摘 要 通过分析既有隧道上方基坑工程对既有隧道的影响范围及既有隧道的设计状况选择分析对象，采用FLAC3D数值模拟软件计算了既有隧道上方挖方施工、施工荷载及运营荷载情况下隧道衬砌结构的安全度，并应用荷载结构法考虑各种荷载工况对隧道衬砌结构进行了计算，计算表明，隧道衬砌结构是安全的，考虑隧道实际施工质量及高铁安全运营要求，对既有隧道上方改扩建工程的防护措施进行了探讨，得出了最合适的防护型式，最后建议采用三维模型对既有隧道可能的变形进行分析。
关键词 连霍高速 郑西高铁 卸载 数值模拟 FLAC3D
1 前言
连霍高速洛三段改扩建工程以路基方式跨越郑西高铁阌乡隧道，该段路基为挖方段，路堑挖方高度约10～12m，新建公路路面至隧道拱顶覆盖层最浅处仅11m左右，隧道与公路平面交叉角度约为16°。
隧道上方挖方施工实际上是一卸载过程，隧道上方的卸载必定会对隧道结构产生不利影响，因此有必要研究开挖卸载对隧道结构的力学行为及变形情况。
2工程概况
既有连霍高速公路段（未扩建）为双向四车道，该段铁路与公路均位于直线段，隧道与公路平面交叉角度为16°，交叉铁路里程为K868+830.8，路面至隧道拱顶覆盖层厚约11m。连霍高速公路改扩建段采用在既有高速公路北侧增加四车道，平行于既有连霍高速， 新建北侧整体式路基宽度为19.5m，改扩建段路面标高比既有路面标高高0.7m左右，隧道与公路平面交叉角度为16°，交叉铁路里程为K868+743，扩建前隧道顶覆土厚度20m左右，扩建后隧道顶覆土厚度12m左右。
阌乡隧道设计为双线铁路隧道，全长770m。隧道进口位于R-10000m的曲线地段上，进口洞身纵坡为8.6‰，出口洞身纵坡为12.9‰。隧区位于黄河二级阶地后缘，高程390～420m，相对高差约30m。隧道顶部地形较为平坦，地表多为耕地及果园。
阌乡隧道下穿连霍高速公路段长270m，分为两部分，正式下穿段为160m，从公路正下方穿过，两侧公路路堑边坡下穿段为110m，为确保大跨黄土隧道施工安全，在公路边坡一侧设置试验段，长度40m[1]，试验段采用大管棚超前支护，35cm厚喷射混凝土初期支护，60cm厚钢筋混凝土衬砌，由于试验段地表沉降没有得到有效控制，下穿段改进并加强了支护衬砌参数，采用双层大管棚超前支护，双层初期支护，二次衬砌
采用55cm厚钢筋混凝土。
阌乡隧道位于第四系黄土层中，主要为砂质黄土，洞身围岩级别为Ⅴ级，洞身范围大部分黄土无湿陷性，洞身以上黄土则具有不同程度的湿陷性。
3 改扩建工程对既有隧道影响分析
本工程为既有隧道上方改扩建工程，可以将上方土体挖方及施工看作新建隧道对既有隧道的影响。新建隧道在既有隧道上方交叉时，既有隧道会向上拉伸变形和位移，在非常近接时，会损伤既有隧道的拱作用，而使既有隧道的荷载增大，此外，也可能受到新建隧道内活荷载的影响[2]。
3.1 理论影响范围分析
本工程实际上是一基坑工程，通过基坑中心作45°斜线作为地层的潜在破裂面，则上方土体卸载对既有隧道的横向影响范围为43m，根据横向影响范围及斜交角度可以推出纵向影响范围约为210m。
阌乡隧道试验段在改扩建工程影响范围内，考虑到下穿段公路及下方铁路均运营正常，且试验段支护参数弱于下穿段，因此本次分析选择试验段，改扩建工程对试验段影响主要分为三个方面：1）既有隧道上方挖方卸载引起隧道衬砌结构受力变化；2）公路路面施工引起的对隧道结构的附加荷载；3）公路运营后车辆荷载反复加卸载对隧道上方土体及衬砌结构的不利影响。
3.2 按照连续介质模型分析对既有隧道衬砌的影响
阌乡隧道上方土体开挖范围较大，开挖深度上要挖去上方覆土的40%，卸载明显，使得隧道在其上方土体卸载后可能上浮，造成隧道附加变形，从而引起隧道衬砌结构受力变化。
本文选取试验段内典型断面，新建高速公路位于阌乡隧道的斜上方，模型使用 ANSYS 建模，用 FLAC3D进行数值计算分析。
1）计算边界条件
地表根据实际考虑为水平状态，埋深按研究断面实际埋深选取，综合考虑研究内容、计算代价等因素，计算范围选取为：上部取至拱顶上方20m，下部取至隧道仰拱中心以下55m，左边界从隧道中心线向外延伸75m，右边界从隧道中心线向外延伸60m，隧道纵向长度取为1m。边界条件为：底部采用固定约束条件，左右边界沿X轴方向水平约束，纵向前后边界面沿Y轴方向位移设为零，地表为自由边界。
2）本构模型选择
围岩选用 Mohr-Coulomb 弹塑性模型，初期支护喷射混凝土采用实体单元、二衬模筑混凝土采用壳单元进行模拟。
