高地震區(qū)大跨徑隧道建設(shè)與既有引水隧洞交叉的影響分析

中圖分類號：U455.4文獻標識碼：ADOl：10.13282/j.cnki.wccst.2025.01.049

文章編號：1673-4874（2025）01-0166-04

0 引言

隨著我國基礎(chǔ)交通設(shè)施不斷發(fā)展，公路、鐵路、城市隧道的建設(shè)和運營越來越多，受地形、地質(zhì)、周邊建筑等多種因素影響，不可避免地出現(xiàn)了許多上下交叉隧道形式的工程，這些工程相互之間存在不同程度的不利影響。劉明高等1通過實際監(jiān)控量測數(shù)據(jù)，研究了市政隧道上跨既有鐵路隧道設(shè)計和施工采用的原則、方法與對策；張麗娟2探討了新建公路隧道上跨施工中的施工技術(shù)及管理思路；熊文亮3研究了新建公路隧道上跨既有鐵路隧道的安全影響。本文結(jié)合云南某項目，采用數(shù)值方法分析高地震區(qū)新建高速公路大跨徑隧道施工與既有引水隧洞的相互影響，對該工程的設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)進行探討，以期對后續(xù)相似工程提供參考。

1工程概況

1.1 總體概況

云南某項目主線隧道為分離式中隧道，隧道全長720m ，雙向六車道，設(shè)計時速為 100k m ，地震動峰加速度為0.3g，反應(yīng)譜特征周期為0.45s，抗震設(shè)防烈度為VII度。隧道區(qū)處于低山丘陵地貌區(qū)，新建隧道與既有引水隧洞交叉段范圍內(nèi)地層主要為震旦系下統(tǒng)澄江組（Zac）砂巖、泥質(zhì)砂巖。交叉段隧道洞身主要為中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖，洞身圍巖為V級圍巖。該高速公路隧道主洞建筑限界為（單洞）：14.5m（寬）" （高）。交叉段隧道襯砌采用SF5a襯砌，初支采用29cm厚C25噴射混凝土、I22b cm鋼拱架，二次襯砌采用60cm厚C35鋼筋混凝土，主筋采用φ25mm@20cm 。既有引水隧洞全長3072m交叉段引水隧洞襯砌采用B_k1B_x1型襯砌，兩種襯砌斷面大小均一致，均采用50cm厚C30鋼筋混凝土襯砌，主筋采用φ16mm@20cm。交叉段引水隧洞結(jié)構(gòu)斷面如圖1所示。

1.2 交叉段概況

1.2.1位置關(guān)系

新建高速公路隧道左右線與既有引水隧洞交叉角度約為 。引水隧洞于新建高速公路隧道下方斜交穿越，新建高速公路隧道左線交叉點處設(shè)計高程為1878.929m ，此處引水隧洞的設(shè)計高程為1843.59m，與引水隧洞毛洞頂凈間距約為27.5m；右線交叉點處設(shè)計高程為 ，此處引水隧洞的設(shè)計高程為1843.535m，與引水隧洞毛洞頂凈間距約28. 2m 。詳見圖2。

1.2.2交叉段工程地質(zhì)

交叉段新建高速公路隧道洞身主要為中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖，洞身圍巖均為V級圍巖。既有引水隧洞洞身為中風(fēng)化砂巖。根據(jù)地勘報告，地層參數(shù)如表1所示。

2 交叉影響控制分析

上跨施工過程中對既有隧洞的控制主要是結(jié)構(gòu)變形和內(nèi)力兩方面。其中內(nèi)力控制主要是驗算隧道斷面關(guān)鍵位置處的極限強度，結(jié)構(gòu)變形控制主要是隧道自身的襯砌受彎構(gòu)件的最大撓度。上跨施工引起的變形量和內(nèi)力值都要嚴格限制在允許范圍內(nèi)，避免對既有隧洞的結(jié)構(gòu)和運營安全造成危害。

2.1 應(yīng)力控制標準

混凝土和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中混凝土的極限強度應(yīng)按照表2采用。

2.2 位移控制標準

根據(jù)《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（NB/T11011一2022），引水隧洞襯砌受彎構(gòu)件的最大撓度應(yīng)按荷載效應(yīng)標準組合進行驗算，其計算值不應(yīng)超過規(guī)定的撓度限值 為引水隧洞的計算跨度，取 4m） ，因此計算允許位移值為S_max=4000/250=16.0mm?？紤]施工期間的安全性，建議取 70% 為：

