大斷面隧洞上穿既有隧洞結構安全分析

陳 忠

(德州黃河河務局，山東 德州 251100)

0 引 言

隨著我國交通建設的迅速發(fā)展，新建隧道越來越多。在有限的空間內，難免會出現(xiàn)隧道交叉或穿越既有隧道的工程，由于山體隧洞一般采用爆破方法，因此很容易對既有隧道造成不利影響[1-2]。

針對新建隧洞可能對既有隧洞造成的影響，大量學者開展了研究。劉立權等對比分析了公路隧道開挖前后對下部既有隧洞的位移和應力影響。張武基于數(shù)值模擬，研究了公路隧道開挖對既有隧洞襯砌結構位移和應力的影響[3-4]。劉曉強等基于理論推導和利息及試驗，對比分析了隧道穿越工況下既有管線隆沉變形的計算方法，并驗證了方法的可靠性[5]。丁玉仁分析了了爆破開挖振動對既有襯砌結構的影響[6]。這些研究均表明，新建隧道會對既有隧道產生一定的影響。

文章基于數(shù)值模擬方法，模擬了新建隧洞開挖以及爆破荷載對既有隧洞的影響，獲得了了隧洞受力情況、變形特征以及隧洞襯砌動力響應。

1 工程概況

某水利工程隧洞項目主體主要包括引、排水隧洞，供、排水渠及對外交通等建筑物(圖1)，其中新建隧洞與既有隧洞方向垂直交叉，排水隧洞斷面形狀為拱形，隧洞寬11.5m，高7.4m，新建隧洞與既有隧洞圍巖最小厚度僅為6.5m。新建隧洞采用噴射C25鋼纖維混凝土，厚度為22cm，模筑采用C25 F50鋼筋混凝土，厚度為50cm，拱頂采用間距為0.5m，7根φ25mm的中空注漿錨桿，布置方式為梅花形，長度為4.5m/6m，邊墻采用間距1m、φ25mm砂漿錨桿，長度同上。底板采用φ25mm普通錨桿，間距2m，長度4.5m，梅花形布設。支護方式為φ42注漿小導管超前護，長度、間距及排距分別為4.5m、0.4m和2.4m。此外，既有引水隧洞內徑3.16m，襯砌方式為噴射12cm的C25混凝土漿液。

圖1 排水隧洞和引水隧洞相互位置

由于到引水隧洞的運營會影響到市區(qū)的供水，二排水隧洞在施工過程中也會對引水隧洞產生較大影響，因此文章結合小斷面控制爆破開挖放啊，基于數(shù)值模擬，考慮隧洞穿越引起的應力重分布及寶珀振動影響，分析新建和既有隧洞的動力響應及圍巖穩(wěn)定性，在此基礎上對實際方案進行可行性論證，文章的研究對于相似工程具有實際指導意義。

2 施工方案

根據(jù)設計施工方案，排水隧洞與引水隧洞交叉處采用控制爆破法，長度為前后各80m，開挖順序為，排水隧洞下游向上游開挖。由于開挖可能引起引水隧洞的不穩(wěn)定，因此文章提出采用，分層分塊小斷面爆破方法，該方法總共分4層，每塊開挖斷面<5 m2。該方法可有效控制施工安全，具體開挖順序見圖2。此外，為減小爆破振動對引水隧洞的影響，文章采用淺孔鑿巖爆破，短進尺多循環(huán)方法，開挖規(guī)模為單循環(huán)進尺2.0 m，最大單段起爆藥量4kg。

圖2 開挖順序

3 有限元模擬

3.1 基本假設

為計算方便，文章做了以下合理假定：①不考慮地下水作用；②圍巖體假定位為各向同性、連續(xù)的理想彈塑性材料；③隧洞與圍巖緊密接觸；④圍巖與混凝土以及混凝土與二次襯砌滿足變形協(xié)調；⑤新建排水隧洞開挖前位移為0。

3.2 幾何模型與網(wǎng)格劃分

文章數(shù)值計算模型見圖3。其中襯砌單元采用殼單元，巖體采用實體單元，錨桿采用桁架單元。為了計算速度更快，網(wǎng)格劃分時，在隧洞周圍進行加密，遠離隧洞位置，網(wǎng)格交稀疏。

(a)整體模型 (b)隧洞相對位置

3.3 計算參數(shù)

參考目前研究內容，文章采用的材料本構模型以及各材料的物理力學參數(shù)見表1。值得注意的是，模型的x軸與新建隧洞平行，y軸與既有隧洞平行，z軸豎直向上。

文章材料本構模型及力學參數(shù)見表1。在模型中，x平行于新建隧洞方向，y平行于既有隧洞方向，z豎直向上。

表1 材料本構模型參數(shù)

3.4 隧洞開挖靜力分析

研究表明，通常隧洞開挖后圍巖應力是隨時間緩慢進行的。為了反映該過程更精確的模擬新建隧洞對既有隧洞的影響，文章在數(shù)值模擬中，按比例對施工荷載進行釋放，其中開挖、初期支護和二襯階段的比例分別為50%、25%、25%。

