某分洪隧洞工程下穿高速公路交通隧道結(jié)構(gòu)安全分析

歐陽麗，樊 波，崔允亮，陳格君

（1.中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江 杭州 311122；2.浙江省交通規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，浙江 杭州 310031；3.浙江大學(xué)城市學(xué)院，浙江 杭州 310015）

1 問題的提出

在水利、交通、市政等工程建設(shè)中，新建隧道臨近既有建筑物的近接工程越來越多。尤其是新建隧洞平行或交叉穿越既有隧洞的情況，由于施工條件復(fù)雜，新建隧洞施工嚴(yán)重影響既有隧洞的安全。廣大工程技術(shù)人員在新建隧洞近接施工影響方面進(jìn)行廣泛和深入的研究。例如：新建福建晉江引水隧洞小角度下穿既有上行石獅專用引水隧洞，楊成全等[1]對該工程爆破施工對既有隧洞的振動影響進(jìn)行監(jiān)測和數(shù)值模擬；溫福鐵路琯頭嶺隧道在DK280+950 m ～ DK281+100 m段下穿同三高速公路琯頭嶺隧道，雷位冰[2]將數(shù)值模擬結(jié)論作為制定施工方案的重要參考，通過計算確定分部開挖幾何形狀及鉆爆方案，楊奎等[3]也對該工程進(jìn)行施工力學(xué)模擬；新建的大望山公路隧道從既有沙灣供水隧洞上方穿過，蔡路軍[4]應(yīng)用ANSYS/LSDYNA對其進(jìn)行數(shù)值模擬指導(dǎo)工程監(jiān)測。此外，有許多學(xué)者對隧洞穿越臨近既有構(gòu)筑物的情況進(jìn)行數(shù)值模擬和施工技術(shù)研究[5-9]，為工程施工提供重要參考，但對于大斷面水工隧洞下穿高速公路隧道方面的研究鮮有報道。

新建阮家洋溪分洪隧洞近距離下穿既有臺金高速長石隧道。分洪隧洞設(shè)計流量100 m3/s，長度3.4 km，進(jìn)口底板高程9.50 m，出口高程-4.65 m，城門洞形。其中下穿高速路段縱剖面整體采用“倒虹吸”布置型式，隧洞采用噴錨支護(hù)和鋼筋混凝土襯砌，斷面為14.00 m（凈寬）×14.00 m（凈高）。既有高速公路交通隧道為分離式單向行車雙車道隧道，左右洞軸線間距40.00 m，路面設(shè)計高程為11.00 m，斷面凈空面積為68.6 m2，隧道建筑限界凈高5.00 m。隧道建筑限界凈寬：行車道為 2×3.75 m，路緣帶為2×0.75 m，側(cè)向余寬為2×0.50 m，檢修道為0.75 m（單側(cè)，單洞行車前進(jìn)方向左側(cè)）。襯砌結(jié)構(gòu)按新奧法原理，采用復(fù)合式支護(hù)結(jié)構(gòu)形式。初期支護(hù)以錨桿、鋼筋網(wǎng)及噴射混凝土組成聯(lián)合支護(hù)體系，二次襯砌采用模筑混凝土結(jié)構(gòu)，初期支護(hù)與二次襯砌之間設(shè)防水排水夾層。隧道路面面板厚度26 cm，采用C40混凝土。

交叉部位分洪隧洞底板高程為-28.80 m，拱頂距離交通隧道路面的距離為25.80 m，考慮分洪隧洞襯砌厚度和交通隧道下部排水管，分洪隧洞與既有公路隧道結(jié)構(gòu)物之間的最小距離為23.50 m。

交通隧道較為繁忙，下穿分洪隧洞施工需嚴(yán)格保護(hù)并進(jìn)行詳細(xì)監(jiān)測，一旦影響交通隧道安全，將造成較嚴(yán)重的社會影響。本文擬通過建立有限元模型，分別進(jìn)行隧洞開挖靜力有限元分析，初步評估分洪隧洞開挖對高速公路交通隧道結(jié)構(gòu)安全的影響，以及分洪隧洞自身襯砌應(yīng)力變形和圍巖石穩(wěn)定性。

2 有限元模型建立

2.1 有限元模型基本假設(shè)

