新建隧道下穿既有高速公路关键问题的探讨

公路 2009年11月 第11期 H IG HW AY N ov 2009 N o 11 文章编号:0451-0712(2009)11-0259-06 中图分类号:U452 2 文献标识码:B

新建隧道下穿既有高速公路关键问题的探讨

陈荣伟1,杨 健1,汪 波2

(1 浙江公路水运工程咨询公司 杭州市 310004;2 西南交通大学地下工程系 成都市 610031)

摘 要:采用三维数值模拟手段对新建隧道下穿甬台温高速公路的影响性进行分析研究表明,拟采用的施工方案及加固措施,有效控制了开挖过程中既有公路路面及新建隧道围岩的位移量。新建隧道开挖对既有高速公路产生的纵、横向影响区域分别为15m与40m左右,最小、最大主应力主要集中在隧道中心线上的路面顶、底部,量值均较大,路面底部有产生受拉破坏的可能,既有高速公路处于相对安全状态,最终根据分析结果提出了相关的建议。

关键词:隧道;下穿;高速公路;位移

1 下穿段设计方案的拟定

乌岩山隧道位于甬临线梅林至山河岭段改道工

程线上,道路等级为双向四车道一级公路,行车速度

80km/h,隧道建筑限界净宽11 0m、净高5 0m。

隧道内岩性单一,以花岗岩为主,设计中依据岩

性条件将其划分为 ~级围岩不等。据施工图阶

段工程地质勘察报告可知,隧道内构造不甚发育,受

地质构造影响轻微。

值得注意的是,乌岩山隧道在ZK9+064~

ZK9+112及YK9+092~YK9+140段下穿甬台

温高速公路,拱顶距离公路路面最薄处仅5m左

右。下穿段主要位于强风化花岗岩中,岩体总体性状较差,据岩性指标,将其划分为级围岩,考虑到甬台温高速公路交通繁忙,车流量较大,车型复杂,对于路面沉降要求较高,为保障下穿段既有高速公路的运营安全,针对以下几个方面进行了重点设计。

(1)超前加固措施。设计中拱部采用 108mm 壁厚6mm热轧无缝钢管超前支护和 42m m超前小导管补充预注浆支护(图1),为避免锚杆过长而影响路面正常使用功能,下穿段不设系统锚杆,超前管棚长55m,环向间距35cm,超前小导管长4 5m,纵向间距按2 5m布置。

(2)初期支护。采用H175型钢钢架按纵向间距0 5m一榀布置,喷射混凝土。

(3)管棚施作方案。在ZK9+122~ZK9+130及YK9+190~YK9+198段设置管棚工作室,管棚长度可根据现场机具配置情况进行调整。管棚工作

图1 支护及开挖方式示意

室开挖后需及时施作初期支护,管棚工作室在管棚施作完毕后采用C25混凝土回填,铺设防水层,最终施作二次衬砌。

(4)施工方法。下穿段采用双侧墙预留核心土分部开挖的方法,具体施工步骤如图1所示。

上述施工方案及设计参数是否合理、能否有效保障甬台温高速公路营运安全将是重点关注的内容。因此,采用数值模拟手段对隧道下穿高速公路段路面安全性分析是很有必要的。

2 下穿段数值分析

2 1 计算依据及计算模型

根据乌岩山隧道设计的实际形态,在综合分析隧道下穿甬台温高速公路平纵断面图及地质资料的

收稿日期:2009-08-31

基础上,选择拱顶距离公路路面最薄处(仅5m )建立分析模型(图2),考虑甬台温高速公路两侧边坡高差较大,模型建立时以该段地质参数、地形实态为依据。由于隧道设计为分离式,两洞轴之间的距离达40m 左右,据已有研究资料,隧道开挖后应力互不叠加,故计算中选择一个隧道进行分析

[1-2]

。

图2 计算模型

对于车辆荷载按照最不利工况进行布置,即左右行车道满布车辆荷载(图2)。车辆荷载的确定依

据!公路桥涵设计通用规范∀(JT G D60-2004)中公路#I 级荷载,按照等效原则将其换算为均布荷载,最终取均布荷载标准值为63kN/m 。

最终计算模型共划分为近53000个单元,

55000个节点。

考虑隧道埋深较浅,计算中以自重应力场为主。模型建立时依据以往的隧道力学资料,即考虑隧道开挖的影响范围及尽量减少∃边界效应%的影响[3-4],建模时宽度方向(即x 方向)由隧道中线位置向两侧各延伸50m;高度方向(即y 方向)取仰拱底部以下36m 、拱顶以上取实际埋深;隧道沿轴线方向(即z 方向)取100m 长度。在模型的下边界施加竖向约束;在左、右边界施加水平约束,前后边界施加轴向约束。隧道围岩材料特性按均质弹塑性考虑,采用Druck Prager 屈服准则[5]

,分析中初衬采用壳(shell)单元,岩体及二衬采用实体(solid)单元。依据设计建议采用的施工步骤,建立隧道开挖模型,图中数字即代表开挖工序。2 2 计算参数

材料参数是在重点参考乌岩山隧道施工图设计阶段工程地质勘查报告的基础上,结合!公路隧道设计规范∀(JT G D70-2004)综合参数选取见表1。需要说明的是,对于设计中围岩超前管棚和小导管注浆加固效果采用的是提高围岩物理力学参数的方法来实现。考虑到围岩加固效果受诸多因素影响,鉴于目前国内外对于该方面研究资料也较为缺乏,故此,本次分析在参考已有资料的基础上,对于预加固区围岩参数提高一个级别来考虑[6-9]。

表1 材料参数选取

材料类别E /GPa /(k N/m 3)C /kPa !/(&)全风化花岗岩0 10 41850100P 30强风化花岗岩10 3230020035管棚超前+小导管注浆加固区3 50 3240045040喷射混凝土280 2522--二次衬砌29 50 2525--甬台温高速公路路面

28

0 25

23

--具体计算过程严格按照施工步骤进行,考虑近

接施工段埋深较浅,围岩条件较差,施工过程中围岩自承载能力相对较弱,隧道开挖后围岩荷载将很快作用于支护结构。因此,计算时出于安全考虑,拟让

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