隧道下穿高速公路影响分析

陈 俊

(重庆路威土木工程设计有限公司，重庆 400060)

随着城市的不断扩张，地下空间开发日益加大，地铁隧道的修建对缓解城市交通压力起了重要作用，但同时隧道施工不可避免的对地表结构或周边建筑物产生影响。在高速公路与隧道施工相互作用下，可能对高速公路运营安全和隧道结构安全产生影响。地铁隧道施工前，公路和路基岩体处于自然平衡状态，隧道开挖后在岩体内部形成临空面，对隧道周边围岩产生了扰动，导致围岩应力重分布和地层变位。在此过程中处于较差地质环境下的浅埋暗挖隧道施工可能诱发大范围的地表沉降，导致路面开裂或路面断裂，轻则局部降低路面平整度，降低行车舒适度，重则影响行车安全。上部汽车荷载又会对下部隧道结构产生附加内力，在高速公路不能中断行车的条件下给隧道施工带来了安全隐患和增加了施工难度。因此，浅埋暗挖隧道下穿高速公路，隧道施工和高速公路相互作用应引起足够的重视。

1 公路沉降分析

1.1 公路沉降模型

根据路基路面结构不同，其相对刚度存在差异，隧道施工引起的路面变形模式可分为刚性路面沉降模式和柔性路面沉降模式［1］，如图1 和图2 所示。

图1 柔性结构路面

图2 刚性结构路面

1)对于柔性路面(沥青混凝土路面)，地铁隧道施工引起路基沉降，路面变形与路基沉降协调一致。由于柔性路面具有很好的变形协调能力，路面不易开裂，但路面易出现车辙路面纵向呈现高低不平顺，行车至此会出现颠簸，行车舒适度降低。

2)对于刚性路面(水泥混凝土路面)，地铁隧道施工导致的路基变形与路面沉降并不一致，存在差异沉降，路基路面呈现结构分离，局部出现吊空现象。在重载汽车移动荷载作用下，路面可能发生严重开裂或断裂，最终在汽车循环荷载作用下路面破坏不断加剧，破坏范围不断扩大，对高速行驶的汽车行车安全产生严重影响。

3)在相同施工环境下，公路两种沉降模式存在着不同的变形状态和破坏类型。柔性路面结构刚度小，能适应不同情况下的协同变形，路面结构不易出现裂缝，但易出现车辙;刚性路面结构刚度大，呈现脆性破坏方式，路面易开裂渗漏，循环荷载下破坏速度快，破坏范围延伸明显，对于行车安全影响明显较柔性路面结构大。

1.2 隧道施工影响下公路破坏行为分析

浅埋暗挖地铁隧道施工引起围岩应力重新分布，隧道周边围岩向隧道内部移动，导致隧道地层变位诱发地表沉降。上部路面结构在重力作用和汽车竖向荷载作用下，路面将向下变形，使得路面结构本身下部受拉，上部受压，设计中已考虑了路面抗拉强度，但隧道施工诱发的不均匀沉降导致的较大附加应力在路面设计过程中并未考虑到，此附加应力和原有的拉应力耦合可能引起路面开裂或断裂等现象。1)位于较差地质环境下的浅埋暗挖隧道下穿高速公路，设计、施工为了确保公路安全畅通，隧道开挖前需进行大管棚注浆加固，这可能引起路面出现小幅度隆起，降低路面平顺度。这种状态下路面下部可能处于压应力状态，路面上部反而受到拉应力，当然在移动汽车荷载作用下，路面拉压应力可能会反向，但这种方式可以抵消部分拉压应力，从某种程度上说这对于减小公路内部应力是有一定好处的，其受力模式如图3所示。在大管棚注浆过程中若不控制好注浆压力和注浆量，对于刚性结构路面局部过大的隆起可能导致路面开裂。2)未出现注浆隆起的柔性结构路面，隧道开挖引起路基下沉，路面在结构自重作用下，呈现沉降槽曲线模式，路面下部受拉，上部受压。另外在汽车荷载P作用下会产生一个附加应力σ，但此时路面下部总拉应力一般不可能超过材料抗拉强度σf即路面不会产生裂缝。在这种模式下由于路面沉降，高速行驶的汽车会存在局部的超重效应，使得路面容易出现车辙等现象，其受力模式如图4所示。3)没有注浆隆起的刚性结构路面，隧道施工引起路基沉降导致的路面开裂或贯穿断裂有两种破坏类型:a.路基沉降与路面沉降存在较大的差异沉降，路基路面中间局部脱空，那么路面会存在“简支梁效应”，在重载汽车轮载下，路面下部产生巨大拉应力，若此拉应力σ＞σf，路面下部开裂，在不断高速汽车循环荷载作用下，裂缝快速延伸开展，直至贯通路面上部，甚至导致整个路面断裂;b.路基路面存在较小差异沉降，路面“简支梁效应”不明显，在此状态下路面下部拉应力σ＜σf，但路面依旧开裂，分析其主要原因是公路基层内部微裂纹的发展、延伸。在公路基层与路面脱离过程中，路面结构附带着部分凹凸不平极不均匀的基层材料即路面下部存在一个粘结附加层，此粘结附加层抗拉强度很低，其自身内部存在很多微裂纹，这些微裂纹在汽车荷载作用下，虽路面下部拉应力σ＜σf，但从断裂力学角度考虑，这些裂纹尖端存在应力场奇异区，裂纹尖端附近应力极高，由此裂纹快速延伸、开展、扩大，最终在循环荷载下路面开裂甚至断裂，如图5所示。

