隧道穿越既有過水洞的最小安全距離研究

(湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院， 湖南 長沙 410008)

隧道穿越既有過水洞的最小安全距離研究

陳璽光

(湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院， 湖南 長沙 410008)

新建隧道從過水洞下方穿過，且過水洞襯砌內(nèi)部水壓力較大，通過數(shù)值計算，且考慮新建隧道僅在常規(guī)支護型式下，探討了新建隧道與水洞之間的距離分別為3、4、5、6 m時水洞襯砌結(jié)構(gòu)的應(yīng)力與位移，并參考一定的標(biāo)準(zhǔn)，得出隧道與水洞之間的最小安全距離為5 m，對類似的工程有一定的借鑒意義。

隧道； 過水洞；安全距離； 應(yīng)力； 位移

1 工程簡介

某二級路隧道從過水洞下方穿過，見圖1、圖2，過水洞襯砌為C20混凝土結(jié)構(gòu)，直徑為4 m，厚0.3 m，埋深5.2 m，水洞內(nèi)部水壓力較大(下文會計算出水壓力)，區(qū)域范圍內(nèi)圍巖從上而下依次為全風(fēng)化粉砂巖、強風(fēng)化粉砂巖、中風(fēng)化粉砂巖；新建隧道的開挖會對過水洞產(chǎn)生影響，如果隧道與過水洞之間的距離D過小，過水洞襯砌可能會因為新建隧道的開挖而遭到破壞，導(dǎo)致水洞內(nèi)部的水?dāng)U散至隧道開挖區(qū)域，而粉砂巖遇水軟化，這對新建隧道非常不利。因此，在新建隧道設(shè)計過程中要確定D的最小值，以確保整體工程更安全、更經(jīng)濟。

圖1 平面

圖2 立面

本文通過計算來探討D的最小值，新建隧道襯砌見圖3(僅考慮常規(guī)支護)，開挖方法為雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，且僅考慮常規(guī)的超前小導(dǎo)管支護，見圖4，當(dāng)D分別為3、4、5、6 m時，分別得出新建隧道開挖完之后過水洞襯砌的應(yīng)力及位移，并參考以下2個標(biāo)準(zhǔn)來確定D的最小值。

1)過水洞襯砌結(jié)構(gòu)為C20混凝土，抗拉強度低，為了保證結(jié)構(gòu)不破壞，結(jié)構(gòu)應(yīng)力按抗拉控制，抗拉力為1.1 MPa。

2)過水洞襯砌結(jié)構(gòu)豎向位移不大于10 mm，可作為結(jié)構(gòu)的控制標(biāo)準(zhǔn)的參考。

圖3 隧道襯砌(單位： cm)

圖4 開挖方法

圖4開挖方法為：開挖①部分，并施做①部分臨時支護、徑向錨桿、初期支護；開挖②部分，并施做②部分臨時支護、徑向錨桿、初期支護；開挖③部分，并施做③部分臨時支護、徑向錨桿、初期支護；依次開挖④⑤⑥部分。

2 過水洞襯砌內(nèi)部水壓力的計算

過水洞襯砌內(nèi)部水壓力按以下公式計算：

(1)

(2)

R=A/ρ

(3)

式中：P為水壓，N/m2；γ為水的密度,可取103kg/m3；，k取0.6～0.8；v為流速,m/s；n為溝壁粗糙系數(shù)，可取0.013；R為水力半徑,m；A為過水?dāng)嗝婷娣e,m2；ρ為過水?dāng)嗝鏉裰?，m；I為水力坡度，可取用溝的底坡。

根據(jù)式(1)～式(3)，可得:

(4)

本文中n取0.013，k取0.7，γ取103kg/m3，水力坡度I為4%，過水?dāng)嗝婷娣eA為12.56 m2(滿管)，過水?dāng)嗝鏉裰堞褳?2.56 m(滿管)，代入式(4)，得出P=246 kN/m2。

3 數(shù)值計算

3.1 計算工況

本文按以下4種工況進行計算，見表1 。

表1 計算工況工況名具體情況工況1隧道與過水洞之間的距離為3m工況2隧道與過水洞之間的距離為4m工況3隧道與過水洞之間的距離為5m工況4隧道與過水洞之間的距離為6m

3.2 材料參數(shù)及計算模型

采用midas gts-nx進行計算，圍巖、隧道初期支護采用實體單元進行模擬，水洞襯砌、隧道二襯采用板單元進行模擬，錨桿、小導(dǎo)管采用植入式桁架單元進行模擬，材料參數(shù)見表2。模型X方向為52.6 m、Y方向30 m、Z方向37.3 m，水洞襯砌內(nèi)部施加P=246 kN/m2的均布法向荷載，計算模型見圖5所示。

