市政道路上跨既有下伏隧道施工影響分析

張 婷 （蘭州信息科技學院，甘肅 蘭州 730300）

1 引言

隨著城市的不斷建設和發展，不可避免存在建設時出現的近距離施工帶來的問題。張浩[1]借助有限元分析軟件，模擬某新建公路隧道近距離上跨既有高速鐵路隧道的施工過程，并對新建隧道施工對既有隧道振動影響做了相關分析。趙宇鵬等[2]針對昆明新建地鐵4號線雙線盾構隧道上跨既有6號線雙線隧道,形成兩層四線疊交的特殊工況，研究盾構上跨施工引起既有隧道縱向位移的變化規律。吳紅剛等[3]以草莓溝1#和盤道嶺立體交叉隧道為例，完成3種激振工況的振動臺試驗，重點分析受下穿隧道影響，上跨隧道拱頂和仰拱加速度動力響應特征。邢慧堂等[4]針對濟南地鐵R2線姜家莊出入場線盾構隧道上跨開源路站-烈士陵園站右線區間既有隧道工程，采用有限元數值仿真對盾構近距離上跨施工組織進行合理化分析。

目前對于不同構筑物近距離施工已有部分研究，但對于地面市政道路與地下既有隧道的近距離施工影響分析仍然缺乏。文章以寶豐隧道為依托，結合路線設計與隧道立交的空間位置關系，采用三維數值仿真的方法，模擬分析路基施工對下伏既有隧道的影響程度，以期為今后類似工程提供參考。

2 工程概況

白芨灘路北延伸段道路及給排水工程位于寧東能源化工基地臨河綜合工業園區(A區)北部，道路全長2618.834m，項目往南接入現狀東仁路，往東與省道103黎明路銜接，右側與寶豐循環經濟工業園區緊鄰。項目配套建設雨水、污水、給水、交通、照明及綠化等工程內容。工程施工期間，業主單位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，提出調整上跨鐵路路段線位，即取消原設計3孔25m橋梁方案，將線位向西移動至寶豐隧道上部通過。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。道路交叉處與寶豐隧道洞口最近距離約4m，如圖1所示。

圖1 道路交叉處與寶豐隧道洞口最近距離圖

寶豐隧道位于寶豐物流園之前，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，隧道處于1.75‰/208.6m的下坡上，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。曲線地段考慮內凈空加寬，同時滿足碎石道床溝槽壁與軌枕凈距不小于20cm的要求。設計分組為第一組，抗震設防烈度為八度。

隧道均采用曲墻帶仰拱模筑襯砌，襯砌厚度按厚80cm斷面型式設計，后期黎紅線路基再次回填，最大設計覆蓋層厚度約為13m。主體結構采用C35防水鋼筋混凝土，為減少防水層的接縫，更有效地防止有害物對混凝土的侵蝕，隧道仰拱以上外包兩層3mm厚SBSⅡPYS3防水卷材。

3 三維數值模擬風險分析

3.1 有限元模型建立

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。計算采用Midas/NX有限元軟件進行計算分析。

結合既有地質勘察資料及《鐵路隧道設計規范》（TB1003-2016）相關圍巖物理學參數取值要求，模型計算參數如表1、表2。

地層物理力學參數 表1

結構物理力學參數 表2

計算模型采用GTS NX巖土有限元計算軟件，程序使用施工階段法實現既有明洞施作、回填等過程。地層材料服從摩爾-庫倫屈服準則，所建立的三維有限元模型如圖2所示。

圖2 三維有限元模型

目前既有隧道已開通運營9年，隧道周邊填土固結尚未完成，上跨既有路基施工不可避免造成地層土體損失，引起隧道周邊土體上浮，進而引發隧道產生不均勻變形。

路基開挖前隧道所處地層的應力狀態需通過模擬計算得到，然后方可進行路基施工開挖。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。