图3 管棚注浆地表隆起示意图

2 数值模拟

2.1 工程概况

区间地铁隧道穿越一条正在运营的高速公路，隧道设计宽度为11.8 m，高度为9.8 m，隧道下穿高速路段最小埋深仅4.0 m。隧道采用贯穿高速公路的双层大管棚注浆加固支护，拟采用全断面法机械掘进施工，采用钢拱架、锚杆、钢筋网、喷射混凝土进行初期支护。隧道几乎垂直下穿高速公路，其平面位置如图6所示，隧道横断面图如图7所示。

图4 柔性结构路面沉降示意图

图5 刚性结构路面沉降示意图

图6 隧道与高速公路平面位置关系

图7 隧道横断面示意图（单位：m）

2.2 有限元模型及计算分析

实践和理论分析表明，地下洞室开挖仅在洞室周围距洞室中心3倍～5倍隧道开挖宽度范围内存在影响，在3倍宽度处的应力变化一般在10%以下，在5倍宽度处应力变化一般在5%以内［2］。文中隧道模型向上取至地表路面，两边宽度各取40 m，向下取30 m。路面和基层采用弹性模型，隧道穿过岩体和注浆加固层采用莫尔—库仑模型，单元采用三维实体单元，初期支护采用板单元模拟。研究表明，对于Ⅴ级围岩注浆加固，其粘聚力C可提高2倍左右，围岩级别可提高一个等级［3］，文中大管棚注浆参数通过适当提高岩体力学参数考虑，钢拱架通过提高初期支护参数考虑，隧道掘进尺度按1 m进行分析。根据道路设计相关规范［4］，模型中路面汽车荷载接地压力取0.707 MPa，按静止荷载分析计算，相对应的作用半径为106.5 mm，荷载作用于隧道轴线顶部路面按双向汽车行驶荷载计算并考虑最不利位置。模型中材料物理力学参数见表1，有限元模型及尺寸划分如图8所示。

表1 材料物理力学参数

2.3 计算结果及分析

从图9结果可以看出，地铁隧道施工会对高速公路产生影响。上行线的沉降值普遍比下行线大且沉降范围明显比下行线稍大，高速公路路面最大沉降为4.3mm，位于上行线边缘，表明随着隧道施工推进，高速公路沉降影响逐渐加大。此外，由于路基和路面结构刚度相差太大，路面中心沉降相对较大导致隧道拱肩斜上方路面有略微的上升。隧道施工对地表路面的影响范围约隧道轴线左右各30 m，上行线路面中心沉降值为3.2 mm，下行线路面中心沉降值为3.9 mm，下行线沉降较上行线小，说明在隧道施工路面沉降监测中需要加强对上行线的监测。

图8 有限元计算模型

图9 模型竖向位移云图

图10 路面拉应力云图

从图10结果可以看出，隧道轴线位置处混凝土路面上部受压应力作用，最大压应力为0.99 MPa，满足应力安全要求，隧道拱肩斜上部路面受拉应力作用，最大拉应力为0.41 MPa，满足相关公路路面设计规范［5］关于路面抗拉强度的要求，即隧道施工不易诱发路面开裂。

3 结语

1)分析了柔性和刚性路面不同结构模式下，隧道施工诱发路面沉降的不同表现形式，表明柔性结构路面破坏较刚性结构弱。2)探讨了隧道施工影响下公路破坏行为，分析了各种破坏产生的原因，并从断裂力学角度解释了路面未达到其抗拉强度就开裂破坏的原因。3)采用有限元模拟了高速公路汽车荷载模式下的路面沉降和路面应力状态，结果表明正常隧道施工对高速公路影响较小。若为确保高速公路安全，施工过程中可以加强沉降观测且在施工过程中可采取掌子面上车道暂时隔离的措施。

［1］ 彭立敏，安永林，施成华.近接建筑物条件下隧道施工安全与风险管理的理论与实践［M］.北京:科学技术出版社，2010.

［2］ 徐干成，白洪才，郑颖人，等.地下工程支护结构［M］.北京:中国水利水电出版社，2002.

［3］ 李国富.综彩面托伪顶开采化学注浆加固技术研究［J］.矿山压力与顶板管理，2003(3):60-61.

［4］ JTG B01-2003，公路工程技术标准［S］.

［5］ JTG D40-2011，公路水泥混凝土路面设计规范［S］.