不同工況下道路施工對(duì)既有下穿隧道的影響分析

唐杰 張順

（重慶市市政設(shè)計(jì)研究院有限公司，重慶 400020)

隨著城市都市功能區(qū)的極速擴(kuò)大，市政道路建設(shè)速度越來(lái)越快。西南地區(qū)地形地貌較為復(fù)雜，公路隧道較多，市政道路設(shè)計(jì)時(shí)常會(huì)出現(xiàn)上跨既有隧道的情況，工程設(shè)計(jì)中常采用填方、挖方或橋梁的形式上跨隧道，但不同形式上跨對(duì)既有下穿隧道的影響程度未知。

本文以某既有下穿隧道頂部道路施工為研究對(duì)象，針對(duì)路基填方、路塹挖方和橋臺(tái)結(jié)構(gòu)三種方式，分析了各施工工況對(duì)既有下穿隧道的影響。深埋隧道頂部道路填（挖）方施工時(shí)，隧道結(jié)構(gòu)的最大橫、豎向位移為1.13mm（0.71mm）、2.74mm（0.86mm），最大位移為規(guī)范容許值的27.4%（8.6%）；淺埋隧道頂部橋臺(tái)樁基施工時(shí)，隧道結(jié)構(gòu)的最大橫、豎向位移為0.58mm、2.84mm，最大位移為規(guī)范容許值的28.4%；三種施工工況下隧道拱底最大位移分別為0.79mm、0.67mm和2.1mm，是規(guī)范容許值的19.8%、16.8%和52.5%，橋臺(tái)樁基施工時(shí)隧道拱底變形較大。

一、工程概況

擬建道路成南北走向，為城市主干路，設(shè)計(jì)行車(chē)時(shí)速50km，雙向六車(chē)道，標(biāo)準(zhǔn)路幅寬40m。

既有隧道采用復(fù)合式硬質(zhì)巖石隧道掘進(jìn)機(jī) (Tunnel Bohr Maschine，TBM)施工，雙洞單線(xiàn)，隧道凈距10m，斷面尺寸6m，圍巖等級(jí)Ⅳ級(jí)，結(jié)構(gòu)均為深埋隧道，采用管片厚度50mm，采用C50鋼筋混凝土。

擬建道路上跨該既有隧道，共存在3種典型施工工況，即道路挖方、填方和橋臺(tái)結(jié)構(gòu)。

挖方：道路k2+600為挖方區(qū)最不利斷面，該斷面挖方高度為11.6m，道路標(biāo)高342.560m，隧道結(jié)構(gòu)頂標(biāo)高320.835m，道路路面與隧道結(jié)構(gòu)頂豎向高差約21.7m，為深埋隧道。

填方：道路k1+580為填方區(qū)最不利斷面，該斷面填方高度為24.8m，道路設(shè)計(jì)為365.459m，隧道結(jié)構(gòu)頂標(biāo)高314.735m，道路路面與隧道結(jié)構(gòu)頂豎向距離48.03m，為深埋隧道。

橋臺(tái)結(jié)構(gòu)：道路k2+700為橋臺(tái)斷面，該斷面M型框架梁底設(shè)計(jì)標(biāo)高327.918m，隧道結(jié)構(gòu)頂標(biāo)高319.038m，M框架梁底與隧道結(jié)構(gòu)頂豎向距離8.88m，為淺埋隧道。

二、有限元模型建立及分析

（一）材料參數(shù)

有限元分析采用Midas GTS軟件，巖土體采用M—C模型，隧道襯砌結(jié)構(gòu)、管片采用線(xiàn)彈性模型。根據(jù)地質(zhì)情況判斷，該段地層主要為人工填土、砂質(zhì)泥巖及砂巖。

