公路隧道施工對下方輸水隧洞影響分析

(福建省交通規(guī)劃設計院，福州350004)

公路隧道施工對下方輸水隧洞影響分析

■王麗珊

(福建省交通規(guī)劃設計院，福州350004)

本文以福建省308省道青塘隧道上跨朱步～觀音閣輸水隧洞為工程背景，采用M I D A S/G T S三維有限元軟件，對實際工程進行數(shù)值模擬，分析了青塘隧道開挖引起的輸水隧洞位移、圍巖應力及支護應力的變化，進而總結其對輸水隧洞的影響，并提出了輸水隧洞的加固區(qū)段，旨在為今后類似工程的設計提供一些有益的參考。

交叉輸水隧洞M I D A S/G T S影響

由于新建公路隧道距離輸水隧洞較近，新建隧道施工過程中，既有隧洞圍巖及結構會遭到破壞，另一方面也增加了新建公路隧道的施工難度和工程風險[1]。因此，有必要對公路隧道施工對下方輸水隧洞的影響進行研究。

本文以福建省308省道青塘隧道上跨朱步-觀音閣輸水隧洞為研究背景，主要研究青塘隧道施工對下方輸水隧洞位移、圍巖應力以及結構應力的影響，提出下方輸水隧洞的加固段落，為以后類似工程的建設提供指導和借鑒。

1 項目概況

福建省308省道青塘隧道設計為分離式雙向六車道一級公路隧道，設計時速60km/h，隧道建筑限界凈寬14.00m，凈高5.0m，左線長1656m，右線長1667m，在與水洞交叉段落隧道左右線凈距約為21.5m；輸水隧洞斷面為圓形，直徑2.8m。

青塘隧道與朱步-觀音閣輸水隧洞斜交，右線交點樁號YK4+286.1556，對應水洞樁號1+703.9215，交叉角度55°，公路隧道設計高：40.008m，水洞設計高18.544m，凈距：19.289m；左線交點樁號ZK4+278.0326，對應水洞樁號1+734.3977，交角55°，公路隧道設計高：40.128m，水洞設計高18.488m，凈距：17.678m。青塘隧道與輸水隧洞的平縱面位置關系如圖1～2所示。

圖1 青塘隧道與輸水隧洞平面位置圖

圖2 青塘隧道與輸水隧洞豎向位置圖

朱步-觀音閣輸水隧洞是生命線工程，須確保輸水隧洞在青塘隧道施工過程中的安全。文章通過建立青塘隧道上跨輸水隧洞的數(shù)值模型，分析公路隧道開挖引起的輸水隧洞位移、圍巖應力以及輸水隧洞襯砌結構應力，評估輸水隧洞的安全性，提出輸水隧洞的加固段落，從而為輸水隧洞的安全性提供必要的保障。

2 計算模型與參數(shù)

2.1 計算模型

文章采用巖土、隧道專用有限元分析軟件Midas/GTS進行計算。三維有限元模擬以青塘隧道與輸水隧洞相交段為核心區(qū)域，計算范圍盡量將開挖的影響區(qū)域包括進去，考慮到尺寸效應引起的計算誤差及計算機硬件方面的限制，同時考慮隧道的實際埋深[2]，計算模型范圍及邊界條件按如下計取：在隧道橫向(x軸)取280m；隧道縱向(y軸)取220m；豎直方向(z軸)模型頂部為實際地表，底部取至隧道底部以下70m，幾何模型透視圖如圖3所示。

建筑工程施工期間，需促進各個部門與人員之間的良好配合，明確施工管理職責落實責任制度。首先，要求工作人員進行施工原材料與機械設備的動態(tài)化管理，實時掌握資料并將其共享到其他部門，以便于開展質量的管理工作。其次，需安排專業(yè)管理人員與監(jiān)督人員進行建筑工程的管理與監(jiān)督，在發(fā)現(xiàn)問題之后立即采取合理措施解決問題，提升建筑工程造價管理效果。最后，需開展造價管理的分析工作，明確工程區(qū)域內是否存在造價控制的影響因素，采取合理措施解決問題。

