耿曉軻

（河南高速公路監(jiān)理咨詢有限公司，河南 鄭州 450000）

隨著國家高速鐵路建設速度的加快，在今后的高速公路建設中將會出現(xiàn)各種方式穿越高速鐵路的情況，文章以連霍高速洛陽至三門峽（豫陜界）段改擴建工程（簡稱“洛三改擴建工程”）上跨鄭西高鐵為例，探討各種交叉方案的可行性。

1 工程概況

洛三改擴建工程起于連霍高速與洛陽繞城高速交叉處，止于豫陜省界收費站，全長約195km，采用雙向8車道高速公路標準，設計速度100km/h。上跨閿鄉(xiāng)隧道DK298+780～DK298+898段為挖方路段，采用北側(cè)整體式加寬方式以路基方式跨越，新建單側(cè)整體式路基寬度為24.5m，路面頂面與隧道頂面高差為11～13m。

閿鄉(xiāng)隧道為雙線鐵路隧道全長770m，設計速度350km/h。隧道DK298+875～DK299+020里程段下穿連霍高速，隧道與公路平面交角為15°34′12″，交叉段隧道覆蓋層僅11m。平面呈小角度交叉，上下交疊，豎向距離較近，其施工運營均會造成隧道周圍圍巖應力的重分布。

2 洛三改擴建工程對閿鄉(xiāng)隧道的近接影響

改擴建工程對既有隧道的影響決定于以下條件：挖方工程與既有隧道的間隔、挖方體與既有隧道的相對位置關系、挖方工程的大小、挖方工程的施工方法、地形和地質(zhì)條件、既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)安全和健全度等。新建工程近接度的示意如圖1所示。

圖1 近接度的劃分

通過上部基坑中心做45°斜線作為地層中潛在的影響面，根據(jù)橫向影響范圍及斜交角度可計算影響區(qū)域沿連霍高速公路的長度為213.4m，沿閿鄉(xiāng)隧道的縱向長度為217.4m。影響范圍及程度較大，施工中采取輔助措施方案是必要的。

3 施工對策方案

改擴建工程對隧道的影響主要分為以下兩個方面：（1）施工階段?；娱_挖時，既有隧道會產(chǎn)生向上的拉伸及位移，損傷隧道的拱作用，不利于結(jié)構(gòu)的安全與穩(wěn)定。（2）運營階段。投入運營后，車輛荷載的移動性、沖擊性及值不定性均會對隧道襯砌造成一定的損傷。

施工中應延長開挖時間間隔、減小每次的開挖量，盡量減小襯砌的損傷程度。通過輔助措施方案，將車輛荷載盡量傳遞至圍巖而非襯砌結(jié)構(gòu)，減小運營階段對隧道襯砌的影響。為此，提出以下3種方案。

3.1 板梁式防護

在新建高速公路線路下設置鋼筋混凝土板，在板坯兩側(cè)設置縱梁作為條形基礎。二者共同承擔高速公路運營中的荷載，以確保高速公路運營中隧道的整體安全穩(wěn)定。

3.2 拱橋式防護

挖方結(jié)束后，對隧道上方的拱橋進行加固可以避免或減緩車輛荷載對隧道結(jié)構(gòu)的二次擾動，保證隧道結(jié)構(gòu)和行車安全。

3.3 樁基拱橋式防護

在隧道上方設置“拱橋”，在拱腳下挖樁基時，二者共同承擔高速公路施工和運營中的部分荷載，從而保證隧道在高速公路施工及運營中的整體安全、穩(wěn)定。

4 方案比選

通過FLAC3D數(shù)值模擬分析圍巖在各防護措施中的穩(wěn)定性，為方案比選提供參考依據(jù)。

4.1 分析方法選擇

隧道圍巖較常用的穩(wěn)定性分析方法有強度折減法和容重增加法。強度折減法是將圍巖抗剪強度的代表值折減至圍巖達到極限破壞狀態(tài)。此時，折減系數(shù)為圍巖安全系數(shù)。增大容重的方法是增大重力加速度，直至圍巖達到極限破壞狀態(tài)。此時，重力加速度與實際加速度之比就是圍巖的安全系數(shù)。對于摩擦角較大的砂土，當巖土重力荷載增大時，法向應力的增長速度就會快于剪應力的增長速度。由摩爾庫侖抗剪強度公式可知巖土體抗剪強度與法向應力成線性關系，巖土體抗剪強度的增長速度比其剪應力的增長速度快，即使不斷地增加巖土體的容重也不會造成圍巖破壞。這與實際情況明顯不符，所以文章采用強度折減法評價隧道圍巖的穩(wěn)定系數(shù)。

4.2 穩(wěn)定性判據(jù)說明

（1）以有限元靜力平衡計算不收斂作為圍巖整體失穩(wěn)的標志。這種判定具有一定的任意性，而且造成數(shù)值計算不收斂的因素比較復雜，增加了計算的難度，故不采用。（2）以塑性區(qū)（或者等效塑性應變）隧道到地表貫通作為圍巖失穩(wěn)的標志。塑性區(qū)貫通是破壞的必要條件，但不是充分條件，這還取決于是否存在一個巨大的和無限發(fā)展的塑性變形和位移。因此，不能簡單地以隧道對地表的塑性區(qū)侵徹作為判據(jù)。（3）以破壞圍巖部分的無限移動作為圍巖失穩(wěn)的標志。此時土體滑移面上應變和位移發(fā)生突變且無限發(fā)展。根據(jù)變形破壞規(guī)律，圍巖穩(wěn)定性隨各種環(huán)境因素的變化而變化，位移速率（位移增量與時間增量之比）也隨之變化。當圍巖達到臨界滑動狀態(tài)時，圍巖安全系數(shù)降到1.0，位移速率急劇增大，很快將導致圍巖失穩(wěn)破壞。由此可見，圍巖的穩(wěn)定性與位移速率的變化趨勢有著密切的關系。

