市政道路上跨既有下伏隧道施工影响分析

张 婷 （兰州信息科技学院，甘肃 兰州 730300）

1 引言

随着城市的不断建设和发展，不可避免存在建设时出现的近距离施工带来的问题。张浩[1]借助有限元分析软件，模拟某新建公路隧道近距离上跨既有高速铁路隧道的施工过程，并对新建隧道施工对既有隧道振动影响做了相关分析。赵宇鹏等[2]针对昆明新建地铁4号线双线盾构隧道上跨既有6号线双线隧道,形成两层四线叠交的特殊工况，研究盾构上跨施工引起既有隧道纵向位移的变化规律。吴红刚等[3]以草莓沟1#和盘道岭立体交叉隧道为例，完成3种激振工况的振动台试验，重点分析受下穿隧道影响，上跨隧道拱顶和仰拱加速度动力响应特征。邢慧堂等[4]针对济南地铁R2线姜家庄出入场线盾构隧道上跨开源路站-烈士陵园站右线区间既有隧道工程，采用有限元数值仿真对盾构近距离上跨施工组织进行合理化分析。

目前对于不同构筑物近距离施工已有部分研究，但对于地面市政道路与地下既有隧道的近距离施工影响分析仍然缺乏。文章以宝丰隧道为依托，结合路线设计与隧道立交的空间位置关系，采用三维数值仿真的方法，模拟分析路基施工对下伏既有隧道的影响程度，以期为今后类似工程提供参考。

2 工程概况

白芨滩路北延伸段道路及给排水工程位于宁东能源化工基地临河综合工业园区(A区)北部，道路全长2618.834m，项目往南接入现状东仁路，往东与省道103黎明路衔接，右侧与宝丰循环经济工业园区紧邻。项目配套建设雨水、污水、给水、交通、照明及绿化等工程内容。工程施工期间，业主单位认为白芨滩路北延伸段道路线位与宝丰物流园道路及其大门设置位置存在冲突，提出调整上跨铁路路段线位，即取消原设计3孔25m桥梁方案，将线位向西移动至宝丰隧道上部通过。道路起点位置不变，路线调整范围为K0+000～K1+015.15（=原设计K1+010处），调整路线范围长度为1015.15m。线路调整后，K0+280东侧预留约66m宽空间，修建宝丰物流大门。道路交叉处与宝丰隧道洞口最近距离约4m，如图1所示。

图1 道路交叉处与宝丰隧道洞口最近距离图

宝丰隧道位于宝丰物流园之前，宁东灵盐台地缓坡丘陵区，地势较为平坦，坡缓山圆。隧道采用明挖结构，最大埋深12.0m，隧道处于1.75‰/208.6m的下坡上，交通条件较为便利。为了后续线路（预留黎红线）在本线上部形成立体交叉，故将此段落定为隧道工程，洞口的确定亦考虑到后期上方路基回填的要求。曲线地段考虑内净空加宽，同时满足碎石道床沟槽壁与轨枕净距不小于20cm的要求。设计分组为第一组，抗震设防烈度为八度。

隧道均采用曲墙带仰拱模筑衬砌，衬砌厚度按厚80cm断面型式设计，后期黎红线路基再次回填，最大设计覆盖层厚度约为13m。主体结构采用C35防水钢筋混凝土，为减少防水层的接缝，更有效地防止有害物对混凝土的侵蚀，隧道仰拱以上外包两层3mm厚SBSⅡPYS3防水卷材。

3 三维数值模拟风险分析

3.1 有限元模型建立

为考虑路基施工空间效应对下伏既有隧道的影响，计算采用三维地层结构法模拟分析路基施工过程，并最终得到下伏隧道周边地层位移、塑性区及隧道结构自身变形情况，根据相关规范对结构变形要求，评判隧道安全性。计算采用Midas/NX有限元软件进行计算分析。

结合既有地质勘察资料及《铁路隧道设计规范》（TB1003-2016）相关围岩物理学参数取值要求，模型计算参数如表1、表2。

地层物理力学参数 表1

结构物理力学参数 表2

计算模型采用GTS NX岩土有限元计算软件，程序使用施工阶段法实现既有明洞施作、回填等过程。地层材料服从摩尔-库伦屈服准则，所建立的三维有限元模型如图2所示。

图2 三维有限元模型

目前既有隧道已开通运营9年，隧道周边填土固结尚未完成，上跨既有路基施工不可避免造成地层土体损失，引起隧道周边土体上浮，进而引发隧道产生不均匀变形。

路基开挖前隧道所处地层的应力状态需通过模拟计算得到，然后方可进行路基施工开挖。计算总体过程为地层初始应力场→隧道修筑后应力场→路基开挖。

3.2 初始应力场分析

初始状态衬砌内力如图3所示，取受力最不利位置，提取结构内力可得结构安全系数，见表3。由表3可知，初始状态下，衬砌内力最大位置的安全系数在规范要求值范围内，能满足规范对结构强度控制的要求。

