不同工况下道路施工对既有下穿隧道的影响分析

唐杰 张顺

（重庆市市政设计研究院有限公司，重庆 400020)

随着城市都市功能区的极速扩大，市政道路建设速度越来越快。西南地区地形地貌较为复杂，公路隧道较多，市政道路设计时常会出现上跨既有隧道的情况，工程设计中常采用填方、挖方或桥梁的形式上跨隧道，但不同形式上跨对既有下穿隧道的影响程度未知。

本文以某既有下穿隧道顶部道路施工为研究对象，针对路基填方、路堑挖方和桥台结构三种方式，分析了各施工工况对既有下穿隧道的影响。深埋隧道顶部道路填（挖）方施工时，隧道结构的最大横、竖向位移为1.13mm（0.71mm）、2.74mm（0.86mm），最大位移为规范容许值的27.4%（8.6%）；浅埋隧道顶部桥台桩基施工时，隧道结构的最大横、竖向位移为0.58mm、2.84mm，最大位移为规范容许值的28.4%；三种施工工况下隧道拱底最大位移分别为0.79mm、0.67mm和2.1mm，是规范容许值的19.8%、16.8%和52.5%，桥台桩基施工时隧道拱底变形较大。

一、工程概况

拟建道路成南北走向，为城市主干路，设计行车时速50km，双向六车道，标准路幅宽40m。

既有隧道采用复合式硬质岩石隧道掘进机 (Tunnel Bohr Maschine，TBM)施工，双洞单线，隧道净距10m，断面尺寸6m，围岩等级Ⅳ级，结构均为深埋隧道，采用管片厚度50mm，采用C50钢筋混凝土。

拟建道路上跨该既有隧道，共存在3种典型施工工况，即道路挖方、填方和桥台结构。

挖方：道路k2+600为挖方区最不利断面，该断面挖方高度为11.6m，道路标高342.560m，隧道结构顶标高320.835m，道路路面与隧道结构顶竖向高差约21.7m，为深埋隧道。

填方：道路k1+580为填方区最不利断面，该断面填方高度为24.8m，道路设计为365.459m，隧道结构顶标高314.735m，道路路面与隧道结构顶竖向距离48.03m，为深埋隧道。

桥台结构：道路k2+700为桥台断面，该断面M型框架梁底设计标高327.918m，隧道结构顶标高319.038m，M框架梁底与隧道结构顶竖向距离8.88m，为浅埋隧道。

二、有限元模型建立及分析

（一）材料参数

有限元分析采用Midas GTS软件，岩土体采用M—C模型，隧道衬砌结构、管片采用线弹性模型。根据地质情况判断，该段地层主要为人工填土、砂质泥岩及砂岩。

（二）有限元模型建立及施工模拟

有限元模型主要建立了道路挖方、道路填方及道路桥台施工阶段，有限元模型如图1所示，计算步骤如下。

图1 道路桥台有限元模型

道路挖方阶段：自重应力场平衡→隧道开挖施工→道路工程挖方施工及车辆荷载施加。

道路填方阶段：自重应力场平衡→隧道开挖施工→道路工程填方施工及车辆荷载施加。

道路桥台施工阶段：自重应力场平衡→隧道开挖施工→M框架梁基础基槽开挖→桩基部分开挖→桩基施工→M框架梁及桥墩施工→回填及桥梁上部施工。

三、有限元结果分析

（一）道路挖方

当道路挖方施工完成后，其对隧道结构的横、竖向位移云图如图2、图3所示。分析可知，道路挖方致使隧道结构最大竖向位移为0.86mm，横向位移为0.71mm，拱底最大竖向变形为0.67mm。

图2 隧道管片横向位移云图

图3 隧道竖片竖向位移云图

（二）道路填方

当道路填方施工完成后，其对隧道结构的横、竖向位移云图如图4、图5所示。分析可知，道路填方致使隧道结构最大竖向位移为2.74mm，横向位移为1.13mm，拱底最大竖向变形为0.79mm。

图4 隧道管片横向位移云图

图5 隧道竖片竖向位移云图

（三）道路桥台

当道路桥台、桩基施工完成后，其对隧道结构的横、竖向位移云图如图6、图7所示。分析可知，道路桥台、桩基施工致使隧道结构最大竖向位移为2.84mm，横向位移为0.58mm，拱底最大竖向变形为2.1mm。

图6 隧道管片横向位移云图

图7 隧道竖片竖向位移云图

综合上述分析计算可知，各施工工况下道路建成使用引起隧道结构变形小于10mm，拱底变形小于4mm，满足相关规范的要求。桥梁中采取了M型框架梁基础，桥梁荷载通过M框架梁基础直接传递到隧道底部以下岩层，对隧道管片没有产生附加荷载，对隧道结构影响很小，隧道结构仍满足设计要求，高架桥建设与使用不影响该段结构安全。

四、结语

本文通过Midas GTS有限元软件，分析了道路挖方、填方、桥台桩基施工对既有隧道的影响，得出以下结论。

当既有隧道为深埋隧道时，顶部道路挖方施工对隧道结构产生的横、竖向变形相差不大，填方施工易致使轨道结构产生较大的竖向变形，变形量虽未超过规范要求，但道路设计时应尽量避免以填方形式通过，增加隧道顶部荷载。

当既有隧道为浅埋隧道时，为避免对隧道结构产生影响，道路可采用桥梁的形式跨越隧道，使桥梁桩基础施工对隧道结构产生的变形影响满足规范控制要求。

桥台桩基础对隧道结构及周围围岩的竖向变形影响较大，桩基施工时可采用人工挖孔桩，避免产生过大的负摩阻力增加隧道结构竖向变形。