圖3 三維幾何模型透視圖

模型采用四節(jié)點四面體實體單元來模擬巖體，三角形殼單元模擬初期支護噴射混凝土。圖4為三維有限元整體網(wǎng)格圖，共計101001個單元，19819個節(jié)點。

圖4 三維有限元網(wǎng)格模型

模型上表面即地表為自由邊界，其余各外表面均約束法向方向的位移，考慮自重荷載。計算中模擬了開挖、施做初期支護的全過程以及施工期間開挖釋放荷載的分步釋放，通常在開挖時，應力釋放大約50%～80%，后期支護再釋放20%～50%[3]，本文開挖釋放荷載由圍巖、初期支護、二襯分別承擔50%、25%和25%，即開挖結束時荷載釋放率為50%，完成初期支護施作后，釋放25%的荷載，施做二襯后釋放25%。

2.2 計算參數(shù)

根據(jù)青塘隧道地質勘察資料和公路隧道設計規(guī)范(JTG D70-2004)[4]，選取計算段落的圍巖及支護參數(shù)。青塘隧道與輸水隧洞相交段左右洞地質差別較大，左洞交叉段為Ⅳ級圍巖，右洞交叉段為Ⅲ級圍巖，因此左洞交叉段為最不利位置，本次模擬中洞身圍巖均模擬為Ⅳ級。材料本構模型采用摩爾-庫倫進行計算。圍巖和結構的主要材料參數(shù)取值如表1所示。

表1 圍巖及支護計算物理力學參數(shù)表

3 計算結果及分析

3.1 位移分析

隧洞周邊圍巖的沉降量可作為判定隧洞是否穩(wěn)定的一個重要標準。分別提取青塘隧道開挖前后輸水隧洞周邊的圍巖位移，如圖5～6所示。

圖5 青塘隧道開挖前水洞洞周圍巖位移

圖6 青塘隧道開挖后水洞洞周圍巖位移

根據(jù)上圖，提取輸水隧洞在青塘隧道開挖前后各典型位置的位移值，并做對比分析，繪制成曲線圖，如圖7所示。

圖7 交叉段輸水隧洞洞頂位移變化圖

從圖5～7可以看出，青塘隧道開挖引起了輸水隧洞拱頂圍巖上抬，這是由于下方輸水隧洞已經(jīng)開挖成型，青塘隧道為后面開挖，對于輸水隧洞而言，青塘隧道的開挖相當于是對輸水隧洞的卸載作用，因此引起輸水隧洞向上隆起。青塘隧道右洞與水洞交叉位置上抬約3.2mm，左洞與水洞交叉位置上抬約4.1mm；縱向引起輸水隧洞圍巖上抬約為120m。由于輸水隧洞開挖完成后洞周圍巖已穩(wěn)定，沉降已基本結束，青塘隧道的開挖對于輸水隧洞相當于擾動，擾動較大的范圍為隧洞位移上抬區(qū)段，因此將輸水隧洞拱頂上抬區(qū)域作為青塘隧道開挖對輸水隧洞的影響范圍，為保證輸水隧洞洞室安全，建議輸水隧道在與青塘隧道交叉120m范圍內加強支護。

3.2 圍巖應力分析

青塘隧道的開挖必然會引起輸水隧洞周邊圍巖應力重新分布，將會影響到輸水隧洞周邊圍巖的穩(wěn)定性，進而影響輸水隧洞的安全，圖8～9為青塘隧道開挖前后輸水隧洞周邊圍巖第一主應力圖。

