新建道路与既有高速公路隧道立体交叉安全性评价_高登.pdf

福建交通科技2023年第1期随着福建省公路、铁路的高速发展，路网密度不断增加，与之伴随的是愈来愈多的道路与隧道相互立体交叉，而如何在立体交叉工程中，保证既有隧道安全运营，同时完成上跨工程的建设，受到业界越来越多的关注。对于既有隧道，工程中最为重要的就是隧道安全性。而在交叉工程中隧道安全性主要考虑2点：（1）新建工程修建时，既有隧道衬砌的轴力与弯矩是否在承载能力范围内；（2）新建工程修建时，既有隧道的纵向沉降和曲率是否符合要求1。而对于新建道路工程，其上跨方式亦有2种：（1）路基直接上跨；（2）桥梁间接上跨。前者造价低、工期短，但对既有隧道影响较大；后者造价高、工期长，但仅在桩基施工期间对既有隧道有影响2。高立文等3以新建公路上跨既有高速公路隧道工程为研究对象，通过数值模拟理论分析公路路基施工时和建成后运营工况对既有隧道结构的影响，研究分析得出路基开挖施工对隧道周边围岩有一定的扰动,导致隧道周边围岩应力二次重分布,对运营隧道有一定的影响。张婷4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；通过有限元数值模拟计算，在隧道结构净覆土6 m时，结构最大水平位移为5.79 mm，略大于规范要求的5 mm，路基开挖卸载会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。基于此，本文以厦门环山路上跨厦沙岩内隧道为例，使用有限元分析软件MIDAS/GTS，建立环山路上跨厦沙岩内隧道交叉段数值模型，并对其进行数值计算分析，讨论路基直接上跨对既有隧道的沉降和衬砌状态的影响，对岩内隧道的进行安全性评估并提出相应的措施。1工程概况环山路起点位于厦门北站北广场，路线由西往东，K0+000K1+140段为双向四车道，路基宽度24 m。在K0+387上跨厦沙高速公路岩内隧道左洞，交角66576，隧道左洞洞顶与环山路高程差约5.4 m，交叉处离左洞出口342 m；在K0+355上跨厦沙高速公路岩内隧道右洞，交角702713，隧道右洞洞顶与环山路高程差约4.6 m，交叉处离右洞出口331 m。其交叉处平面关系如图1所示。图1环山路上跨岩内隧道平面关系示意图根据区域地质资料和地面调查，交叉处区域全新世以来无活动断裂，属构造稳定场地。隧道洞顶以上10 m范围内，岩土体主要由粉质粘土、残积低液限粘质土、全风化花岗岩构成，根据JTG D70-2004公路隧道设计规范洞顶围岩级别属级；洞身岩土体主要由残积低液限粘质土构成，洞身围岩级别属级。摘要为评价厦门环山路工程与厦沙高速岩内隧道立体交叉的安全性，采用有限元软件MIDAS/GTS进行数值计算，分析结果表明：隧道左右洞最大隆起变形分别为2.95 cm和2.75 cm，隧道二衬最大压应力小于C25混凝土弯曲抗压强度，但隧道二衬最大拉应力大于C25混凝土轴心抗拉强度，且拱顶拉应力增量大于容许值，需对交叉段二衬采取加固措施。建议开挖环山路之前加固道路正下方隧道二衬各29.5 m。关键词隧道交叉工程二次衬砌围岩安全性有限元分析新建道路与既有高速公路隧道立体交叉安全性评价高登1，2（1.福建省高速技术咨询有限公司，福州350001；2.福建省高速公路工程重点实验室，福州350001）63FUJIANJIAOTONGKEJI福建交通科技2023年第1期2数值模拟分析2.1计算模型为了准确地模拟并分析环山道开挖对厦沙高速公路岩内隧道的影响，本次数值模型限界以上跨交叉中点为中心，在隧道横断面方向，即X轴方向取172 m宽，在隧道纵向方向，即Y轴方向取198 m长，在隧道基底方向，即Z轴方向取80 m深。数值模型除上边界外，其余边界距离交叉段区域均超过4倍隧道断面宽度，保证边界效应不影响数值计算结果。土层、道路和隧道采用三维实体单元模拟，本构模型为摩尔-库伦；隧道二衬采用板单元模拟，本构模型为弹性模型，围岩及二衬计算参数如表1所示。本数值模型除上边界外，其余边界均施加法向约束以保证计算结果的准确性。模型共划分44320个单元、23448个节点，网格模型如图2、3所示。表1围岩及支护计算参数材料材料属性弹性模量/MPa泊松比厚度/m比重/(kN/m3)粘聚力/kPa内摩擦角/（）残积低液限粘质土C-M1.01030.4-172318C25钢筋砼（隧道二衬）弹性29.51030.20.4525-C25钢筋砼（人行横洞二衬）弹性29.51030.20.325-图2三维网格模型图图3隧道与道路交叉轴测图2.2施工过程模拟施工过程模拟共分为以下5个阶段：（1）初始应力；（2）隧道左右洞开挖；（3）施加二次衬砌；（4）环山路施工开挖；（5）施加车辆荷载。根据JTG/TD702010公路隧道设计细则5规定，V级围岩地段的隧道，其围岩荷载的20%40%由围岩与初期支护承担，60%80%由二次衬砌承担。