超前支护注浆：采用改善围岩参数的等效方法进行考虑。
锚杆作用通过提高施锚区岩体力学参数的方法来模拟，参照文献[03～05]和公路、铁路进行的大量统计分析资料，计算中对施锚区岩体粘聚力 值和弹性模量 值分别提高20﹪，而内摩擦角值 和泊松比值 则不作变动。
钢拱架也通过等效法考虑，根据抗压刚度相等的原则，将钢架的弹性模量折算给喷射混凝土。
3）施工过程模拟
计算过程参照实际施工顺序，首先修建原有连霍高速公路，然后修建高铁隧道下穿原有高速公路，最后对连霍高速公路进行扩建。
连霍高速公路修建及扩建竖向上均按照三层进行施工，阌乡隧道按照三台阶法施工。
4）模拟工况
本文分别对高速公路动工前，挖方量最大、施工期间荷载、高速公路正常运营荷载及超载等情况进行分析。
3.3 按照破损阶段法分析对既有隧道衬砌的影响
由上述分析，隧道衬砌结构安全系数均大大超出规范要求，由于实际土体属于不连续体及土体参数离散性较大，为确保安全，按照极限状态采用荷载-结构模型，应用破损阶段法，对二衬截面强度进行验算。
洛三高速改扩建工程扩建前阌乡隧道上部覆土厚度约20m，属于浅埋隧道，按浅埋隧道计算模式进行荷载计算。垂直荷载：q=258.5kpa，水平荷载：e1=127.5kpa，e2=206kpa，扩建后阌乡隧道上部覆土厚度约12m，按浅埋隧道计算模式进行荷载计算，垂直荷载：q=152kpa，水平荷载：e1=70kpa，e2=148.5kpa，可以看出，由于覆土减薄，无论垂直荷载还是水平荷载都不同程度的减小，但由于两个方向荷载减小比例不一致，且隧道衬砌结构为等截面拱形结构，因此不同部位的衬砌结构截面安全系数变化是不同的，通过有限元软件并考虑运营期荷载，施工期荷载及可能的荷载偏压工况计算得出：拱顶、仰拱部位安全系数有所降低，拱顶最小安全系数为2.9，仰拱最小安全系数为4.5，，均大于规范要求。
4 设计对策分析
4.1 方案拟定
考虑到隧道施工质量与控制，且二衬可能劣化，结构实际安全系数必将降低，且公路运营超载现象较为普遍，为确保既有隧道上方施工和运营过程中的安全与稳定，对既有隧道防护可考虑如下几种思路：1）采用公路桥梁跨越铁路方式2）顺铁路方向隧道正上方一定范围采用护拱防护，护拱基础采用条形基础3）顺铁路方向隧道正上方一定范围采用护拱防护，护拱基础采用桩基础4）顺公路方向采用板式防护
针对顺公路方向设置钢筋混凝土板方案本文进行了分析，计算表明：挖方工序为整个过程中的最不利状态，挖方量最大工况下，由于设置板结构挖方量增加导致安全系数有所降低，但由于施工过程短暂在现有施工条件下完全可以保证施工安全，高速公路运营状态下，特别是在超载情况下，隧道衬砌结构安全系数比不设置板方案明显提高，因此建议设置防护措施。
4.2 设计要点
1）由于隧道洞身以上黄土具有湿陷性，为避免水流在隧道上方大量汇集引起下渗，公路纵向排水在隧道上方设计为人字坡，并在远离隧道处排出，且水沟采用混凝土砌筑。
2）隧道上方基坑考虑时空效应的方式进行开挖。按照竖向分层、纵向分段、对称的原则， 杜绝单次大体量挖方，开挖后及时浇筑钢筋混凝土板，最后施工路面结构。
3）考虑隧道实际施工控制与质量、为了把握隧道结构的初始状态，了解隧道的初始安全度，在连霍高速改扩建工程施工前对隧道的衬砌质量进行检测。
5 结论及建议
（1）采用板式方案防护既有隧道：施工简单，施工过程对既有隧道扰动较小，且对公路运营荷载能起到显著的分散作用。
（2） 对于高速铁路来讲，不仅要保证结构安全，同时也要满足变形要求，即铁路的安全运营要求，为有效的计算出隧道上方土体卸载引起的既有隧道的上浮变形，建议采用三维计算模型。这对实际工程更有意义。
参考文献
[1] 李健 谭忠盛 下穿高速公路浅埋大跨度黄土隧道施工措施研究[J]。岩土力学 2011，32（9）
[2] 关宝树编著. 隧道工程施工要点集[M]. 成都： 西南交通大学出版社， 2011.
[3] 于学馥、郑颖人.地下工程围岩稳定性分析[M].煤炭工业出版社，1983
[4] 朱维申、张玉军、任伟中.系统锚杆对三峡船闸高边坡岩体加固作用的块体相似模型试验研究[J].岩体力学，1996，17 （2） ：1～6
[5] 蔡小林、赵德安. 隧道计算中提高围岩参数模拟锚杆作用的探讨[J].兰州交通大学学报. 2004，23（1）：26～31
作者简介：
王伟峰（1982～ ），男，河南，工程师，从事隧道及地下工程设计与研究
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