張 勤，羅 浩，夏 沖，王 慶

(中國市政工程中南設(shè)計研究總院有限公司 武漢市 430010)

0 引言

隨著我國交通事業(yè)的不斷發(fā)展和完善，同一地區(qū)新建公路受地形、地物和地質(zhì)條件等因素的限制，不可避免地與已建路網(wǎng)形成上跨或下穿等交叉關(guān)系。通常在既有隧道上方再造建筑物，將會對既有隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的影響。從結(jié)構(gòu)原理上可知，在隧道頂部開挖，相當于對隧道卸載，會使隧道變形隆起；在隧道頂部修建筑物，相當于對隧道加載，會使隧道襯砌增大受力從而存在襯砌開裂破壞風(fēng)險，同時外部對隧道加載也會使得已經(jīng)沉降穩(wěn)定的隧道重新發(fā)生額外沉降，會對已經(jīng)通車運營的隧道造成一定運營安全風(fēng)險。

國內(nèi)目前有眾多成功案例，主要分為城市地鐵之間的隧道交叉、城市地鐵隧道下穿城市道路、鐵路隧道交叉高速公路隧道、鐵路隧道下穿高速路基等工程案例, 眾多學(xué)者在隧道交叉的力學(xué)研究取得了豐富的經(jīng)驗[1-5]。通常新建等級公路都采用高架橋跨越高速公路路基，而旅游公路采用路基形式上跨高速公路隧道的設(shè)計研究案例并不多。以某旅游公路路基上跨高速公路隧道實際工程為背景，充分研究路基上跨隧道方案存在的問題，提出相應(yīng)的設(shè)計對策和施工控制要求，并分析旅游公路在其施工和運營過程中對已建高速隧道的影響，最終論證路基上跨隧道方案的合理性。

1 工程概況

某旅游公路設(shè)計為二級公路，設(shè)計車速60km/h，標準路基寬度10m，橫斷布置為10m=0.75m土路肩+0.75m硬路肩+3.5m車行道+3.5m車行道+0.75m硬路肩+0.75m土路肩。旅游公路擬在高速公路削竹式洞口頂部寬約40m相對平坦的平臺通過。高速公路隧道為雙車道上下行分離式，隧道間距15m，凈高7m，凈寬10.8m。旅游公路上跨高速公路隧道的位置主要位于隧道頂部平臺，位于淺埋暗洞部分，根據(jù)隧道相關(guān)資料，隧道斷面二襯為45cm厚C30模筑鋼筋混凝土,鋼筋主筋為25@20cm，初支為 24cm厚C25噴射混凝土，I18工字鋼@60cm、Φ8mm@20cm×20cm鋼筋網(wǎng)。隧道洞口是采用明洞形式修建。高速公路隧道于2009年建成通車。

2 路線設(shè)計

本旅游公路為某縣重點旅游基礎(chǔ)設(shè)施工程，在前期方案研究中，采用橋跨方案時，旅游公路在擬定橋跨方案時因高速公路右幅為臨近河流且為陡坡，橋跨方案規(guī)模較大；且根據(jù)交通部相關(guān)規(guī)定，在高速路基范圍內(nèi)應(yīng)采用鋼結(jié)構(gòu)橋梁形式跨越，橋跨方案費用約3000萬元。在高速公路隧道頂部平臺上修建旅游公路路基費用約300萬元。相比之下，路基方案更加經(jīng)濟合理。

旅游公路平面設(shè)計線形在JD5位置為曲線半徑R=180m和緩和曲線Ls=90m，與高速公路隧道軸線平面斜交角約68°。旅游公路路基左側(cè)邊緣與高速公路隧道左洞口及其洞頂坡頂?shù)乃健⒋怪本嚯x分別是37m和14m，與高速公路隧道右洞口及其洞頂坡頂?shù)乃健⒋怪本嚯x分別是43m和10m。平面交叉關(guān)系詳見圖1。旅游公路設(shè)計用地范圍在高速公路用地界線之外，其路基邊線與高速公路用地隔離柵的水平距離為10～11m。

圖1 二級公路與高速公路隧道交叉平面圖

旅游公路縱斷面設(shè)計線形以上坡4.15%和下坡3.87%跨越高速公路隧道洞口，路線設(shè)計最高點位于高速公路隧道洞頂平臺，凸型豎曲線半徑2700m，凸型豎曲線長度為216.45m。根據(jù)現(xiàn)場實際測量，高速公路隧道口車行道路面高程為399.15m，洞口頂部高程407.15m。旅游公路跨越高速公路隧道的樁號范圍為K2+200～K2+300；與高速公路左右隧道交點樁號分別為K2+240和K2+270，與隧道洞頂?shù)母叱滩罘謩e為14.31m和10.35m；在隧道頂部平臺設(shè)計為淺挖方路塹形式，開挖路塹深度約 0.5～2.3m，以盡量降低成型路基對隧道的荷載影響?？v斷面關(guān)系詳見圖2。

