產(chǎn)生向上的拉伸及位移，損傷隧道的拱作用，不利于結(jié)構(gòu)的安全與穩(wěn)定。（2）運(yùn)營(yíng)階段。投入運(yùn)營(yíng)后，車(chē)輛荷載的移動(dòng)性、沖擊性及值不定性均會(huì)對(duì)隧道襯砌造成一定的損傷。

施工中應(yīng)延長(zhǎng)開(kāi)挖時(shí)間間隔、減小每次的開(kāi)挖量，盡量減小襯砌的損傷程度。通過(guò)輔助措施方案，將車(chē)輛荷載盡量傳遞至圍巖而非襯砌結(jié)構(gòu)，減小運(yùn)營(yíng)階段對(duì)隧道襯砌的影響。為此，提出以下3種方案。

3.1 板梁式防護(hù)

在新建高速公路線路下設(shè)置鋼筋混凝土板，在板坯兩側(cè)設(shè)置縱梁作為條形基礎(chǔ)。二者共同承擔(dān)高速公路運(yùn)營(yíng)中的荷載，以確保高速公路運(yùn)營(yíng)中隧道的整體安全穩(wěn)定。

3.2 拱橋式防護(hù)

挖方結(jié)束后，對(duì)隧道上方的拱橋進(jìn)行加固可以避免或減緩車(chē)輛荷載對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的二次擾動(dòng)，保證隧道結(jié)構(gòu)和行車(chē)安全。

3.3 樁基拱橋式防護(hù)

在隧道上方設(shè)置“拱橋”，在拱腳下挖樁基時(shí)，二者共同承擔(dān)高速公路施工和運(yùn)營(yíng)中的部分荷載，從而保證隧道在高速公路施工及運(yùn)營(yíng)中的整體安全、穩(wěn)定。

4 方案比選

通過(guò)FLAC3D數(shù)值模擬分析圍巖在各防護(hù)措施中的穩(wěn)定性，為方案比選提供參考依據(jù)。

4.1 分析方法選擇

隧道圍巖較常用的穩(wěn)定性分析方法有強(qiáng)度折減法和容重增加法。強(qiáng)度折減法是將圍巖抗剪強(qiáng)度的代表值折減至圍巖達(dá)到極限破壞狀態(tài)。此時(shí)，折減系數(shù)為圍巖安全系數(shù)。增大容重的方法是增大重力加速度，直至圍巖達(dá)到極限破壞狀態(tài)。此時(shí)，重力加速度與實(shí)際加速度之比就是圍巖的安全系數(shù)。對(duì)于摩擦角較大的砂土，當(dāng)巖土重力荷載增大時(shí)，法向應(yīng)力的增長(zhǎng)速度就會(huì)快于剪應(yīng)力的增長(zhǎng)速度。由摩爾庫(kù)侖抗剪強(qiáng)度公式可知巖土體抗剪強(qiáng)度與法向應(yīng)力成線性關(guān)系，巖土體抗剪強(qiáng)度的增長(zhǎng)速度比其剪應(yīng)力的增長(zhǎng)速度快，即使不斷地增加巖土體的容重也不會(huì)造成圍巖破壞。這與實(shí)際情況明顯不符，所以文章采用強(qiáng)度折減法評(píng)價(jià)隧道圍巖的穩(wěn)定系數(shù)。