施工步驟模擬如下：①激活圍巖、初砌、二砌以及新建隧洞，在此基礎上，添加自重和約束，清零位移；②分別對新建隧洞上層開挖土體、中部開挖土體以及下部開挖土體進行鈍化，荷載釋放系數(shù)均取為0.5、0.25；③激活隧洞噴射混凝土和錨桿，并改變噴射混凝土屬性，模擬初次襯砌形成；④激活滯后二次襯砌，并改變屬性模擬二次襯砌形成。

3.5 隧道爆破模擬

文章對隧洞爆破模擬采用黏性邊界理論，通過曲面彈簧建立邊界條件，在此基礎上添加時程函數(shù)對沖擊荷載進行模擬。分別得到各個分塊爆破施工導致的下方既有引水隧洞振動速度，驗證其是否滿足安全規(guī)程。此過程中，需做以下合理假設：①爆破荷載為均布荷載并垂直作用在隧洞壁；②計算時長取0.2 s。

根據(jù)公式，在計算爆破壓力時，相關參數(shù)取值為：爆破荷載系數(shù)為16337，爆破速度為3000 m/s，裝藥直徑為33 mm，裝藥孔直徑為41 mm，火藥重度為12.2 kN/m3。

4 模擬結果與分析

4.1 新建排水隧洞圍巖變形及應力分布

圖4為新建隧洞開挖后圍巖的豎向位移云圖結果，結果表明，新建隧洞會對既有隧洞產生影響，即使既有隧洞圍巖向內發(fā)生變形，其中拱頂變形最大，最大的豎向和水平位移分別為23.1mm和1.90mm。綜合來看，圍巖變形較小，此外模擬結果表明，圍巖最大的壓應力和最大拉應力分別為7.21MPa和0.36MPa，遠遠小于其極限承載力，結果是安全可靠的。

圖4 新建隧洞圍巖豎向位移云圖

4.2 新建排水隧洞襯砌變形分析

圖5匯總了新建排水隧洞襯砌變形圖，結果表明，拱頂襯砌發(fā)生一定的沉降，沉降值為8.61mm，而拱底也產生23.2mm的隆起。根據(jù)圖5表明，最大沉降和隆起均發(fā)生在新建隧洞與既有隧洞交叉位置處，因此在施工時應注意，交叉位置處的變形，應采取一定的控制措施。

圖5 新建排水隧洞拱頂和拱底隆起曲線圖

4.3 既有隧洞襯砌應力及變形

繪制出了新建隧洞開挖完成后既有隧洞的豎向位移曲線和水平位移曲線見圖6。結果表明，新建隧洞和既有隧洞在交叉位置處的豎向和水平位移達到最大值，此外，既有隧洞拱頂發(fā)生一定的隆起。隆起量為6.3mm，既有隧洞拱腰發(fā)生水平位移，位移量為0.76mm，說明，新建隧洞開挖對既有隧洞變形影響比較小，可以忽略。另外，既有隧洞變形較大的范圍發(fā)生在交叉位置前后15m范圍內，而變形較小范圍約在交叉位置前后15-35m范圍內。

圖6 既有引水隧洞豎向及水平向位移曲線

有限元獲取得到了新建隧洞開挖后既有隧洞的應力、軸力、彎矩和剪力，結果表明，既有隧洞最大壓應力為30MPa，小于其極限承載力；最大軸力和剪力為3618和14.0kN，最大彎矩為11.5kN·m，證明滿足安全要求。以上結果表明，新建隧洞對既有隧洞有一定影響，但滿足安全要求，在施工中可通過控制新建隧洞圍巖變形減小影響范圍。

4.4 爆破施工引起的襯砌應力及變形

文章截取了典型分塊1、4、6和8為研究對象，提取出各分塊爆破導致的既有隧洞在不同時間段質點振動速度曲線以及各分塊爆破引起的個測點最大質點振動速度見圖7和表2。結果表明，8號分塊引起的既有隧洞各測點最大振動速度>1、4和6。此外既有隧洞產生的振動速度最大位置位于拱頂處，最小位置位于拱底處。最后，8號分塊爆破隊既有隧洞產生的影響最大，其中拱頂、拱底以及拱腰最大質點速度分別為0.59 cm/s、0.43 cm/s和0.25cm/s。滿足爆破影響水工隧洞質點振動速度要求。

圖7 分塊8爆破時既有隧洞質點振動速度曲線

表2 各分塊爆破引起的各測點最大質點振動速度

5 結 論

文章基于數(shù)值模擬方法，模擬了新建隧洞開挖以及爆破荷載對既有隧洞的影響，獲得了了隧洞受力情況、變形特征以及隧洞襯砌動力響應，得到以下幾點結論：

1)新建隧洞施工及圍巖變形對下方既有隧洞會產生一定的影響，但滿足既有隧洞結構安全要求，通過施工中控制新建隧洞圍巖變形，可以減輕對既有隧洞的影響。

2)有限元數(shù)值模擬結果表明，文章提出的層分塊小斷面控制爆破方法能夠有效降低對新建大斷面隧洞上穿對既有隧洞的影響，分析結果表明爆破引起的最大質點振動速度滿足爆破安全規(guī)程規(guī)定，所提方法能夠確保既有隧洞的結構安全。