隧道下穿高速公路影響分析

陳 俊

(重慶路威土木工程設計有限公司，重慶 400060)

隨著城市的不斷擴張，地下空間開發日益加大，地鐵隧道的修建對緩解城市交通壓力起了重要作用，但同時隧道施工不可避免的對地表結構或周邊建筑物產生影響。在高速公路與隧道施工相互作用下，可能對高速公路運營安全和隧道結構安全產生影響。地鐵隧道施工前，公路和路基巖體處于自然平衡狀態，隧道開挖后在巖體內部形成臨空面，對隧道周邊圍巖產生了擾動，導致圍巖應力重分布和地層變位。在此過程中處于較差地質環境下的淺埋暗挖隧道施工可能誘發大范圍的地表沉降，導致路面開裂或路面斷裂，輕則局部降低路面平整度，降低行車舒適度，重則影響行車安全。上部汽車荷載又會對下部隧道結構產生附加內力，在高速公路不能中斷行車的條件下給隧道施工帶來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引起足夠的重視。

1 公路沉降分析

1.1 公路沉降模型

根據路基路面結構不同，其相對剛度存在差異，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 柔性結構路面

圖2 剛性結構路面

1)對于柔性路面(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調一致。由于柔性路面具有很好的變形協調能力，路面不易開裂，但路面易出現車轍路面縱向呈現高低不平順，行車至此會出現顛簸，行車舒適度降低。

2)對于剛性路面(水泥混凝土路面)，地鐵隧道施工導致的路基變形與路面沉降并不一致，存在差異沉降，路基路面呈現結構分離，局部出現吊空現象。在重載汽車移動荷載作用下，路面可能發生嚴重開裂或斷裂，最終在汽車循環荷載作用下路面破壞不斷加劇，破壞范圍不斷擴大，對高速行駛的汽車行車安全產生嚴重影響。

3)在相同施工環境下，公路兩種沉降模式存在著不同的變形狀態和破壞類型。柔性路面結構剛度小，能適應不同情況下的協同變形，路面結構不易出現裂縫，但易出現車轍;剛性路面結構剛度大，呈現脆性破壞方式，路面易開裂滲漏，循環荷載下破壞速度快，破壞范圍延伸明顯，對于行車安全影響明顯較柔性路面結構大。

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力重新分布，隧道周邊圍巖向隧道內部移動，導致隧道地層變位誘發地表沉降。上部路面結構在重力作用和汽車豎向荷載作用下，路面將向下變形，使得路面結構本身下部受拉，上部受壓，設計中已考慮了路面抗拉強度，但隧道施工誘發的不均勻沉降導致的較大附加應力在路面設計過程中并未考慮到，此附加應力和原有的拉應力耦合可能引起路面開裂或斷裂等現象。1)位于較差地質環境下的淺埋暗挖隧道下穿高速公路，設計、施工為了確保公路安全暢通，隧道開挖前需進行大管棚注漿加固，這可能引起路面出現小幅度隆起，降低路面平順度。這種狀態下路面下部可能處于壓應力狀態，路面上部反而受到拉應力，當然在移動汽車荷載作用下，路面拉壓應力可能會反向，但這種方式可以抵消部分拉壓應力，從某種程度上說這對于減小公路內部應力是有一定好處的，其受力模式如圖3所示。在大管棚注漿過程中若不控制好注漿壓力和注漿量，對于剛性結構路面局部過大的隆起可能導致路面開裂。2)未出現注漿隆起的柔性結構路面，隧道開挖引起路基下沉，路面在結構自重作用下，呈現沉降槽曲線模式，路面下部受拉，上部受壓。另外在汽車荷載P作用下會產生一個附加應力σ，但此時路面下部總拉應力一般不可能超過材料抗拉強度σf即路面不會產生裂縫。在這種模式下由于路面沉降，高速行駛的汽車會存在局部的超重效應，使得路面容易出現車轍等現象，其受力模式如圖4所示。3)沒有注漿隆起的剛性結構路面，隧道施工引起路基沉降導致的路面開裂或貫穿斷裂有兩種破壞類型: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，那么路面會存在“簡支梁效應”，在重載汽車輪載下，路面下部產生巨大拉應力，若此拉應力σ＞σf，路面下部開裂，在不斷高速汽車循環荷載作用下，裂縫快速延伸開展，直至貫通路面上部，甚至導致整個路面斷裂;b.路基路面存在較小差異沉降，路面“簡支梁效應”不明顯，在此狀態下路面下部拉應力σ＜σf，但路面依舊開裂，分析其主要原因是公路基層內部微裂紋的發展、延伸。在公路基層與路面脫離過程中，路面結構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粘結附加層，此粘結附加層抗拉強度很低，其自身內部存在很多微裂紋，這些微裂紋在汽車荷載作用下，雖路面下部拉應力σ＜σf，但從斷裂力學角度考慮，這些裂紋尖端存在應力場奇異區，裂紋尖端附近應力極高，由此裂紋快速延伸、開展、擴大，最終在循環荷載下路面開裂甚至斷裂，如圖5所示。

