公路上跨既有引黄隧洞的影响因素分析与研究

闫立来

（山西省交通规划勘察设计院有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

我国中西部地区大多数为山岭重丘区，随着交通建设的不断发展，同时受土地资源的制约，交通工程越来越多地呈现出立体化的发展趋势[1]，新建交通工程中上跨或下穿既有构造物的情况越来越多，新建工程破坏了既有构造物的受力状态，对既有构造物的影响和危害程度引起了相关单位的重视，近年来学者们利用理论分析、数值模拟、现场试验等工程手段对新建工程与既有构造物之间的相互影响进行了大量的研究，本文以实际工程为依托，对新建公路上跨既有引黄隧洞设计与施工控制技术进行研究，为类似工程提供借鉴意义。

1 工程概况

山西省新国道太克线临县苗家庄—梁家会段升级改造公路工程在K0+500处上跨中部引黄工程TBM2标隧洞，太克线升级改造公路工程全线采用二级公路技术标准，设计速度60 km/h，路基宽度10 m，桥涵设计汽车荷载等级采用公路-Ⅰ级。太克线与引黄隧洞交叉关系平面图如图1所示。

引黄工程隧洞与太克线交叉段洞室开挖宽度为7.5 m，高度为7.5 m，初期支护为挂网锚喷C20混凝土15 cm，二次衬砌为C25钢筋混凝土衬砌50 cm，引黄隧洞与太克线交叉段衬砌图如图2所示。

图1 太克线与引黄隧洞交叉关系平面图

图2 引黄隧洞与太克线交叉段衬砌图（单位：m）

太克线升级改造公路工程与引黄隧洞交叉处以路堑形式通过，对应引黄隧洞桩号为K0+084处，路基设计标高距隧洞顶开挖轮廓为22.0 m，太克线K0+500断面与引黄隧洞位置图如图3所示。太克线与引黄隧洞交叉处上覆Q3pl、Q2pl黄土和卵石土，厚度在0-2 m，下部为N2红黏土，隧洞洞身段为上第三系上新统结构较密实的低液限N2红黏土。水文地质类型为围岩空隙水，洞体埋深范围内未见地下水，围岩级别为V级。按荷载等效高度值对交叉处进行计算，太克线与引黄隧洞交叉处支洞判定为深埋段。

图3 太克线K0+500断面与引黄隧洞位置图（单位：m）

2 太克线K0+500处路堑对隧洞影响有限元分析

2.1 边界条件、屈服准则、单元类型的选取

根据大量的理论和实践分析，本次计算范围在水平方向上取5倍径距,在隧道底部方向下取3倍径距[2]。交叉处地层围岩为假定弹塑性体，材料力学特性遵循Drucker-Prager屈服准则，建立非线弹塑性本构模型。二次衬砌和初期支护采用2节点等参实体梁单元BEAM3模拟，地层围岩体采用4节点等参平面实体单元PLANE42模拟。

2.2 运营期车辆荷载等代均布土层厚度计算

运营期间车辆荷载按公路-Ⅰ级车辆荷载标准值550 kN设计考虑，为了便于有限元模拟计算，车辆荷载按等代均布土层厚度法进行简化，车辆荷载等代均布土层厚度计算公式：

式中：∑G为布置在计算面积内的车辆轮上的重力，kN；B为路基宽度；l0为土体的破坏棱体长度；γ为土体容重。

路基宽度B=10.0 m，N2红黏土土体容重γ=18 kN/m3，土体的破坏棱体长度l0=1.4 m，由上述条件即可计算得到车辆荷载等代均布土层厚度：

2.3 计算模型及参数

引黄隧洞与太克线交叉段初期支护采用喷C20混凝土15 cm，二次衬砌采用C25钢筋混凝土50 cm。交叉处引黄支洞洞身段为上第三系上新统的低液限结构较密实N2红黏土，围岩级别V级，根据《公路隧道设计细则》表6.4.3-1“各级土质围岩的基本物理力学参数”中规定[3]，交叉处围岩取V1亚级黏质土力学参数，交叉段围岩、初期支护、二次衬砌等材料的物理力学模型参数如表1所示。

