大斷面公路隧道下穿對(duì)既有水利渠的變形影響分析

摘 要：文章以某新建高速公路隧道下穿水電站既有水利渠工程為背景，采用數(shù)值計(jì)算方法分析大斷面公路隧道下穿對(duì)既有水利渠變形的影響。結(jié)果表明：隧道開挖引起的水利渠變形主要表現(xiàn)為豎向沉降位移，沉降位移主要集中在水利渠與隧道交叉處前后10 m的隧道開挖范圍；隧道左右洞凈距小，在后行洞施工過程中，施工存在圍巖二次擾動(dòng)，會(huì)使水利渠的沉降位移進(jìn)一步增大；公路隧道開挖后，水利渠的沉降位移曲線近似“W”形。

關(guān)鍵詞：大斷面；公路隧道；水利渠；沉降

中圖分類號(hào)：U455.4

0 引言

隨著鄉(xiāng)村振興的穩(wěn)步推進(jìn)，山區(qū)公路建設(shè)發(fā)展迅速，新建公路隧道越來越多。受山區(qū)地形、生態(tài)敏感點(diǎn)以及路線指標(biāo)等因素的制約，在有限的地層空間下，公路難免以淺埋隧道的方式下穿既有水力設(shè)施。公路隧道開挖一般采用控制爆破方式，開挖過程中產(chǎn)生爆破振動(dòng)影響，對(duì)鄰近的既有水力設(shè)施極為不利。隧道下穿既有構(gòu)造物一直是眾多學(xué)者的研究熱點(diǎn)，如張樹才［1］研究了暗挖地鐵隧道下穿輸水管廊結(jié)構(gòu)變形，王立強(qiáng)［2］研究了公路隧道下穿既有公路施工變形控制，趙凱等［3］研究分析了大斷面水工隧洞下穿既有公路隧道沉降影響，燕波等［4］以圍巖徑向位移釋放率為指標(biāo)，研究了超大斷面隧道下穿施工圍巖穩(wěn)定性。雖然學(xué)者們?cè)谒淼老麓┘扔袠?gòu)造物方面取得了一定的研究成果，但關(guān)于大斷面隧道下穿既有水利渠方面的研究較少。本文以某新建高速公路隧道下穿水電站既有水利渠工程為背景，采用數(shù)值計(jì)算，分析大斷面公路隧道下穿對(duì)既有水利渠的變形影響，以期為類似工程提供參考。

1 工程概況

某隧道為高速公路短隧道，建筑限界凈寬13.75 m，凈高5 m，隧道設(shè)計(jì)雙洞單向行車，設(shè)計(jì)行車速度為120 km/h。隧道最大開挖寬度為17 m，開挖高度為11.5 m，左右洞相距15 m，為小凈距隧道。

高速公路隧道附近約60 m處有一水電站，水電站采用水利渠引水。在距隧道洞口約20 m處，公路隧道下穿水電站水利渠，水利渠寬3 m，距新建隧道頂厚度約10 m。隧道洞口段斜坡較陡，角度約30°，圍巖主要以中風(fēng)化砂巖為主，局部地表覆蓋薄層第四系殘坡積硬塑狀黏土及人工堆砌塊石。

2 數(shù)值計(jì)算

選用Midas GTS NX軟件進(jìn)行數(shù)值模擬仿真計(jì)算，簡(jiǎn)化部分影響較小的因素，以隧道所處實(shí)際地形、地質(zhì)條件建立數(shù)值計(jì)算模型進(jìn)行分析。模型長(zhǎng)160 m、寬70 m，模型左右、前后設(shè)置水平約束，底部設(shè)置豎向約束，頂部不設(shè)置約束，計(jì)算模型如圖1所示。以隧道掘進(jìn)方向?yàn)閄方向，洞口處X=0 m；以隧道橫斷面方向?yàn)閅方向，左右洞中部處Y=0 m；以豎向?yàn)閆方向；選取右洞為先行洞，左洞為后行洞進(jìn)行計(jì)算分析。

圍巖采用摩爾-庫(kù)侖本構(gòu)模型，隧道初期支護(hù)、二次襯砌、水利渠采用彈性模型，材料物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

3 結(jié)果分析

3.1 圍巖位移變形

隧道開挖會(huì)對(duì)圍巖造成擾動(dòng)，使圍巖應(yīng)力重分布，引起圍巖位移，進(jìn)而影響隧道上方水利渠。為分析水利渠正下方圍巖位移情況，選取距離洞口20 m處截面進(jìn)行分析，圖2為隧道左右洞開挖完成后距離洞口X=20 m截面圍巖豎向位移云圖。為分析隧道開挖方向上圍巖位移情況，選取右線隧道中線截面進(jìn)行分析，圖3為隧道左右洞開挖完成后右線隧道中線截面圍巖豎向位移云圖。

由圖2、圖3可知，隧道開挖后，圍巖豎向位移表現(xiàn)為往洞內(nèi)發(fā)展，拱頂上方圍巖豎向位移表現(xiàn)為沉降，沉降在拱頂附近達(dá)到最大，隨著與隧道拱頂距離增大，圍巖豎向位移逐漸減??；隧道拱底圍巖豎向位移表現(xiàn)為隆起，在仰拱底中心附近達(dá)到最大，隨著與隧道拱底距離增大，圍巖豎向位移逐漸減小。