圖3 管棚注漿地表隆起示意圖

2 數值模擬

2.1 工程概況

區間地鐵隧道穿越一條正在運營的高速公路，隧道設計寬度為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，擬采用全斷面法機械掘進施工，采用鋼拱架、錨桿、鋼筋網、噴射混凝土進行初期支護。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 柔性結構路面沉降示意圖

圖5 剛性結構路面沉降示意圖

圖6 隧道與高速公路平面位置關系

圖7 隧道橫斷面示意圖（單位：m）

2.2 有限元模型及計算分析

實踐和理論分析表明，地下洞室開挖僅在洞室周圍距洞室中心3倍～5倍隧道開挖寬度范圍內存在影響，在3倍寬度處的應力變化一般在10%以下，在5倍寬度處應力變化一般在5%以內［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，隧道穿過巖體和注漿加固層采用莫爾—庫侖模型，單元采用三維實體單元，初期支護采用板單元模擬。研究表明，對于Ⅴ級圍巖注漿加固，其粘聚力C可提高2倍左右，圍巖級別可提高一個等級［3］，文中大管棚注漿參數通過適當提高巖體力學參數考慮，鋼拱架通過提高初期支護參數考慮，隧道掘進尺度按1 m進行分析。根據道路設計相關規范［4］，模型中路面汽車荷載接地壓力取0.707 MPa，按靜止荷載分析計算，相對應的作用半徑為106.5 mm，荷載作用于隧道軸線頂部路面按雙向汽車行駛荷載計算并考慮最不利位置。模型中材料物理力學參數見表1，有限元模型及尺寸劃分如圖8所示。

表1 材料物理力學參數

2.3 計算結果及分析

從圖9結果可以看出，地鐵隧道施工會對高速公路產生影響。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，高速公路沉降影響逐漸加大。此外，由于路基和路面結構剛度相差太大，路面中心沉降相對較大導致隧道拱肩斜上方路面有略微的上升。隧道施工對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，說明在隧道施工路面沉降監測中需要加強對上行線的監測。

圖8 有限元計算模型

圖9 模型豎向位移云圖

圖10 路面拉應力云圖

從圖10結果可以看出，隧道軸線位置處混凝土路面上部受壓應力作用，最大壓應力為0.99 MPa，滿足應力安全要求，隧道拱肩斜上部路面受拉應力作用，最大拉應力為0.41 MPa，滿足相關公路路面設計規范［5］關于路面抗拉強度的要求，即隧道施工不易誘發路面開裂。

3 結語

1)分析了柔性和剛性路面不同結構模式下，隧道施工誘發路面沉降的不同表現形式，表明柔性結構路面破壞較剛性結構弱。2)探討了隧道施工影響下公路破壞行為，分析了各種破壞產生的原因，并從斷裂力學角度解釋了路面未達到其抗拉強度就開裂破壞的原因。3)采用有限元模擬了高速公路汽車荷載模式下的路面沉降和路面應力狀態，結果表明正常隧道施工對高速公路影響較小。若為確保高速公路安全，施工過程中可以加強沉降觀測且在施工過程中可采取掌子面上車道暫時隔離的措施。

［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險管理的理論與實踐［M］.北京:科學技術出版社，2010.

［2］ 徐干成，白洪才，鄭穎人，等.地下工程支護結構［M］.北京:中國水利水電出版社，2002.

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

［4］ JTG B01-2003，公路工程技術標準［S］.

［5］ JTG D40-2011，公路水泥混凝土路面設計規范［S］.