表1 交叉段材料物理力学模型参数

2.4 交叉处结构受力分析

2.4.1 引黄隧洞受力分析

引黄隧洞开挖施工中，有限元数值模拟初期支护结构上的轴力图、剪力图如图4、图5。

图4 隧洞初期支护轴力图

图5 隧洞初期支护剪力图

引黄隧洞开挖施工过程中，有限元数值模拟二次衬砌结构上的轴力图、剪力图如图6、图7。

图6 隧洞二次衬砌轴力图

图7 隧洞二次衬砌剪力图

通过对引黄隧洞施工过程中初期支护和二次衬砌上轴力和剪力的分析，得到如表2、表3分析结果。

表2 隧洞初期支护受力分析表

表3 隧洞二次衬砌受力分析表

a）对引黄隧洞初期支护和二次衬砌上轴力图、剪力图分析，隧洞衬砌结构受地形起伏影响显著，隧洞初期支护和二次衬砌中产生一定的偏压。

b）对引黄隧洞初期支护和二次衬砌上轴力分析，隧洞初期支护和二次衬砌中轴心位置均以压力为主，并没有产生拉力。隧洞初期支护中最大压应力为4.6 MPa小于C20喷射混凝土弯曲抗压设计强度11.0 MPa；隧洞二次衬砌中最大压应力为5.8 MPa小于C25混凝土弯曲抗压标准值强度18.5 MPa，满足设计规范和结构安全系数要求。

c）对引黄隧洞初期支护和二次衬砌上剪力分析，隧洞初期支护部分位置的最大剪应力0.3 MPa小于C20喷射混凝土剪应力设计强度允许值0.85 MPa，隧洞二次衬砌部分位置的最大剪应力0.8 MPa小于C25混凝土剪应力设计强度允许值1.0 MPa，满足规范设计允许要求。

2.4.2 太克线K0+500处路堑施工对隧洞影响分析

太克线K0+500处路堑段开挖施工后，引黄隧洞初期支护上的轴力图、剪力图如图8、图9。

图8 路堑开挖后隧洞初期支护轴力图

图9 路堑开挖后隧洞初期支护剪力图

引黄隧洞二次衬砌上的轴力图、剪力图如图10、图11。

图10 路堑开挖后隧洞二次衬砌轴力图

图11 路堑开挖后隧洞二次衬砌剪力图

通过对太克线路堑开挖施工后隧洞初期支护和二次衬砌上轴力和剪力的分析，得到如表4、表5分析结果。

表4 太克线路堑开挖后隧洞支洞初期支护受力分析表

表5 太克线路堑开挖后隧洞支洞二次衬砌受力分析表

a）对太克线路堑开挖后隧洞初期支护和二次衬砌上轴力图、剪力图分析，路堑开挖后隧洞衬砌结构受地形起伏影响减弱，隧洞初期支护和二次衬砌中偏压现象也减弱。

b）对太克线路堑开挖后隧洞初期支护和二次衬砌上轴力图及表4、表5分析，隧洞初期支护和二次衬砌中轴心位置均以压力为主，并没有产生拉力。隧洞初期支护中最大压应力为2.6 MPa小于C20喷射混凝土弯曲抗压设计强度11.0 MPa；隧洞二次衬砌中最大压应力为4.7 MPa小于C25混凝土弯曲抗压标准值强度18.5 MPa，满足规范要求。

c）对太克线路堑开挖后隧洞初期支护和二次衬砌上剪力图及表4、表5分析，隧洞初期支护部分位置的最大剪应力为0.2 MPa小于C20喷射混凝土剪应力设计强度允许值0.85 MPa，隧洞二次衬砌部分位置的最大剪应力为0.7 MPa小于C25混凝土剪应力设计强度允许值1.0 MPa，可知隧洞初期支护和二次衬砌中剪应力满足规范设计允许要求。

2.4.3 太克线路堑施工前后隧洞受力对比分析

太克线K0+500处路堑施工前后，隧洞初期支护和二次衬砌受力对比分析如表6所示。

通过表6分析可知，太克线K0+500处路堑开挖施工后，对引黄隧洞结构受力产生了卸载作用，隧洞中受力明显减小，且偏压现象也得到减弱，总体上有利于支洞结构的安全稳定。

表6 太克线路堑施工前后隧洞受力对比分析表 MPa

3 结论与施工注意事项

a）根据新国道太克线K0+500处路堑开挖施工前后，对引黄隧洞初期支护和二次衬砌的受力分析对比，路堑开挖施工对引黄隧洞结构受力起到了卸载作用，且对引黄隧洞结构受力影响不大，偏压现象也得到减弱，总体没有对引黄隧洞结构的安全稳定产生不利影响。

b）路堑开挖施工过程中加强对引黄隧洞的监控量测，并及时反馈量测信息。

c）路基开挖施工过程中应及时完善该路段截排水设计和坡面防护设计。

d）路堑开挖施工过程中应尽量采取对引黄隧道扰动小的工法，避免使用振动压路机，可采用大吨位压路机静压和控制每层虚铺厚度及增加碾压次数的方法达到压实目的。

e）太克线与引黄隧洞交叉处，原路面结构设计中水泥稳定碎石调整为连续配筋的钢筋混凝土面板，以利于运营期车辆荷载向隧洞外更好地传递。