道路上跨既有隧道施工安全性評價研究

鄭敏敏 （蘭州信息科技學院，甘肅 蘭州 730300）

1 引言

隨著目前基建的逐漸發展，不同空間的利用最大化已經成為趨勢，不同構筑物之間的近距離施工也帶來了安全隱患。為此，諸多人員對多種土工構筑物近距離施工進行了研究，豐富了施工經驗。范德全[1]依托興泉鐵路綠谷二號隧道上跨既有福廈鐵路陳壩隧道工程實例，開展新建鐵路隧道上跨爆破施工對既有鐵路隧道振動影響分析。結合隧道的基本情況，進行危險源辨識分析，針對性提出爆破方案，并進行最大裝藥量計算。然后提出爆破工程防護措施的建議，為爆破施工的順利實施提供技術保障。李剛柱[2]針對某地新建地鐵隧道斜穿上跨既有地鐵隧道形成的雙層四線疊交隧道的近接施工問題，采用基于有限差分法的數值模擬手段，深入研究了新建隧道左、右線不同施工方案對既有線的變形影響規律。王顯根[3]以濟南地鐵2號線出入場線盾構上跨開源路站-烈士陵園站區間既有隧道施工為例，采用Midas GTS NX對盾構上跨既有隧道進行數值模擬。由此可見，近距離施工需要進行相關的安全性評估，以確保安全及順利施工，為此文章以寧東基地白芨灘路北延伸段道路及給排水工程上跨既有寶豐物流園鐵路專用線寶豐隧道為依托，總結辨識道路施工影響隧道安全的控制標準，并采用三維數值仿真的方法對既有隧道上跨道路施工進行安全性評價。

2 工程概況

寧東基地白芨灘路北延伸段道路及給排水工程上跨既有寶豐物流園鐵路專用線寶豐隧道，上跨道路中線與鐵路隧道中線交叉里程K0+477.37(=鐵路設計里程ZDK0+293.60)。

2.1 道路線路設計概況

原設計認為白芨灘路北延伸段道路線位與寶豐物流園道路及其大門設置位置存在沖突，對此進行設計變更，道路起點位置不變，路線調整范圍為K0+000～K1+015.15（=原設計K1+010處），調整路線范圍長度為1015.15m。線路調整后，K0+280東側預留約66m寬空間修建寶豐物流大門。

在道路開挖至路床底面標高后，繼續向下超挖40cm，全斷面鋪設防水土工布（兩布一膜的防滲土工布單位面積質量不小于500g/m2，斷裂強度≥15kN/m，斷裂伸長率＜50%，撕裂強度≥0.6kN），在回填6%灰土過程中，每40cm厚度鋪設土工格柵。路面結構層底基層變更為水泥石灰砂礫土（體積比為4:10:40:46）。

2.2 隧道概況

寶豐隧道位于寶豐物流園前，寧東靈鹽臺地緩坡丘陵區，地勢較為平坦，坡緩山圓。隧道采用明挖結構，最大埋深12.0m，起迄里程為 ZDK0+121.4～ZDK0+330，全長208.6m隧道處于1.75‰/208.6m的下坡，交通條件較為便利。為了后續線路（預留黎紅線）在本線上部形成立體交叉，故將此段落定為隧道工程，洞口的確定亦考慮到后期上方路基回填的要求。

隧道開挖回填設計。本工程明洞覆土 厚 度 ZDK0+121.4～ZDK0+230為10m；ZDK0+230～ZDK0+250為過渡段落，回填縱向坡度1:10，厚度10m～12m；ZDK0+250～ZDK0+330為12m。明挖主體結構達到規范要求的強度后，其上可回填土石，并使回填土達到塑性指數小于12，液限小于32%。分層鋪設分層碾壓，最終使回填層的單軸抗壓強度達到120kPa以上、壓實系數Kh不小于0.7，地基系數K30不小于0.86。開挖回填斷面如圖1所示。

圖1 隧道明洞基坑開挖防護及回填處理圖

2.3 既有鐵路情況與道路工程關系

因線路調整，經專家評審后，平面設計意見具體如下。為滿足現行有關規范技術指標要求，將變更道路段的設計速度調整為30km/h。道路線位變更后，將于K0+477.37處上跨寶豐隧道（寶豐隧道里程DZK0+293.6）。道路東側邊緣距離隧道出口西北角為4m，且道路與鐵路交叉角度約500，基本滿足設計規范要求。白芨灘路北延伸段道路設計變更路線范圍K0+000～K1+015.15（=原設計K1+010處），長度為1015.15m，相對原設計增長5.151m。線路調整后，K0+280東側預留約66m寬空間修建寶豐物流大門。道路上跨段與寶豐隧道平面交叉位置關系如圖2所示。