本此三維模擬分析建立在以下基本假定的基礎(chǔ)上：

（1）忽略地下水的滲透作用，圍巖本身變形與時間無關(guān)；

（2）圍巖為各向同性、連續(xù)的彈塑性材料，服從莫爾 — 庫倫屈服準(zhǔn)則；

（3）隧道與圍巖緊密接觸，即在變形過程中，隧道與圍巖不產(chǎn)生相對滑動或脫離；

（4）噴射混凝土與圍巖，噴射混凝土與二次襯砌均采用變形協(xié)調(diào)計算的方法；

（5）在分洪隧洞開挖前模型位移為零。

2.2 幾何模型

大量研究表明，隧道外寬度在3倍洞徑以上時，施工效應(yīng)對圍巖的影響已經(jīng)不明顯。因此，本文模型寬度取隧道軸線兩側(cè)距離大于3倍隧道直徑。模型底部距離分洪隧洞底部取60.00 m，模型頂部為根據(jù)地形圖建立的實際地形。根據(jù)前面確定的計算區(qū)域范圍及當(dāng)?shù)氐匦钨Y料，建立的模型為140.00 m×130.00 m×330.00 m的長方體（見圖1）。采用植入式桁架模擬錨桿，采用實體單元模擬初次襯砌和二次襯砌結(jié)構(gòu)。劃分的模型網(wǎng)格及分洪隧洞與交通隧道空間位置關(guān)系見圖1 ～ 2。采用荷載組中面荷載施加在高速公路表面單元模擬高速公路荷載。

圖1 整體模型圖

圖2 分洪隧洞與交通隧道空間位置關(guān)系圖

2.3 數(shù)值計算材料物理力學(xué)參數(shù)

本工程地貌屬沿海丘陵區(qū)，地形起伏較大，植被較發(fā)育，覆蓋層厚度不大。沿線主要出露侏羅系上統(tǒng)九里坪組（J3j）流紋質(zhì)角礫熔結(jié)凝灰?guī)r。隧洞與既有公路隧道交叉處圍巖為Ⅱ ～ Ⅲ級圍巖。分洪隧洞洞室多位于地下水以下，中風(fēng)化巖體以弱 ～ 微透水性為主，地下水活動總體較弱，初判不會產(chǎn)生大涌水。既有隧道洞室多位于地下水位以上，據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，未發(fā)現(xiàn)滲水現(xiàn)象。

初期支護(hù)采用普通砂漿錨桿（直徑25 mm，長4.50 m；直徑28 mm，長6.00 m），間距200 cm×150 cm，入巖4.40 m和5.90 m，梅花形布置，系統(tǒng)掛網(wǎng)，噴C30混凝土厚15 cm。數(shù)值模擬中錨桿采用植入式桁架單元，噴混凝土和二次襯砌采用實體單元。

基于以上分析并結(jié)合JTG D70/2 — 2014《公路隧道設(shè)計規(guī)范》的規(guī)定，參與有限元計算材料的本構(gòu)模型及物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 計算材料本構(gòu)模型力學(xué)參數(shù)表

2.4 施工步序模擬

分洪隧洞下穿高速公路交通隧道段采用分3層開挖，短進(jìn)尺（2.50 m）、弱爆破、勤支護(hù)（初期支護(hù)及時跟進(jìn)，襯砌支護(hù)滯后爆破開挖面30.00 m）的施工方法。本次模擬采用不同斷面多次模擬，研究分洪隧洞開挖至不同位置時對交通隧道的影響。

關(guān)于荷載釋放率，參照以往隧道施工經(jīng)驗，隧道開挖后圍巖應(yīng)力并不是一次釋放完畢，而是隨時間緩慢釋放。在數(shù)值模擬過程中，為反映圍巖應(yīng)力釋放過程，更準(zhǔn)確地模擬隧道開挖對既有隧道的影響，在設(shè)置施工荷載釋放比例時，按照開挖階段圍巖應(yīng)力釋放50%，初期支護(hù)施做后釋放25%，二次襯砌后釋放25%進(jìn)行控制。

3 分洪隧洞圍巖及襯砌應(yīng)力變形分析

分洪隧洞開挖完成后，隧洞圍巖向隧洞內(nèi)發(fā)生位移，隧洞圍巖豎向位移云圖見圖3，從圖3中可以得出拱頂圍巖變形最大，最大豎向位移為9.00 mm。另外計算結(jié)果表明圍巖最大水平位移為3.49 mm。由此可見，隧洞圍巖變形量較小，采用臺階式開挖法，可以顯著控制隧洞圍巖變形。

圖3 分洪隧洞圍巖豎向位移云圖

分洪隧洞開挖完成后圍巖最大主應(yīng)力在拱腰部位集中，最大主應(yīng)力為9.23 MPa，小于圍巖的極限承載能力；最小主應(yīng)力為拉應(yīng)力，最大值為0.17 MPa，小于圍巖的極限抗拉強度。根據(jù)計算結(jié)果，分洪隧洞的開挖未引起圍巖的塑性變形。噴射混凝土沉降量沿橫向基本呈對稱分布。其中，頂部沉降最大，側(cè)墻底部出現(xiàn)小幅向上位移。噴射混凝土最大變形量9.00 mm，高速公路車輛運行荷載由于傳遞距離較遠(yuǎn)，對分洪隧洞隧道噴射混凝土的變形影響較小。