3.2 水利渠位移變形

圖4和圖5分別為隧道左右洞開挖完成后水利渠水平位移云圖、豎向位移云圖。隧道左右洞開挖完成后，水

利渠豎向位移主要分布在隧道拱頂上方，最大豎向位移為1.94 mm，隨著距離隧道越近，豎向位移越大，由于左右洞距離較近，隧道開挖對(duì)中夾巖上方水利渠也有一定的影響；水利渠水平位移主要分布在隧道拱頂上方兩側(cè)，最大水平位移為0.47 mm。對(duì)比水利渠豎向位移和水平位移云圖，隧道開挖引起的水利渠變形主要表現(xiàn)為豎向沉降位移。

為便于分析隧道開挖過程中水利渠沉降位移規(guī)律，選取水利渠頂、水利渠底典型監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行研究分析，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖6所示。

圖7為右洞開挖過程中右洞中線處水利渠監(jiān)測(cè)點(diǎn)施工沉降曲線圖，圖8左洞開挖過程中左洞中線處水利渠監(jiān)測(cè)點(diǎn)施工沉降曲線圖。隨著隧道往前掘進(jìn)，水利渠各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位沉降逐漸增大，在掌子面距離洞口前10 m開挖過程中，水利渠沉降增加緩慢，增幅較小，在掌子面距離洞口10 m到30 m掘進(jìn)過程中，水利渠沉降迅速增大，右洞增幅約70.9%，左洞增幅約76.3%，在掌子面距離洞口超過30 m后，水利渠沉降增加變緩，增幅減小。由此可見，隧道開挖過程中引起水利渠位移主要集中在水利渠與隧道交叉處前后10 m范圍內(nèi)隧道開挖。

研究隧道為小凈距隧道，選取隧道中夾巖中部處上方水利渠斷面進(jìn)行分析，圖9為右洞開挖過程中左右洞中部處水利渠監(jiān)測(cè)點(diǎn)施工沉降曲線圖，圖10為左洞開挖過程中左右洞中部處水利渠監(jiān)測(cè)點(diǎn)施工沉降曲線圖。在右洞先行洞掘進(jìn)過程中，水利渠監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降逐漸增大，在掌子面距離洞口前10 m開挖過程中，水利渠沉降增加緩慢，增幅較小，在掌子面距離洞口10～30 m掘進(jìn)過程中，水利渠沉降迅速增大，增幅約75.5%，在掌子面距離洞口＞30 m后，水利渠沉降增加變緩，增幅減小。

在左洞后行洞掘進(jìn)過程中，水利渠的沉降位移進(jìn)一步增大，水利渠監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降位移規(guī)律基本和先行洞一致，在掌子面距離洞口前10 m開挖過程中，水利渠沉降增加緩慢，增幅較小，在掌子面距離洞口10～30 m掘進(jìn)過程中，水利渠沉降迅速增大，增幅約35%，在掌子面距離洞口＞30 m后，水利渠沉降增加變緩，增幅減小。

右洞先行洞開挖完成后，隧道中夾巖中部處水利渠監(jiān)測(cè)點(diǎn)A、B、C、D、E沉降位移分別為0.52 mm、0.44 mm、0.34 mm、0.18 mm、0.19 mm。左洞后行洞開挖完成后，隧道中夾巖中部處水利渠監(jiān)測(cè)點(diǎn)A、B、C、D、E沉降位移分別為1.10 mm、0.92 mm、0.72 mm、0.38 mm、0.40 mm。由此可見，水利渠靠近山體一側(cè)沉降位移大于靠近洞口一側(cè)沉降位移。

圖11為隧道左右洞開挖完成后水利渠監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降曲線圖，隧道開挖完成后，水利渠的沉降變形近似“W”形，水利渠沉降位移主要分布在距離左右洞中部-40～40 m范圍，中夾巖上方水利渠沉降位移小于隧道拱頂上方水利渠沉降位移，右洞拱頂處上方水利渠監(jiān)測(cè)點(diǎn)A、B、C、D、E沉降位移分別為1.86 mm、1.91 mm、1.82 mm、1.58 mm、1.56 mm，左洞拱頂處上方水利渠監(jiān)測(cè)點(diǎn)A、B、C、D、E沉降位移分別為1.80 mm、1.84 mm、1.75 mm、1.51 mm、1.49 mm。由此可見，水利渠靠近山體一側(cè)沉降位移大于靠近洞口一側(cè)沉降位移。

4 結(jié)語

本文以某新建高速公路隧道下穿水電站既有水利渠工程為背景，采用數(shù)值計(jì)算分析大斷面公路隧道下穿對(duì)既有水利渠的變形影響，結(jié)論如下：

（1）隧道開挖引起的水利渠變形主要表現(xiàn)為豎向沉降位移，隨著公路隧道的開挖，水利渠沉降位移逐漸增大，水利渠沉降位移主要集中在水利渠與隧道交叉處前后10 m范圍內(nèi)隧道開挖。

（2）隧道左右洞凈距小，施工存在圍巖二次擾動(dòng)，在后行洞施工過程中，水利渠的沉降位移進(jìn)一步增大。

（3）公路隧道開挖后，水利渠的沉降位移近似“W”形，水利渠沉降位移主要分布在距離左右洞中部-40～40 m范圍。

參考文獻(xiàn)：

［1］張樹才.暗挖地鐵隧道下穿輸水管廊結(jié)構(gòu)變形分析［J］.鐵道建筑，2023，63（3）：118-122.

［2］王立強(qiáng).公路隧道下穿既有公路施工變形控制［J］.公路，2021，66（7）：351-355.

［3］趙 凱，崔允亮，李明照，等.大斷面水工隧洞下穿既有公路隧道沉降影響分析［J］.水利水電技術(shù)（中英文），2021，52（3）：162-168.

［4］燕 波，張俊儒，張新錦，等.基于圍巖徑向位移釋放率的超大斷面隧道下穿施工圍巖穩(wěn)定性研究［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2023，60（2）：115-124.20240423