綜合分析以上3種判據(jù)，文章采用第三種判定，即隧道二次襯砌的拱頂沉降、水平收斂及仰拱隆起的位移突變作為圍巖達到極限穩(wěn)定破壞的依據(jù)。一般當安全系數(shù)＞1.0時，便可以認為圍巖是穩(wěn)定的，但是綜合考慮各種不利因素，取1.0為臨界安全系數(shù)過于冒進，本次計算以3為圍巖穩(wěn)定性的臨界點，即當安全系數(shù)≥3時圍巖便認為是穩(wěn)定的。

4.3 計算簡述

為評價上述3種防護措施方案對圍巖穩(wěn)定性的影響，以無防護方案作為參照?？紤]到各防護措施方案的施工階段對隧道襯砌的損傷程度不盡相同，無防護方案、板梁式防護、拱橋式防護、樁基拱橋式防護方案對應的隧道襯砌劣化系數(shù)分別取0.3、0.35、0.4、0.5。以洛三高速運營階段的標準荷載及超載時的安全系數(shù)作為方案比選的控制計算工況。連霍高速為雙向8車道公路，設計時速為100km/h，加寬部分荷載為公路I級荷載，路基路寬24.5m，為單向4車道，考慮最不利的情況，車道內(nèi)均布荷載，則荷載可以簡化為kN/m。本次計算取qk=23kN/m作為標準荷載，考慮到現(xiàn)在高速公路常有超載現(xiàn)象，以標準荷載的兩倍作為超載92kN/m情況進行計算。

5 計算結(jié)果分析

不斷加大強度折減系數(shù)，得出各折減系數(shù)對應的標準荷載及超載情況下的穩(wěn)定狀態(tài)，提取隧道二次襯砌的拱頂沉降、水平收斂與拱頂隆起值，以其值突變點所對應的強度折減系數(shù)作為各防護措施方案對應的圍巖穩(wěn)定系數(shù)。

5.1 無防護方案

經(jīng)計算，標準荷載（23kN/m）及超載（92kN/m）作用下，選取斷面的安全系數(shù)均在1.8左右，＞3.0。

5.2 板梁式防護方案

經(jīng)計算，標準荷載（23kN/m）及超載（92kN/m）作用下，選取斷面的安全系數(shù)均在4.0左右，＞3.0。

5.3 拱橋式防護方案

經(jīng)計算，標準荷載（23kN/m）及超載（92kN/m）作用下，選取斷面的安全系數(shù)均在4.5左右，＞3.0。

5.4 樁基拱橋式防護方案

經(jīng)計算，標準荷載（23kN/m）及超載（92kN/m）作用下，選取斷面的安全系數(shù)均在4.5左右，＞3.0。

5.5 安全系數(shù)小結(jié)

3種方案均能提高隧道的安全系數(shù)為3.0，滿足安全要求。

6 方案比選

6.1 施工

隧道圍巖基本為黃土，遇水易坍塌。在拱橋樁基施工中使用常規(guī)機械挖孔是不容易的。人工挖孔樁施工進度慢，成本高，安全性難以保證。拱橋加固不需打樁，操作方便，但需沿高速鐵路隧道方向進行，公路與鐵路隧道小角度相交，增加了額外開挖量。板梁防護措施只需沿公路改擴建方向鋪設1m厚鋼筋混凝土板，避免大量超挖，施工組織管理方便，安全和速度得到有效保證。

6.2 經(jīng)濟

樁基礎拱橋在開挖體積和材料消耗方面均大于梁板拱橋。工程造價高、工作量大，所需的機械和人工費用也相應增加，而板梁防護措施比拱橋防護措施成本低、效率高。

6.3 安全

由于空間條件和工程路線的限制，樁基礎拱橋的樁孔必然與隧道結(jié)構(gòu)接近，開挖量會增加，隧道結(jié)構(gòu)會受到3個方向的干擾，危及隧道結(jié)構(gòu)的安全；拱橋加固只需在隧道上方開挖，隧道結(jié)構(gòu)施工擾動小，相對安全；梁板防護需在設計路面結(jié)構(gòu)層下繼續(xù)開孔，開挖深度2～3m，對隧道的影響比以上兩種方案，也是施工過程中最安全的。

7 結(jié)束語

（1）隧道上方開挖土體時，相當于對其所受豎向荷載的一個卸載過程，將造成既有隧道襯砌的損傷，降低隧道的拱作用；路面車輛荷載具有移動性、沖擊性及值不定性，對隧道襯砌的損傷更甚。（2）為減小高速運營階段對既有隧道的不利影響，以將路面車輛荷載通過附屬結(jié)構(gòu)傳遞至隧道左右兩下側(cè)的方案為宜，方案比選時應綜合考慮施工、經(jīng)濟、安全及施工對隧道襯砌的擾動大小。（3）考慮附屬措施方案對隧道襯砌的損傷，樁基拱橋方案及拱橋方案對隧道圍巖結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性系數(shù)提高程度相當，板梁式方案能保證隧道圍巖結(jié)構(gòu)滿足安全要求，綜合考慮造價、施工及安全，板梁式方案最優(yōu)。（4）基坑每次的開挖量不易過大，開挖時間間隔不宜過短，以使隧道圍巖應力具有足夠的時間重自我調(diào)整，降低施工過程對隧道圍巖結(jié)構(gòu)的不利影響，同時應注意防水及邊坡支護與加固。