本次模拟采取最不利分配方式，围岩荷载的释放比例为隧道开挖阶段40%，施作二次衬砌阶段60%。2.3计算结果及分析图4、5给出了隧道左洞与右洞不同位置的竖向位移随施工阶段的变化。可以看出左洞与右洞的拱顶部位在开挖后由于失去了原有岩体的支撑产生了沉降，在施加二次衬砌后沉降情况有了明显的改善。在开挖道路阶段，隧道左洞和右洞的各个部位均向上位移，洞内的最大隆起位移均位于拱底处，隆起变形分别为2.75 cm和2.95 cm。图4右洞不同位置处竖向位移随施工阶段变化图5左洞不同位置处竖向位移随施工阶段变化图69分别选取环山路正下方隧道左右洞在左拱腰、拱顶、拱底、右拱腰节点处主应力，可以看出右洞和左洞最小主应力都出现在施加二衬阶段桥隧工程64福建交通科技2023年第1期拱底处，都为6.4 MPa的压应力，小于C25混凝土弯曲抗压强度23.8 MPa6；最大主应力出现在施加二衬阶段的拱底处，右洞和左洞都为4.35 MPa且大于C25混凝土轴心抗拉2 MPa；道路开挖对隧道拱顶二衬拉应力影响较大，右洞和左洞拉应力相比加二衬阶段，分别增大了1.65 MPa和1.52 MPa。根据关宝树7在隧道工程施工要点集指出，当隧道按极限状态设计时，衬砌应力增加的容许量为1 MPa，而既有岩内隧道左右洞拉应力增量均大于应力的容许值1 MPa，意味着开挖道路施工前，需采取措施加强对既有隧道二衬的保护。图6右洞不同位置处衬砌最小主应力移随施工阶段变化图7右洞不同位置处衬砌最大主应力移随施工阶段变化图8左洞不同位置处衬砌最小主应力移随施工阶段变化图9左洞不同位置处衬砌最大主应力移随施工阶段变化图10中坐标轴原点为环山道路中心相对应的隧道拱顶节点，其方向如图所示；图11、12是在图10基础上，以坐标轴原点为中心，在不同施工阶段，拱顶二衬拉应力在距离道路中心不同位置的变化图。从图11与12中可以看出，施加二衬到道路开挖阶段，左右洞拱顶都是在8 m到11.5 m（共19.5 m）范围内的拉应力增量大于1 MPa。所以在隧道上方环山道路施工前，必须对19.5 m范围的隧道二衬进行加固，考虑安全预留，加固范围应向两端各延伸5 m，总共加固29.5 m。图10隧道左右洞拱顶点位布置图11不同施工阶段隧道右洞拱顶拉应力变化65FUJIANJIAOTONGKEJI福建交通科技2023年第1期为竖转方案的顺利实施奠定了坚实基础：（1）霞飞大桥竖转施工采用三角起扳方案切实可行，且过程涉及的索塔结构均能满足施工安全性要求；（2）转铰结构与销轴的连接处存在应力集中，应予以重视，并且要保证该部位的钢板焊接质量。参考文献1许青宏，童李凯.西洪大桥钢主塔竖向转体施工技术J.市政技术，2022，40（4）：36-41，48.2杨士成.斜主塔竖转吊装结构的局部应力分析J.施工技术，2015，44（S1）：354-357.3魏岗，秦利升，卞北平，等.2100 t钢索塔竖提施工结构受力分析J.中国工程机械学报，2020，18（3）：274-277，282.4高兴赞，游德泉，李琼慧.基于有限元模型的独塔斜拉桥钢塔竖转转体过程静力分析研究J.福建交通科技，2018（1）：28-29，93.5王向阳，夏小勇，韩丽丽.稳定索在钢拱塔竖转施工过程控制中的应用分析J.公路，2016，61（1）：90-94.6康俊涛，何林，范杰，等.马蹄形独塔斜拉桥钢主塔竖转施工监控关键技术J.公路，2016，61（1）：95-101.图12不同施工阶段隧道左洞拱顶拉应力变化3结论本文使用MIDAS/GTS有限元分析软件对既有隧道上部明挖道路进行模拟计算，得出以下结论：（1）道路开挖阶段，隧道的最大竖向位移都发生在拱底处，右洞和左洞隆起变形分别为2.95 cm和2.75 cm；（2）隧道最大压应力出现加二衬阶段拱底处，但都小于C25混凝土弯曲抗压强度，意味着不会发生压裂破坏；（3）隧道最大拉应力出现在施加二衬阶段拱底处都为4.35 MPa，大于C25混凝土轴心抗拉2 MPa，且拱顶拉应力增量都大于容许值1 MPa，意味着交叉段二衬需采取加固措施；（4）建议开挖环山路之前加固道路正下方隧道二衬，左右洞加固长度各为29.5 m。参考文献1陈亮，黄宏伟，王如路.近距离上部穿越对原有隧道沉降的影响分析J.土木工程学报，2006（6）：83-87.2黄新连.市政道路近距离上跨运营铁路隧道方式研究J.铁道建筑技术，2019（5）：41-44.3高立文，吕涛，杨明松.新建公路路基上跨既有高速公路隧道的安全影响分析J.中国公路，2018（18）：100-101.4张婷.市政道路上跨既有下伏隧道施工影响分析J.安徽建筑，2022，29（11）：168-169.5中华人民共和国交通运输部.公路隧道设计细则：JTG/T D70-2010S.北京：人民交通出版社，2010.6中华人民共和国交通运输部.公路隧道设计规范：JTG3370.1-2018S.北京：人民交通出版社，2018.7关宝树.隧道工程施工要点集M.人民交通出版社，2003.(上接第62页)桥隧工程66