（二）有限元模型建立及施工模擬

有限元模型主要建立了道路挖方、道路填方及道路橋臺(tái)施工階段，有限元模型如圖1所示，計(jì)算步驟如下。

圖1 道路橋臺(tái)有限元模型

道路挖方階段：自重應(yīng)力場(chǎng)平衡→隧道開(kāi)挖施工→道路工程挖方施工及車(chē)輛荷載施加。

道路填方階段：自重應(yīng)力場(chǎng)平衡→隧道開(kāi)挖施工→道路工程填方施工及車(chē)輛荷載施加。

道路橋臺(tái)施工階段：自重應(yīng)力場(chǎng)平衡→隧道開(kāi)挖施工→M框架梁基礎(chǔ)基槽開(kāi)挖→樁基部分開(kāi)挖→樁基施工→M框架梁及橋墩施工→回填及橋梁上部施工。

三、有限元結(jié)果分析

（一）道路挖方

當(dāng)?shù)缆吠诜绞┕ね瓿珊?，其?duì)隧道結(jié)構(gòu)的橫、豎向位移云圖如圖2、圖3所示。分析可知，道路挖方致使隧道結(jié)構(gòu)最大豎向位移為0.86mm，橫向位移為0.71mm，拱底最大豎向變形為0.67mm。

圖2 隧道管片橫向位移云圖

圖3 隧道豎片豎向位移云圖

（二）道路填方

當(dāng)?shù)缆诽罘绞┕ね瓿珊?，其?duì)隧道結(jié)構(gòu)的橫、豎向位移云圖如圖4、圖5所示。分析可知，道路填方致使隧道結(jié)構(gòu)最大豎向位移為2.74mm，橫向位移為1.13mm，拱底最大豎向變形為0.79mm。

圖4 隧道管片橫向位移云圖

圖5 隧道豎片豎向位移云圖

（三）道路橋臺(tái)

當(dāng)?shù)缆窐蚺_(tái)、樁基施工完成后，其對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的橫、豎向位移云圖如圖6、圖7所示。分析可知，道路橋臺(tái)、樁基施工致使隧道結(jié)構(gòu)最大豎向位移為2.84mm，橫向位移為0.58mm，拱底最大豎向變形為2.1mm。

圖6 隧道管片橫向位移云圖

圖7 隧道豎片豎向位移云圖

綜合上述分析計(jì)算可知，各施工工況下道路建成使用引起隧道結(jié)構(gòu)變形小于10mm，拱底變形小于4mm，滿(mǎn)足相關(guān)規(guī)范的要求。橋梁中采取了M型框架梁基礎(chǔ)，橋梁荷載通過(guò)M框架梁基礎(chǔ)直接傳遞到隧道底部以下巖層，對(duì)隧道管片沒(méi)有產(chǎn)生附加荷載，對(duì)隧道結(jié)構(gòu)影響很小，隧道結(jié)構(gòu)仍滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，高架橋建設(shè)與使用不影響該段結(jié)構(gòu)安全。

四、結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)Midas GTS有限元軟件，分析了道路挖方、填方、橋臺(tái)樁基施工對(duì)既有隧道的影響，得出以下結(jié)論。

當(dāng)既有隧道為深埋隧道時(shí)，頂部道路挖方施工對(duì)隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的橫、豎向變形相差不大，填方施工易致使軌道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的豎向變形，變形量雖未超過(guò)規(guī)范要求，但道路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量避免以填方形式通過(guò)，增加隧道頂部荷載。

當(dāng)既有隧道為淺埋隧道時(shí)，為避免對(duì)隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，道路可采用橋梁的形式跨越隧道，使橋梁樁基礎(chǔ)施工對(duì)隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的變形影響滿(mǎn)足規(guī)范控制要求。

橋臺(tái)樁基礎(chǔ)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)及周?chē)鷩鷰r的豎向變形影響較大，樁基施工時(shí)可采用人工挖孔樁，避免產(chǎn)生過(guò)大的負(fù)摩阻力增加隧道結(jié)構(gòu)豎向變形。