3.2 初始應力場分析

初始狀態襯砌內力如圖3所示，取受力最不利位置，提取結構內力可得結構安全系數，見表3。由表3可知，初始狀態下，襯砌內力最大位置的安全系數在規范要求值范圍內，能滿足規范對結構強度控制的要求。

圖3 初始狀態襯砌內力

初始狀態明洞襯砌結構安全系數 表3

3.3 墊層下挖至設計標高結果分析

墊層下挖至設計標高后隧道周邊位移、襯砌結構變形以及襯砌結構內力分別如圖4、5、6所示。由計算可知，墊層下挖至設計標高后，隧道周邊土體受到較大擾動，提取結構變形及內力如表4、表5所示。由表4、5可知，墊層開挖至設計標高時，襯砌內力最大位置的安全系數在規范要求值范圍內，最大隆起位移為4.59mm，接近規范要求值5mm，最大水平位移為5.79mm，超出規范要求，會對結構造成一定影響。

明洞襯砌結構變形 表4

明洞襯砌結構安全系數 表5

圖4 墊層下挖至設計標高隧道周邊土體Z向位移

圖5 墊層下挖至設計標高襯砌結構變形

圖6 墊層下挖至設計標高襯砌結構內力

4 施工關鍵注意事項

4.1 道路路基開挖施工

為盡可能減少對現有隧道結構的影響，上跨道路K0+480處上跨隧道處的道路設計標高約1259.82m（寶豐隧道結構頂部標高為1253.82m），隧道頂部覆土厚度約6m，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。按上述方法施工，隧道上部直接卸載，可能引起隧道結構較大上浮變形，造成結構開裂及軌道變形。建議道路路基施工前對隧道兩側結構外側及隧道洞頂松動范圍進行注漿加固處理，而后進行道路路基開挖施工以控制隧道結構的上浮變形。

4.2 道路路基處理施工

道路上跨越寶豐隧道段（K0+420～K0+520段）特殊設計為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，CBR、頂破強度≥2.75kN/m，垂直滲透系數≤1×10cm/s～12cm/s）。在回填6%灰土過程，每40cm厚度鋪設土工格柵，土工格柵采用加強型雙向鋼塑土工格柵，設計抗拉強度不小于80kN/m，土工格柵用U型鋼釘固定于路基中，U型鋼釘間距1m，格柵搭接寬不小于50cm，用鍍鋅細鐵絲綁扎。

施工擾動對隧道結構有一定影響，建議采取以下措施降低對隧道結構的影響。

施工前現場測量既有寶豐隧道，對隧道結構邊線及注漿加固范圍進行精確定位。

路基處理施工前建議盡量采用小型機械開挖及壓實，減少振動擾動對隧道結構的影響。

施工過程中對既有寶豐隧道結構進行變形和振動監控量測，對隧道內軌道進行變形監測，發現異常及時上報。

4.3 道路距離隧道邊緣最近處約4m位置處施工

建議設計明確上跨道路靠近隧道洞口一側防撞欄防護等級為SS級，以降低因事故車輛墜落對隧道結構造成影響。

4.4 道路給排水施工

道路敷設的給水管道，在上跨隧道處增加套管保護措施。本工程采用縱橫向集中排水系統合理可行，建議在道路兩側設置永久排水溝進行導流，將橋梁集中排水水流引致附近路基側溝或涵洞內分流。

5 結論

道路上跨寶豐隧道平面線位受寶豐物流園大門及預留黎紅線線位制約，選定當前線位。線位的走向及與道路交角滿足相關規范要求，但存在一定的安全風險，合理設置防撞、防拋措施后可有效規避由墜落造成的行車風險。

通過有限元數值模擬計算，在隧道結構凈覆土6m時，結構最大水平位移為5.79mm，略大于規范要求值5mm，路基開挖卸載對隧道結構安全造成一定影響，需通過對隧道周邊土體采取預加固、控制路基施工過程、做好截排水設施。