陳小麗

（重慶市勘測院，重慶市 400020）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)越來越多，高速公路網(wǎng)密度不斷加大，在既有高速公路工程進(jìn)行改擴(kuò)建活動也愈發(fā)常見[1]。由于新建工程跨越現(xiàn)狀構(gòu)筑物，有可能存在對其造成一定的安全隱患，因此對改擴(kuò)建工程對既有建構(gòu)造物的影響進(jìn)行安全性評估是有必要的[2]。但目前，我國相關(guān)法律法規(guī)及國標(biāo)中并未對此項(xiàng)涉路工程周邊既有構(gòu)筑物如何評估進(jìn)行相關(guān)規(guī)定，缺乏涉路安全評估研究的標(biāo)準(zhǔn)，對于項(xiàng)目的涉路行為可行與否并無明確規(guī)定，無法判斷其可行性，對決策者不能提供明確的參考意見。本文以某高速公路改擴(kuò)建工程跨越現(xiàn)狀廢棄涵洞工程為依托，提出對應(yīng)的加固措施，并采用有限元分析方法對該工程的相互影響及安全性進(jìn)行評估。

1 工程概況

某高速公路為雙向四車道高速公路，設(shè)計(jì)車速80 km/h，已建成通車多年。本次改擴(kuò)建工程是新增快速路與該高速公路的相交節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)為部分互通立交，新設(shè)置兩條接線匝道。匝道A 線道路全長1 051 m，單向兩車道，標(biāo)準(zhǔn)路幅寬度10.5 m，車行道寬9 m，兩側(cè)各0.75 m設(shè)施帶，最小圓曲線半徑100 m，最小緩和曲線長50 m。主線設(shè)置單車道減速車道，長200 m，漸變段長60 m。匝道B 線道路全長723.865 m單向兩車道，標(biāo)準(zhǔn)路幅寬度10.5 m，車行道寬9 m，兩側(cè)各0.75 m設(shè)施帶，最小圓曲線半徑110 m，最小緩和曲線長50 m。主線設(shè)置單車道加速車道，長200 m，漸變段長60 m。

防止匝道B 線建成后形成的凹凼積水對邊坡及路基的影響，本次考慮在該范圍內(nèi)凹凼進(jìn)行填平。在匝道B 線K0+340（A 線K0+675）處存在既有高速一廢棄的過水涵洞，涵洞頂距離高速路面高度約10.0 m，為防止匝道建成后凹凼積水對邊坡及路基的影響，考慮在該范圍內(nèi)將涵洞進(jìn)行回填處理?？傮w平面布置見圖1，涵洞立面見圖2。

圖1 總體平面布置圖

圖2 涵洞立面布置圖（單位：m）

2 加固措施

對高速公路下現(xiàn)狀已廢棄涵洞進(jìn)行回填加強(qiáng)處理，設(shè)計(jì)擬采用C20 素混凝土對其內(nèi)部進(jìn)行填充，將其封閉[3]，見圖3。由于涵洞滿填混凝土，附加荷載較大，回填后對涵洞基底會產(chǎn)生一定的影響；同時，回填后可能引起涵洞整體沉降，進(jìn)而導(dǎo)致運(yùn)營中的高速公路路面產(chǎn)生沉降。本文采用有限元計(jì)算分析涵洞滿填混凝土后對涵洞基地穩(wěn)定性以及既有高速公路行車安全的影響，評估涵洞回填后地基承載力是否滿足要求及高速公路路面沉降是否會影響高速公路的行車。

圖3 涵洞加固示意圖（單位：m）

3 數(shù)值計(jì)算

FLAC 3D 程序在數(shù)學(xué)上采用的是快速拉格朗日方法，基于顯式差分來獲得模型全部運(yùn)動方程和本構(gòu)方程的步長解，其本構(gòu)方程由基本應(yīng)力應(yīng)變定義及虎克定律導(dǎo)出，運(yùn)動平衡方程則直接應(yīng)用了柯西運(yùn)動方程。本涵洞呈狹長的拱形，長寬比不小于5，因此可采用平面應(yīng)變進(jìn)行數(shù)值模擬，模型寬度取為1.0 m；模型長度以涵洞軸線為基準(zhǔn)，左右各取20 m；結(jié)合本工程地質(zhì)情況，模型高度取至巖土分界線以下20 m，總高度為48 m。模型長寬高為40 m×1.0 m×48 m，有限元計(jì)算模型見圖4。模型共有8 096 個單元，10 415 個節(jié)點(diǎn)。邊界條件為下部固定約束，y 向固定，左右兩側(cè)法向約束，上部為自由邊界，本構(gòu)模型采用工程中常用的摩爾-庫倫（Mohr-Coulomb）模型，模型圖中“chenqi”代表拱涵襯砌；“weiyan1”代表回填土層；“weiyan2”代表中風(fēng)化砂質(zhì)泥巖。