4.2 穩(wěn)定性判據(jù)說(shuō)明

（1）以有限元靜力平衡計(jì)算不收斂作為圍巖整體失穩(wěn)的標(biāo)志。這種判定具有一定的任意性，而且造成數(shù)值計(jì)算不收斂的因素比較復(fù)雜，增加了計(jì)算的難度，故不采用。（2）以塑性區(qū)（或者等效塑性應(yīng)變）隧道到地表貫通作為圍巖失穩(wěn)的標(biāo)志。塑性區(qū)貫通是破壞的必要條件，但不是充分條件，這還取決于是否存在一個(gè)巨大的和無(wú)限發(fā)展的塑性變形和位移。因此，不能簡(jiǎn)單地以隧道對(duì)地表的塑性區(qū)侵徹作為判據(jù)。（3）以破壞圍巖部分的無(wú)限移動(dòng)作為圍巖失穩(wěn)的標(biāo)志。此時(shí)土體滑移面上應(yīng)變和位移發(fā)生突變且無(wú)限發(fā)展。根據(jù)變形破壞規(guī)律，圍巖穩(wěn)定性隨各種環(huán)境因素的變化而變化，位移速率（位移增量與時(shí)間增量之比）也隨之變化。當(dāng)圍巖達(dá)到臨界滑動(dòng)狀態(tài)時(shí)，圍巖安全系數(shù)降到1.0，位移速率急劇增大，很快將導(dǎo)致圍巖失穩(wěn)破壞。由此可見(jiàn)，圍巖的穩(wěn)定性與位移速率的變化趨勢(shì)有著密切的關(guān)系。

綜合分析以上3種判據(jù)，文章采用第三種判定，即隧道二次襯砌的拱頂沉降、水平收斂及仰拱隆起的位移突變作為圍巖達(dá)到極限穩(wěn)定破壞的依據(jù)。一般當(dāng)安全系數(shù)＞1.0時(shí)，便可以認(rèn)為圍巖是穩(wěn)定的，但是綜合考慮各種不利因素，取1.0為臨界安全系數(shù)過(guò)于冒進(jìn)，本次計(jì)算以3為圍巖穩(wěn)定性的臨界點(diǎn)，即當(dāng)安全系數(shù)≥3時(shí)圍巖便認(rèn)為是穩(wěn)定的。

4.3 計(jì)算簡(jiǎn)述

為評(píng)價(jià)上述3種防護(hù)措施方案對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響，以無(wú)防護(hù)方案作為參照?？紤]到各防護(hù)措施方案的施工階段對(duì)隧道襯砌的損傷程度不盡相同，無(wú)防護(hù)方案、板梁式防護(hù)、拱橋式防護(hù)、樁基拱橋式防護(hù)方案對(duì)應(yīng)的隧道襯砌劣化系數(shù)分別取0.3、0.35、0.4、0.5。以洛三高速運(yùn)營(yíng)階段的標(biāo)準(zhǔn)荷載及超載時(shí)的安全系數(shù)作為方案比選的控制計(jì)算工況。連霍高速為雙向8車(chē)道公路，設(shè)計(jì)時(shí)速為100km/h，加寬部分荷載為公路I級(jí)荷載，路基路寬24.5m，為單向4車(chē)道，考慮最不利的情況，車(chē)道內(nèi)均布荷載，則荷載可以簡(jiǎn)化為kN/m。本次計(jì)算取qk=23kN/m作為標(biāo)準(zhǔn)荷載，考慮到現(xiàn)在高速公路常有超載現(xiàn)象，以標(biāo)準(zhǔn)荷載的兩倍作為超載92kN/m情況進(jìn)行計(jì)算。

5 計(jì)算結(jié)果分析

不斷加大強(qiáng)度折減系數(shù)，得出各折減系數(shù)對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)荷載及超載情況下的穩(wěn)定狀態(tài)，提取隧道二次襯砌的拱頂沉降、水平收斂與拱頂隆起值，以其值突變點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度折減系數(shù)作為各防護(hù)措施方案對(duì)應(yīng)的圍巖穩(wěn)定系數(shù)。