表2 材料參數(shù)表材料單元類型模型類型彈性模量E/(105kN·m-2)隧道襯砌板單元彈性310水洞襯砌板單元彈性280全風(fēng)化砂巖實體單元摩爾庫倫5強風(fēng)化砂巖實體單元摩爾庫倫10中風(fēng)化砂巖實體單元摩爾庫倫60泊松比ν容重γ/(kN·m-3)容重(飽和)/(kN·m-3)粘聚力c/MPa摩擦角?/(°)0．2260．2250．41．92．20．02250．3522．10．1300．32．1210．335

圖5計算模型

3.3 計算結(jié)果分析

3.3.1 水洞襯砌應(yīng)力分析

通過計算，分別得出水洞襯砌在4種工況下應(yīng)力(含變形情況)，見圖6。

1)工況12) 工況2

3) 工況34) 工況4

從圖6中可以看出，由于水洞襯砌內(nèi)部水壓力較大，襯砌結(jié)構(gòu)以拉應(yīng)力為主，新建隧道開挖完之后，水洞襯砌應(yīng)力值發(fā)生在中間下部(與隧道正交部分)，且為拉應(yīng)力，4種工況作用下最大拉應(yīng)力值分別為2.16、1.43、1.05、0.87 MPa可以看出當(dāng)D越小時，拉應(yīng)力值就也大，根據(jù)上文第1節(jié)的參考標(biāo)準(zhǔn)“1)”可以看出，工況3作用時拉應(yīng)力值小于1.1 MPa，也就當(dāng)D=5 m時能滿足要求。

3.3.2 水洞襯砌位移分析

通過計算，分別得出水洞襯砌在4種工況下豎向位移(含變形情況)，見圖7。

1)工況12) 工況2

3) 工況34) 工況4

從圖7中可以看出，水洞襯砌豎向位移最大值發(fā)生在中間下部(與隧道正交部分)，4種工況作用下最大位移值分別為6.02、4.42、1.86、1.12 mm，當(dāng)D逐漸增大時，豎向位移值在減小，根據(jù)上文第一節(jié)的參考標(biāo)準(zhǔn)“2)”可以看出，4種工況作用下均滿足要求。

從隧道襯砌應(yīng)力及豎向位移兩個方面分析可知，當(dāng)新建隧道僅在常規(guī)支護型式下時，新建隧道與過水洞之間的最小安全距離為5 m。

4 結(jié)論及建議

新建隧道從過水洞(內(nèi)部有水壓)下方穿過，為保證過水洞襯砌的安全，新建隧道與過水洞之間距離D不能過小，本文探討了新建隧道僅在常規(guī)支護狀態(tài)下D的最小值，結(jié)論有：①通過理論公式計算出水洞襯砌內(nèi)部水壓力值為P=246 kN/m2；②通過數(shù)值計算，探討了當(dāng)D分別為3、4、5、6 m時水洞襯砌結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力及豎向位移均發(fā)生在襯砌中間下部(與隧道正交部分)，應(yīng)力值分別為2.16、1.43、1.05、0.87 MPa，位移分別為6.02、4.42、1.86、1.12 mm，結(jié)合文章的參考標(biāo)準(zhǔn)，可以得出D的最小值為5 m。

本文的建議有：在本文中，新建隧道采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法進行施工，襯砌僅考慮常規(guī)支護，沒有采用特殊的加固措施，這時最小安全距離可按5 m進行考慮，如果對新建隧道與過水洞之間的巖層進行注漿加固，只要注漿加固做扎實，那么最小安全距離可能能達到4 m甚至更小，不過實際施工中，往往注漿加固做得不是很到位，注漿加固的效果不怎么好；另外如果采用其它開挖方法，最小安全距離可能又不一樣，因此為了安全起見，本文研究新建隧道在雙側(cè)壁導(dǎo)坑法下且僅在常規(guī)支護型式下的最小安全距離，對類似的工程有一定的借鑒意義。

[1] 李強，曾德順．新隧道垂直穿越已建隧道的計算分析[J]．地下工程與隧道，2001(2):14-18．

[2] 陶連金，孫斌，李曉霖.超近距離雙孔并行盾構(gòu)施工的相互影響分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2009，11(9):124-125.

[3] 張玉軍, 劉誼平.上下行隧道立交處圍巖穩(wěn)定性的有限元計算[J].巖土力學(xué), 2002, 23(7): 511- 515.

[4] 孫均，劉洪洲.交疊隧道盾構(gòu)法施工土體變形的三維數(shù)值模擬[J].同濟大學(xué)學(xué)報，2002，30(4):379-385．

1008-844X(2017)03-0177-03

U 452.2

A

2017-02-13

陳璽光(1981-)，男，工程師，主要從事公路工程設(shè)計工作。