圖4 有限元計(jì)算模型

本次有限元計(jì)算材料相關(guān)參數(shù)取值主要來源于工程勘察報(bào)告，見表1。

表1 計(jì)算材料相關(guān)參數(shù)

根據(jù)本工程涵洞從修建頂部回填后開始，至混凝土回填封閉結(jié)束，主要分三個工況進(jìn)行計(jì)算，見表2。

表2 計(jì)算工況表

工況1 下豎向位計(jì)算結(jié)果表明：由于拱涵修筑完成，拱涵頂部土體回填，在一段時間內(nèi)，土體在自重作用下發(fā)生自然沉降，地表路面最大沉降值約18.97 cm。根據(jù)《城市道路檢測技術(shù)規(guī)程》（DB50/T 395—2011），路基沉降城市主干路沉降累計(jì)值不大于20 mm，拱涵修建后滿足相關(guān)規(guī)范要求。

將工況1 計(jì)算結(jié)果的位移、位移速率清零，在初始應(yīng)力平衡下進(jìn)一步計(jì)算，計(jì)算涵洞在正常使用狀態(tài)（充滿水）下的應(yīng)力及位移。計(jì)算結(jié)果表明：由于水體的作用，涵洞進(jìn)一步發(fā)生沉降，但是沉降值遠(yuǎn)小于工況1，最大沉降約9 mm，地表路面最大沉降約5 mm。

考慮涵洞使用年代較為久遠(yuǎn)，沉降趨于穩(wěn)定，因此將工況2 計(jì)算結(jié)果的位移、位移速率再次清零，在增加內(nèi)部荷載（混凝土回填封閉）下進(jìn)一步計(jì)算。計(jì)算結(jié)果見圖5。計(jì)算結(jié)果表明：地表最大豎向位移7.65 mm；涵洞底部豎向位移為16.45 mm，表明地表路面的最大沉降值比涵洞底部沉降值小8.8 mm，與理論分析的地表最大沉降會遠(yuǎn)小于涵洞底部沉降結(jié)論一致。

圖5 工況3 豎向位移云圖

4 涵洞基底壓力標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算

涵洞襯砌和回填混凝土襯砌重度均按25 kN/m3計(jì)算，且不考慮原涵洞充填水的荷載（偏于保守），涵洞外輪廓斷面面積約12.5 m2，取涵洞延米計(jì)算，則涵洞基底壓力為：200+1.69+（25×12.5×1.0）/3.5/1.0=290.98 kPa，小于基底地基承載力容許值400 kPa（來源于地勘報(bào)告），滿足要求。

5 結(jié)論與建議

經(jīng)過數(shù)值計(jì)算與分析，可以得出如下結(jié)論：

（1）涵洞采取C20 混凝土（或容重更小的輕質(zhì)混凝土）回填封閉是可行的[4]，對高速公路工程影響有限：封閉回填后涵洞基底壓力為298.98 kP，小于基底地基承載力容許值400 kPa，滿足要求；回填后，涵洞底部沉降約16.45 mm，地表路面沉降約7.65 mm，滿足相關(guān)要求。且路面沉降不是突變的，在一定范圍內(nèi)是漸變的，因此在可接受范圍之內(nèi)，對行車安全影響較小。此外，回填施工風(fēng)險較小，均在可控范圍之內(nèi)。

（2）為防止匝道B 線建成后凹凼積水對邊坡及路基的影響，需將凹凼進(jìn)行填平，建議先采用C20 素混凝土封閉回填，回填高度0.5 m，防止積水浸泡基底，混凝土以上再采用土石回填并壓實(shí)，壓實(shí)系數(shù)不低于93%，表面采用30 cm 厚C20 素混凝土封閉，回填施工時，應(yīng)分層進(jìn)行。此外，施工需滿足相關(guān)規(guī)范規(guī)程，防止安全事故的發(fā)生。