圖2 道路上跨段與寶豐隧道平面交叉位置關系

為盡可能減少對現有隧道結構的影響，建議道路K0+480處上跨隧道處的道路設計標高約1259.19m（寶豐隧道結構頂部標高為1253.82m），隧道頂部覆土厚度約5.37m，道路路床需做加強及防滲處理，即路床下超挖0.4m后，鋪設1層防滲土工布和3層土工格柵，分散車輛荷載對隧道結構的應力。

3 道路施工影響隧道安全的控制標準

3.1 主要風險因素辨識

本道路工程施工及運營風險因素及風險事件如表1所示。

路基施工可能引起的風險因素及風險事件 表1

3.2 安全控制標準

結構安全系數如表2所示，變形控制標準如表3所示。

鋼筋混凝土結構的強度安全系數 表2

既有線隧道結構控制指標參考數值表 表3

4 市政道路上跨隧道施工影響分析

4.1 有限元建模分析

為考慮路基施工空間效應對下伏既有隧道的影響，計算采用三維地層結構法模擬分析路基施工過程，并最終得到下伏隧道周邊地層位移、塑性區及隧道結構自身變形情況，根據相關規范對結構變形要求，評判隧道安全性。模型尺寸為Z向取80m，X向取200m，Y向300m，所建立的三維有限元模型如圖3所示。經計算，得到初始狀態下模型應力場云圖，如圖4所示，初始狀態下模型應力符合實際情況，證明模型建立準確，可以進行后續施工步驟的模擬。

圖3 三維模型空間位置透視圖

圖4 初始狀態模型應力場云圖

計算總體過程為地層初始應力場→隧道修筑后應力場→路基開挖→基底處理、路面鋪筑→開通運營。根據具體施工步驟，隧道上覆土體3m～6m不同工況下模型最小安全系數、最大水平及豎向位移等關鍵數據進行曲線分析，如圖5所示。由圖5（a）可知，在幾種工況下，模型安全系數均呈現出先開挖卸荷導致安全系數增大，再路基填筑增大導致安全系數減少的趨勢，符合實際工程效果。在墊層下挖時卸荷最大，安全系數達到最大，但所有工況下安全系數均大于2.40，滿足規范要求。

圖5 關鍵計算曲線圖示

同理，由圖5（b）、圖4（c）可知，最大水平及豎向位移均呈現出逐漸增大后減小的趨勢，因為開挖導致實際工程自由度增大，位移增加，隨后路基填筑后邊坡位移得到限制。隧道覆土達到6m時，最大水平及豎向位移分別為4.61mm、3.43mm，均小于規范限值。

4.2 施工建議

為進一步保證既有鐵路運營安全和正常使用，建議設計施工采取以下技術措施。

上跨道路施工前，通過地表注漿的方式加固隧道周邊土體，形成“門”式加固區，控制隧道及周邊土體變形，再進行道路路基開挖施工。

地表注漿施工前建議精確定位注漿孔位置，現場試驗確定合理的擴散半徑，以確保加固區域的有效性，同時要嚴格控制注漿壓力，防止注漿壓力過大，造成隧道結構變形。上跨隧道段，臨近隧道洞口一側應設置SS級防撞護欄及防拋網，防拋網高度不小于2.5m，確保隧道運營安全。道路下方敷設的給水管道增加套管保護措施，應確保管道及套管的密封性，防止水體下滲。由于上跨道路接入寶豐物流園，通行車輛不可通行超載超限車輛，做好限重措施，限載重量大于70t。

5 結論

文章以某道路上跨既有寶豐隧道為依托，采用三維數值仿真的方法對既有隧道上跨道路施工進行安全性評價。研究表明，隧道上覆土體3m～6m不同工況下，模型安全系數呈現出先增大后減少的趨勢，且所有工況下安全系數均大于2.40，滿足規范要求。最大水平及豎向位移均呈現出逐漸增大后減小的趨勢，隧道覆土達到6m時，最大水平及豎向位移分別為4.61mm、3.43mm，均小于規范限值。建議施工時通過地表注漿加固、設置SS級防撞護欄及防拋網、避免通行超載超限車輛，做好限重措施等措施，以確保隧道結構安全控制指標滿足規范要求。