圖2 二級公路與高速公路隧道豎向標高關(guān)系圖

在旅游公路上跨高速公路隧道洞口頂部的路線設(shè)計方案中，需要深入解決如下問題：

(1)旅游公路與高速公路洞口排水問題；

(2)旅游公路施工或運營荷載對高速公路隧道的影響；

(3)旅游公路施工期間高速公路運行安全保障措施；

(4)旅游公路運行期間對高速公路正常運行的安全保障措施；

(5)旅游公路的運行安全檢算等問題。

3 設(shè)計措施

3.1 排水設(shè)計

公路路基排水是一項非常復(fù)雜而重要的工作，路基路面排水系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)地理環(huán)境不同、水系的流向、強度、引流方式等因素進行設(shè)計；不當?shù)呐潘O(shè)計對新建或已建的結(jié)構(gòu)易造成水毀破壞事故。旅游公路路基排水與高速公路隧道洞頂截水溝相互獨立，互不影響；在高速公路隧道頂部為最高點，通過路基兩側(cè)的邊溝或排水溝沿著旅游公路縱坡排走并排入天然水系，則根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查和當?shù)乇┯陱姸裙皆诼糜喂仿坊鶅蓚?cè)設(shè)置60cm×60cm的矩形邊溝。

3.2 高速公路隧道結(jié)構(gòu)分析

(1)有限元計算模型

采用大型有限元軟件MIDAS GTS進行數(shù)值計算，從靜力學(xué)角度來分析旅游公路路基修建對高速公路隧道的影響。本次設(shè)計分析采用對比法進行增量分析，以高速公路隧道原始山體條件為基礎(chǔ)，重點分析高速公路隧道二次襯砌在旅游公路路基施工和運營兩個階段下的彎矩及軸力相對變化情況。對隧道斷面進行平面靜力分析，使用平面4節(jié)點實體線性單元(plane 42)模擬圍巖和開挖單元，二次襯砌支護采用梁單元(beam 3)進行模擬。根據(jù)高速公路隧道設(shè)計斷面和Ⅴ級圍巖進行模擬計算，重點進行對比分析高速公路隧道原狀工況、旅游公路施工工況和旅游公路運營工況的軸力和彎矩變化情況。

(2)工況分析

高速公路原狀工況主要是分析隧道在原狀地形條件下的隧道二襯的軸力和彎矩情況，高速公路隧道在旅游公路位置屬于淺埋隧道。旅游公路施工工況主要分析淺挖0.5m和施工壓路機線荷載作用下引起的洞頂超載。旅游公路運營工況主要分析路基成型后，在車輛軸壓下引起的洞頂超載。

表1 高速公路隧道工況荷載計算表

圖3 高速公路原狀工況高速公路隧道二襯軸力(kN)

圖4 高速公路原狀工況高速公路隧道二襯彎矩(kN·m)

圖5 旅游公路施工工況高速公路隧道二襯軸力(kN)

圖6 旅游公路施工工況高速公路隧道二襯彎矩(kN·m)

圖8 旅游公路運營工況高速公路隧道二襯彎矩(kN·m)

根據(jù)三種工況的計算結(jié)果，在高速公路原狀工況的基準下，選擇高速公路隧道的關(guān)鍵性控制截面—拱頂和端墻位置的二襯軸力和彎矩為分析對象。

表2 高速公路隧道的二襯內(nèi)力計算表

分析隧道拱頂位置，高速公路隧道二襯軸力最大增加73.9kN，增量11.21%；二襯彎矩最大增加9.5kN.m，增量4.68%；拱頂截面最不利狀態(tài)均發(fā)生在旅游公路施工工況下。

分析隧道端墻位置，高速公路隧道二襯軸力最大增加77.2kN，增量6.61%；二襯彎矩最大增加22.3kN·m，增量6.89%；拱頂截面最不利狀態(tài)均發(fā)生在旅游公路施工工況下。

