公路与隧道立体交叉形式及影响探讨

梁洪涛，党高峰，王 萌

（湖北省交通规划设计院股份有限公司，湖北 武汉430051）

0 引 言

随着我国经济的快速发展，公路、铁路等交通基础设施也迅速增加。由于公路网络与铁路网络“跨省区、长干线、高标准”的特点，在公路设计过程中，不可避免会出现公路或铁路与已建隧道进行交叉的情况[1]。在此背景下，本文对公路与既有隧道立体交叉的形式和影响进行探讨，希望能为类似工程提供一定参考。

1 安全性评价方法

公路与既有隧道的交叉形式包括桥梁、路基和隧道3 种。不论以何种形式与隧道进行交叉，公路建设与运营均会对隧道产生影响，严重情况下，当既有隧道的变形达到一定程度时，会导致隧道结构的损坏，影响行车安全。因此，公路工程必须采取安全可靠的结构形式、施工方案和施工工艺，同时还需要对已建隧道的影响做相关安全性评价，以达到既有隧道运营安全的目的。

在评估项目建成后对既有隧道结构影响时，主要采用有限元程序建立模型，进行数值模拟计算。数值模拟分析方法可以考虑地层条件、空间条件、辅助工法等外在因素，对不同工况下既有隧道的受力和变形情况进行分析，能够较为真实地模拟公路施工和运营过程中对既有隧道的影响，在安全性评价中应用广泛。

2 以桥梁形式上跨既有隧道

公路以桥梁形式与隧道交叉是最常用的交叉形式，其风险主要在于桥梁桩基施工过程中使周边土体产生挤压变形，使隧道受力状况发生改变，可能引起隧道的不均匀沉降，严重时可能导致隧道衬砌开裂，影响隧道结构安全[2]。

以某上跨既有隧道的公路桥梁工程为例，该桥梁与隧道基本呈正交角度交叉，上部构造采用4×40 m预应力钢筋混凝土T 梁，下部构造采用柱式墩，基础采用挖孔灌注桩以减少施工对隧道的影响。隧道埋深约为13 m，梁底与地面的距离约为14 m，桥墩边缘与隧道边缘的最小距离约为12 m。通过数值分析计算可知，桩基开挖时地层各向位移最大位置发生在桩孔中心位置，最大值为2.56 mm，车辆行车荷载对隧道的影响基本可忽略不计，说明公路桥梁的施工及运营不会影响既有隧道结构的安全性。

总体来看，公路采用大跨径桥梁上跨隧道的情况下，由于桩基距隧道较远，可有效减小公路施工和运营过程中对隧道的干扰，安全风险相对较小。

3 以路基形式上跨既有隧道

采用路基形式上跨既有隧道时，路基施工、自重和车辆行车荷载对隧道结构的影响较为复杂，本文则重点对采用路基形式上跨既有隧道的影响进行分析研究。

以湖北省某新建高速公路与襄渝铁路及复线新、老白云山隧道交叉为例，根据其设计资料，高速公路采用路基形式上跨既有隧道。路线方案与铁路交叉点有2 处，交叉点铁路隧道由南至北分别为新白云山隧道、老白云山隧道。与襄渝铁路复线交角约为69°，交叉处新白云山隧道覆土厚度约为63 m，隧道围岩等级为IV 级，初支厚度18 cm，二衬结构厚35 cm，公路路基填方高度8 m；与襄渝铁路老线交角约为63°，交叉处老白云山隧道覆土厚度约为51 m，隧道围岩等级为IV 级，结构厚45 cm，公路路基填方高度9 m。根据设计方案，采用有限元软件对交叉工程进行仿真计算分析。

3.1 计算假定

在明确分析目的的情况下，根据项目实际情况和特点，做如下假定和简化。

（1）土层为各向同性、均质的连续材料；

（2）地层参数参照工程地勘报告中所给出的土体参数及地质工程手册；

（3）既有铁路隧道在施工前处于良好状态；

（4）荷载分为恒载与活载两部分：恒载为路基自重，活载均按公路-I 级荷载考虑。

3.2 模型尺寸与边界条件

两条铁路隧道的水平间距约120 m，隧道最大覆土厚度63 m。考虑到模型的边界效应，整个模型地层的长、宽、高为225 m×200 m×100 m，地层简化为3 层，第一层为碎石土，第二层为强风化片岩，第三层为微风化片岩。

3.3 模型参数

在设计资料地质参数的基础上，通过查阅相关规范及手册，确定参数表（见表1）。

表1 模型相关参数表

3.4 计算结果

根据工程情况，将整个仿真分析分为初始地应力、现状隧道、高速公路建成后路基压力和车道荷载作用3 个阶段，模拟整个施工过程。对地层竖向应力、地层沉降、隧道沉降等进行计算，如图1、图2 和图3 所示。

图1 隧道沉降图

图2 新白云山隧道纵向沉降趋势图

图3 老白云山隧道纵向沉降趋势图

从计算结果看，在高速公路路基和公路荷载的作用下，隧道产生了局部沉降，其中老白云山隧道最大沉降为2 mm，新白云山隧道最大沉降为1.4 mm。隧道沉降最大的位置在公路路基下部，然后向两侧递减。隧道的沉降主要是由地层的整体沉降引起，隧道结构本身产生的变形很小，对隧道的结构安全的影响不大。

因此，通过以上实例分析，在既有隧道埋深较深时，公路可采用路基形式与隧道进行交叉，以减小建设和运营过程中对隧道的影响。

4 以隧道形式与既有隧道交叉

若采用隧道形式与既有隧道交叉，两座隧道的间距、空间关系、隧道的规模、施工方法、地形地质条件对两座隧道均有影响[3]。本文结合相关工程项目，对隧道与隧道交叉的相互影响总结如下：

（1）当两隧道净距超过35 m 时，隧道之间相互影响作用非常微弱，基本可不考虑新建隧道施工对既有隧道结构的影响，一般不需要采取特殊措施；

（2）当两隧道净距在20 ～35 m 时，会产生一定影响，需对隧道进行监控量测，并根据既有结构的位移、变形量等推定允许值，再决定是否采取其他措施；对于新建隧道应采用控制爆破、静态爆破等方法减少围岩扰动，采用超前管棚支护、径向注浆等措施减少围岩变形；

（3）当两隧道净距在10 ～20 m 时，相互影响作用较大，除了对既有隧道的监测，新建隧道的特殊施工方法外，对新建隧道结构还应进行加强，短开挖，强支护，对既有隧道应根据情况加固或提前采取加固措施。

5 结 语

通过对公路分别采用桥梁、路基和隧道形式与既有隧道交叉的研究可知，在进行路线方案设计时，若与隧道的交叉不可避免，应优先采用大跨径桥梁跨越；当隧道埋深较深时，可采用低路基形式进行交叉；当必须以隧道形式进行交叉时，应控制好纵面指标，增加新建隧道与既有隧道的净距，降低安全风险。

总而言之，公路在与既有隧道进行交叉时，必须对路线进行多方案比选，并对交叉方案进行安全性评价，最终确定出安全合理的交叉方案。