圖4為二次襯砌橫截面變形云圖。結(jié)果表明，二次襯砌豎向位移沿橫向基本呈對稱分布，其中，頂部沉降最大，側(cè)墻底部和底板出現(xiàn)向上位移。為反映二次襯砌沉降量沿分洪隧洞軸線的變化情況，選取分洪隧洞頂部襯砌變形沿隧洞軸向方向變化（見圖5）?？梢缘贸?，二次襯砌最大變形量9.10 mm，變化趨勢與噴射混凝土變形接近。高速公路車輛運行荷載由于傳遞距離較遠(yuǎn)，對分洪隧洞二次襯砌的變形影響較小。

圖4 二次襯砌橫截面變形云圖

圖5 二次襯砌變形沿隧道軸線方向變化圖

圖6為開挖完成時分洪隧洞襯砌結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力分布圖。從圖6中可以得出，隧洞開挖完成時分洪隧洞襯砌結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力出現(xiàn)在側(cè)墻位置，大小為1.79 MPa，小于襯砌結(jié)構(gòu)的極限承載能力；另外根據(jù)計算結(jié)果最小主應(yīng)力為拉應(yīng)力，最大值為0.24 MPa，小于襯砌結(jié)構(gòu)的極限抗拉強度。

圖6 二次襯砌結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力分布圖

4 高速公路交通隧道應(yīng)力變形分析

4.1 交通隧道襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

圖7為分洪隧洞開挖完成時交通隧道襯砌結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力分布圖。從圖7中可以得出，隧道開挖完成時交通隧道襯砌結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力出現(xiàn)在拱腰位置，大小為9.61 MPa，小于襯砌結(jié)構(gòu)的極限承載能力；根據(jù)計算結(jié)果最小主應(yīng)力為拉應(yīng)力，最大值為0.17 MPa，小于襯砌結(jié)構(gòu)的極限抗拉強度。

圖7 襯砌結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力分布圖

4.2 交通隧道錨桿軸力分析

圖8為隧道開挖完成時錨桿軸力分布圖。從圖8中可以得出，隧道開挖完成時錨桿最大拉力為111.5 kN，出現(xiàn)在開挖面頂部，而開挖面兩側(cè)錨桿拉力在40.0 kN以下。錨桿軸拉力均小于錨桿的極限承載能力，且有一定的安全儲備。

圖8 錨桿軸力分布圖

4.3 交通隧道襯砌結(jié)構(gòu)變形分析

圖9 ～ 10為交通隧道左右線豎向變形云圖。結(jié)果表明，左右線最大豎向變形發(fā)生位置和大小基本一致。從位置上可得出，最大豎向變形發(fā)生在阮家洋溪分洪隧洞與交通隧道左右線的軸線交點處。左線最大豎向變形為2.67 mm，右線最大豎向變形為2.90 mm。另外，根據(jù)圖9 ～ 10，交通隧道左右線襯砌結(jié)構(gòu)拱頂最大豎向位移分別達(dá)到2.06 mm和2.09 mm。圖11為交通隧道左右線底板中點隨分洪隧洞開挖過程產(chǎn)生的豎向位移圖，圖12為交通隧道隨分洪隧洞開挖發(fā)生水平向位移圖。由于阮家洋溪分洪隧洞推進(jìn)方向為從交通隧道左線至右線，因此右線襯砌變形滯后于左線。

圖9 交通隧道左線豎向變形云圖

圖10 交通隧道右線豎向變形云圖

圖11 交通隧道隨分洪隧洞開挖豎向位移曲線圖

圖12 交通隧道隨分洪隧洞開挖水平向位移曲線圖

5 結(jié) 論

本文通過建立有限元模型，進(jìn)行隧洞開挖靜力有限元分析，評估分洪隧洞施工對高速公路交通隧道結(jié)構(gòu)安全的影響，以及分洪隧洞自身襯砌應(yīng)力變形和圍巖石穩(wěn)定性。得到結(jié)論如下：

（1）分洪隧洞拱頂圍巖變形最大，拱頂最大豎向位移為9.00 mm，隧洞最大水平位移為3.49 mm。由此可以見隧洞圍巖變形量較小，采用臺階式開挖法，可以顯著控制隧洞圍巖變形，阮家洋溪分洪隧洞襯砌和圍巖安全穩(wěn)定。

（2）分洪隧洞錨桿軸力、襯砌最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力、圍巖最大拉應(yīng)力和壓應(yīng)力等均小于其材料強度，并具有較大的安全余度。

（3）根據(jù)有限元分析交通隧道最大豎向變形為2.90 mm，最大水平變形為0.68 mm，拱頂沉降約2.10 mm，可見分洪隧洞開挖對交通隧道變形影響微小，不影響交通隧道結(jié)構(gòu)安全。

（4）交通隧道錨桿軸力、襯砌最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力、圍巖最大拉應(yīng)力和壓應(yīng)力等均小于其材料強度，并具有較大的安全余度。