圖8 青塘隧道開挖前水洞第一主應力

圖9 青塘隧道開挖后水洞第一主應力

以上兩圖為青塘隧道開挖前后輸水隧洞周邊圍巖第一主應力等色圖的比較，從圖中可以看出，輸水隧洞周邊圍巖的第一主應力未出現(xiàn)拉應力，水洞與青塘隧道右洞交叉處拱頂應力增大約0.2%，水洞與左洞交叉處拱頂應力減小約1.5%。因此青塘隧道開挖后輸水隧洞的第一主應力變化較小，且未出現(xiàn)拉應力。從第一主應力分析，青塘隧道開挖對輸水隧洞影響較小。

第一主應力主要研究了青塘隧道開挖后輸水隧洞周邊圍巖是否出現(xiàn)了拉應力，是否會造成輸水隧洞拉裂破壞，圖10～11為青塘隧道開挖前后輸水隧洞周邊圍巖第三主應力圖，主要研究青塘隧道的開挖引起輸水隧洞周邊圍巖的壓應力的變化。

圖10 青塘隧道開挖前水洞第三主應力

圖11 青塘隧道開挖后水洞第三主應力

以上兩圖為青塘隧道開挖前后輸水隧洞第三主應力等色圖的比較，從圖中可以看出，輸水隧洞及隧道周邊圍巖的第三主應力均為壓應力，水洞周邊最大圍巖壓力均小于4MPa，遠小于Ⅳ級圍巖抗壓強度45MPa，水洞與青塘隧道右洞交叉處拱頂應力增大約1%，水洞與左洞交叉處拱頂應力增大約3%。因此隧道開挖后水洞的第三主應力變化較小，且小于圍巖抗壓強度，從第三主應力分析，青塘隧道開挖對輸水隧洞周邊圍巖影響較小。

3.3 支護應力分析

上文中從輸水隧洞周邊圍巖的位移和應力角度分析了青塘隧道開挖對輸水隧洞的影響，圖12～13為輸水隧洞結構的第一和第三主應力圖，主要分析青塘隧道開挖后輸水隧洞結構上的應力。

圖12 青塘隧道開挖后輸水隧洞支護結構第一主應力

圖13 青塘隧道開挖后輸水隧洞支護結構第三主應力

從上圖可以得出，青塘隧道開挖完成后，青塘隧道和輸水隧洞支護結構均未出現(xiàn)拉應力，全部為壓應力。輸水隧洞上的壓應力最大值為3.72MPa，遠小于支護結構C25混凝土的設計強度12.5MPa，因此輸水隧洞結構較安全。

4 結論

文章采用Midas/GTS有限元軟件對青塘隧道上跨輸水隧洞段進行模擬計算，從圍巖的位移、圍巖應力及隧洞支護應力等幾方面進行了分析，得出以下幾點結論:

(1)青塘隧道開挖引起了輸水隧洞拱頂圍巖上抬，上抬值較小，縱向上抬范圍約為120m，為保證輸水隧洞洞室安全，建議輸水隧道在與青塘隧道交叉120m范圍內加強支護。

(2)青塘隧道開挖后輸水隧洞周邊圍巖未出現(xiàn)拉應力，并且最大壓應力小于圍巖自身強度，對輸水隧洞圍巖影響較小。

(3)青塘隧道開挖完成后，青塘隧道和輸水隧洞支護結構均未出現(xiàn)拉應力，全部為壓應力，壓應力最大值未超過支護結構的承載能力，結構較安全。

(4)建議青塘隧道在開挖過程中加強對輸水隧洞交叉段落的監(jiān)控量測，進行動態(tài)施工。

[1]蔡路軍,朱方敏,吳亮,等.上穿公路隧道爆破對下方供水隧洞的振動影響研究[J].公路工程,2015,40(3):28-32.

[2]豐土根,王瑞濤,靳永福,等.上下穿隧道對近鄰隧道位移影響分析[J].第2屆全國工程安全與防護學術會議,2010:415-418.

[3]蔡美峰.巖石力學與工程[M].北京:科學出版社,1997.

[4]中華人民共和國行業(yè)標準.JTG D70-2004,公路隧道設計規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,2004.