图3 初始状态衬砌内力

初始状态明洞衬砌结构安全系数 表3

3.3 垫层下挖至设计标高结果分析

垫层下挖至设计标高后隧道周边位移、衬砌结构变形以及衬砌结构内力分别如图4、5、6所示。由计算可知，垫层下挖至设计标高后，隧道周边土体受到较大扰动，提取结构变形及内力如表4、表5所示。由表4、5可知，垫层开挖至设计标高时，衬砌内力最大位置的安全系数在规范要求值范围内，最大隆起位移为4.59mm，接近规范要求值5mm，最大水平位移为5.79mm，超出规范要求，会对结构造成一定影响。

明洞衬砌结构变形 表4

明洞衬砌结构安全系数 表5

图4 垫层下挖至设计标高隧道周边土体Z向位移

图5 垫层下挖至设计标高衬砌结构变形

图6 垫层下挖至设计标高衬砌结构内力

4 施工关键注意事项

4.1 道路路基开挖施工

为尽可能减少对现有隧道结构的影响，上跨道路K0+480处上跨隧道处的道路设计标高约1259.82m（宝丰隧道结构顶部标高为1253.82m），隧道顶部覆土厚度约6m，道路路床需做加强及防渗处理，即路床下超挖0.4m后，铺设1层防渗土工布和3层土工格栅，分散车辆荷载对隧道结构的应力。按上述方法施工，隧道上部直接卸载，可能引起隧道结构较大上浮变形，造成结构开裂及轨道变形。建议道路路基施工前对隧道两侧结构外侧及隧道洞顶松动范围进行注浆加固处理，而后进行道路路基开挖施工以控制隧道结构的上浮变形。

4.2 道路路基处理施工

道路上跨越宝丰隧道段（K0+420～K0+520段）特殊设计为在道路开挖至路床底面标高后，继续向下超挖40cm，全断面铺设防水土工布（两布一膜的防渗土工布单位面积质量不小于500g/m2，断裂强度≥15kN/m，断裂伸长率＜50%，撕裂强度≥0.6kN，CBR、顶破强度≥2.75kN/m，垂直渗透系数≤1×10cm/s～12cm/s）。在回填6%灰土过程，每40cm厚度铺设土工格栅，土工格栅采用加强型双向钢塑土工格栅，设计抗拉强度不小于80kN/m，土工格栅用U型钢钉固定于路基中，U型钢钉间距1m，格栅搭接宽不小于50cm，用镀锌细铁丝绑扎。

施工扰动对隧道结构有一定影响，建议采取以下措施降低对隧道结构的影响。

施工前现场测量既有宝丰隧道，对隧道结构边线及注浆加固范围进行精确定位。

路基处理施工前建议尽量采用小型机械开挖及压实，减少振动扰动对隧道结构的影响。

施工过程中对既有宝丰隧道结构进行变形和振动监控量测，对隧道内轨道进行变形监测，发现异常及时上报。

4.3 道路距离隧道边缘最近处约4m位置处施工

建议设计明确上跨道路靠近隧道洞口一侧防撞栏防护等级为SS级，以降低因事故车辆坠落对隧道结构造成影响。

4.4 道路给排水施工

道路敷设的给水管道，在上跨隧道处增加套管保护措施。本工程采用纵横向集中排水系统合理可行，建议在道路两侧设置永久排水沟进行导流，将桥梁集中排水水流引致附近路基侧沟或涵洞内分流。

5 结论

道路上跨宝丰隧道平面线位受宝丰物流园大门及预留黎红线线位制约，选定当前线位。线位的走向及与道路交角满足相关规范要求，但存在一定的安全风险，合理设置防撞、防抛措施后可有效规避由坠落造成的行车风险。

通过有限元数值模拟计算，在隧道结构净覆土6m时，结构最大水平位移为5.79mm，略大于规范要求值5mm，路基开挖卸载对隧道结构安全造成一定影响，需通过对隧道周边土体采取预加固、控制路基施工过程、做好截排水设施。