5.1 無(wú)防護(hù)方案

經(jīng)計(jì)算，標(biāo)準(zhǔn)荷載（23kN/m）及超載（92kN/m）作用下，選取斷面的安全系數(shù)均在1.8左右，＞3.0。

5.2 板梁式防護(hù)方案

經(jīng)計(jì)算，標(biāo)準(zhǔn)荷載（23kN/m）及超載（92kN/m）作用下，選取斷面的安全系數(shù)均在4.0左右，＞3.0。

5.3 拱橋式防護(hù)方案

經(jīng)計(jì)算，標(biāo)準(zhǔn)荷載（23kN/m）及超載（92kN/m）作用下，選取斷面的安全系數(shù)均在4.5左右，＞3.0。

5.4 樁基拱橋式防護(hù)方案

經(jīng)計(jì)算，標(biāo)準(zhǔn)荷載（23kN/m）及超載（92kN/m）作用下，選取斷面的安全系數(shù)均在4.5左右，＞3.0。

5.5 安全系數(shù)小結(jié)

3種方案均能提高隧道的安全系數(shù)為3.0，滿足安全要求。

6 方案比選

6.1 施工

隧道圍巖基本為黃土，遇水易坍塌。在拱橋樁基施工中使用常規(guī)機(jī)械挖孔是不容易的。人工挖孔樁施工進(jìn)度慢，成本高，安全性難以保證。拱橋加固不需打樁，操作方便，但需沿高速鐵路隧道方向進(jìn)行，公路與鐵路隧道小角度相交，增加了額外開(kāi)挖量。板梁防護(hù)措施只需沿公路改擴(kuò)建方向鋪設(shè)1m厚鋼筋混凝土板，避免大量超挖，施工組織管理方便，安全和速度得到有效保證。

6.2 經(jīng)濟(jì)

樁基礎(chǔ)拱橋在開(kāi)挖體積和材料消耗方面均大于梁板拱橋。工程造價(jià)高、工作量大，所需的機(jī)械和人工費(fèi)用也相應(yīng)增加，而板梁防護(hù)措施比拱橋防護(hù)措施成本低、效率高。

6.3 安全

由于空間條件和工程路線的限制，樁基礎(chǔ)拱橋的樁孔必然與隧道結(jié)構(gòu)接近，開(kāi)挖量會(huì)增加，隧道結(jié)構(gòu)會(huì)受到3個(gè)方向的干擾，危及隧道結(jié)構(gòu)的安全；拱橋加固只需在隧道上方開(kāi)挖，隧道結(jié)構(gòu)施工擾動(dòng)小，相對(duì)安全；梁板防護(hù)需在設(shè)計(jì)路面結(jié)構(gòu)層下繼續(xù)開(kāi)孔，開(kāi)挖深度2～3m，對(duì)隧道的影響比以上兩種方案，也是施工過(guò)程中最安全的。

7 結(jié)束語(yǔ)

（1）隧道上方開(kāi)挖土體時(shí)，相當(dāng)于對(duì)其所受豎向荷載的一個(gè)卸載過(guò)程，將造成既有隧道襯砌的損傷，降低隧道的拱作用；路面車(chē)輛荷載具有移動(dòng)性、沖擊性及值不定性，對(duì)隧道襯砌的損傷更甚。（2）為減小高速運(yùn)營(yíng)階段對(duì)既有隧道的不利影響，以將路面車(chē)輛荷載通過(guò)附屬結(jié)構(gòu)傳遞至隧道左右兩下側(cè)的方案為宜，方案比選時(shí)應(yīng)綜合考慮施工、經(jīng)濟(jì)、安全及施工對(duì)隧道襯砌的擾動(dòng)大小。（3）考慮附屬措施方案對(duì)隧道襯砌的損傷，樁基拱橋方案及拱橋方案對(duì)隧道圍巖結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性系數(shù)提高程度相當(dāng)，板梁式方案能保證隧道圍巖結(jié)構(gòu)滿足安全要求，綜合考慮造價(jià)、施工及安全，板梁式方案最優(yōu)。（4）基坑每次的開(kāi)挖量不易過(guò)大，開(kāi)挖時(shí)間間隔不宜過(guò)短，以使隧道圍巖應(yīng)力具有足夠的時(shí)間重自我調(diào)整，降低施工過(guò)程對(duì)隧道圍巖結(jié)構(gòu)的不利影響，同時(shí)應(yīng)注意防水及邊坡支護(hù)與加固。