通過上表對比分析明顯可知，高速公路隧道二襯軸力和彎矩在最不利工況均為在旅游公路施工工況下。

表3 高速公路隧道二襯裂縫寬度和強度驗算表

高速公路隧道淺埋段襯砌斷面二襯為45cm厚C30模筑鋼筋混凝土,鋼筋主筋為25@20cm。經(jīng)結(jié)構(gòu)驗算列入上表，高速公路隧道洞口在拱頂位置的強度安全系數(shù)最小為3.62，裂縫最大寬度0.112mm，均滿足規(guī)范要求；在端墻位置的強度安全系數(shù)最小為2.51，裂縫最大寬度0.183mm，均滿足規(guī)范要求。通過以上分析，高速公路隧道的二襯內(nèi)力和裂縫寬度在最不利旅游公路施工工況下能滿足結(jié)構(gòu)強度和耐久性要求。因此，旅游公路對高速公路隧道的力學(xué)效應(yīng)影響增量較小，隧道原支護及配筋應(yīng)能滿足其在旅游公路修建及運營階段的自身安全。

3.3 施工期間高速公路運行保障措施

由于旅游公路距離高速公路范圍較近，在對高速運行有影響的段落施工過程中，路基施工除常規(guī)施工外，另外保障措施有：

(1)應(yīng)按照相應(yīng)公路管理條例辦理各項手續(xù)；

(2)施工期間不得破壞高速隧道的現(xiàn)狀各項設(shè)施；

(3)路基開挖前應(yīng)先做好排水設(shè)施和防落石措施；

(4)開挖遇石方應(yīng)采用機械開挖或靜力破碎，嚴禁爆破施工；

(5)洞頂范圍不得使用重大型機械進行路基開挖及碾壓，以低速靜壓為主，嚴禁采用沖擊振壓；

(6)施工時應(yīng)對隧道運行進行結(jié)構(gòu)和安全監(jiān)測，確保施工期高速隧道的運營安全。

3.4 運營期間高速公路運行保障措施

旅游公路運行期間的安全保障措施分為旅游公路自身安全保障和高速公路的安全保障。旅游公路安全保障措施主要有路面抗滑移瀝青薄層、交通標志標線和路側(cè)護欄。路面設(shè)置彩色瀝青內(nèi)聚樹脂抗滑移薄層，設(shè)置間距每隔5m布設(shè)寬1m抗滑移薄層；同時路面設(shè)置減速警示標線。旅游公路與高速公路交叉，事故出現(xiàn)的嚴重等級為高，按照規(guī)范[6-7]要求為必須設(shè)置，路側(cè)防護等級為四級，上跨高速公路隧道范圍內(nèi)的護欄防護等級按照SB級設(shè)計。旅游公路交叉位置在JD5處有一處R=180m的彎道，本路段的左路側(cè)護欄應(yīng)提高一級設(shè)置，設(shè)計采用SA級帶阻爬坎的混凝土護欄，進一步加強旅游公路的運營安全保障。

旅游公路在運營期間對高速公路正常運行的安全保障尤為重要。在旅游公路上發(fā)生的危險源或事故侵入高速公路范圍內(nèi)，就特別容易造成二次重大傷害；主要危險源為旅游公路車輛拋物或車輛失控翻車侵入高速。盡管旅游公路的路側(cè)護欄采用提高一級到SA級防護，本段仍要考慮對高速公路進行冗余安全防護措施。旅游公路在本段左路側(cè)混凝土護欄和高速公路用地格柵之間設(shè)置RXI-Y-150型易修復(fù)被動柔性防護網(wǎng)，設(shè)計攔截1500kJ動力勢能[6-7]，冗余安全按照55t標準車輛翻車瞬時速度80km/h(約20m/s)的翻車動能進行有效攔截。

3.5 旅游公路運行安全檢算

旅游公路通過路段車輛運行速度模擬檢驗，全線按照設(shè)計車速60km/h運行模擬，小車和大車在路線正向或反向的速度運行分析均滿足規(guī)范要求，路線設(shè)計平縱斷面指標、視距(會車視距、停車視距、超車視距)等指標均滿足公路工程技術(shù)標準。

4 研究結(jié)論

通過分析和研究，可以得出如下結(jié)論：

(1)旅游公路采用路基上跨高速公路隧道的方案是安全可行的。

(2)旅游公路在高速公路隧道頂部采用淺挖0.5～2.5m路塹設(shè)計，在旅游公路路基施工工況和運營工況下，隧道結(jié)構(gòu)均能夠滿足強度和耐久性要求。

(3)旅游公路路基在隧道頂部范圍的施工應(yīng)做好排水措施、防落石措施，嚴格控制工藝和嚴禁爆破，減低對高速公路隧道運營影響。

(4)旅游公路在隧道頂部范圍的路側(cè)護欄采用提高一級設(shè)計，設(shè)置SA級帶阻爬坎的混凝土護欄；并加強攔截55t車輛側(cè)翻出護欄二次攔截冗余安全設(shè)計，以保證旅游公路在運營期間最不利條件下對高速公路正常運營無影響。

(5)本項目目前已經(jīng)建成通車，實踐證明方案設(shè)計可行，并豐富了類似工程經(jīng)驗。