2.3 交叉段評估分析

根據(jù)新建隧道和既有隧洞相對位置關(guān)系，通過建立三維有限元模型，分析公路隧道上跨開挖影響下引水隧洞的變形和受力變化。施工過程采用地層一結(jié)構(gòu)模型進行模擬，計算范圍按左右邊界距隧道中心線距離 倍洞徑考慮，底部邊界距隧道底部的距離按 倍隧道高度考慮。最終建立的計算模型尺寸為 110m（長 × 寬 × 高），共劃分17萬個單元及8.9萬個節(jié)點。模型左、右邊界、下部邊界以及前、后面均施加法向約束，模型上表面為自由邊界。為簡化計算，將地層視為單一各向同性的均質(zhì)地層，公路隧道、引水隧洞圍巖、二次襯砌采用實體單元模擬，引水隧洞襯砌采用板單元模擬，圍巖采用摩爾一庫侖本構(gòu)模型，支護單元采用彈性本構(gòu)模型。計算模型如圖3、圖4所示，計算參數(shù)如表3所示。

2.3.1開挖計算模擬過程

第一步：模型自重應(yīng)力下進行地應(yīng)力平衡，計算達到平衡后進行位移清零。

第二步：開挖引水隧洞并激活引水隧洞支護單元。

第三步：進行公路隧道開挖，先施工左線、再施工右線，左右線掌子面前后間距約為30m。掌子面開挖后依次激活初支和二次襯砌支護單元，計算達到當前開挖平衡狀態(tài)后進入下一開挖循環(huán)，直至整個模型計算完成。

2.3.2數(shù)值分析計算成果

2.3.2.1公路隧道開挖對引水隧洞的影響分析

由圖5、圖6可知，在公路隧道開挖影響下，引水隧洞襯砌出現(xiàn)不同程度上浮變形。公路隧道開挖前，公路隧道左右洞與引水隧洞的兩處交叉點位置，拱頂沉降位移均為 ；公路隧道開挖后，影響范圍內(nèi)引水隧洞拱頂上浮位移約為 ；公路隧道開挖卸荷后，引水隧洞襯砌拱頂沉降變形與上浮變形疊加后，轉(zhuǎn)變?yōu)槲⑿〉纳细∽冃?+0.13m m 。因此可知，在公路隧道開挖影響下，引水隧洞襯砌出現(xiàn)不同程度上浮變形，最大上浮值為 ，發(fā)生在與公路隧道垂直重疊位置。

通過分析公路隧道開挖后引水隧洞襯砌位移云圖，可知上浮變形大小由垂直重疊位置向兩側(cè)逐漸減小，重疊影響區(qū)域為 ，總體變形較小。因此，在公路隧道開挖作用下，既有隧洞結(jié)構(gòu)上浮界限最大值為 ，小于計算充許位移值11.2mm，在安全范圍內(nèi)。

通過選取引水隧洞襯砌最大上浮截面拱頂和拱底中部的彎矩和軸力，按破損階段法驗算其安全系數(shù)。

由表4可知，在公路隧道上跨引水隧洞開挖的卸載作用下，引水隧洞襯砌應(yīng)力所受影響較小，最大壓應(yīng)力在卸荷作用下隨開挖逐漸減小，最大壓應(yīng)力由11.96MPa變化為11.35 MPa ，開挖前后均明顯小于材料的極限強度 22.5MPa ，結(jié)構(gòu)強度在安全范圍內(nèi)。引水隧洞襯砌結(jié)構(gòu)綜合安全系數(shù)均滿足規(guī)范中鋼筋混凝土 ？2.0 的要求，且隧道施工過程中，引水隧洞襯砌安全系數(shù)仍然有足夠的安全儲備，在公路隧道開挖影響下引水隧洞結(jié)構(gòu)滿足安全要求。

2.3.2.2既有引水隧洞對公路隧道的影響分析

由圖7、圖8可知，公路隧道二襯最大變形為10.9mm ，發(fā)生在仰拱位置，拱頂最大下沉位移為 ，明顯小于規(guī)范要求的 17000/400=42.5m m ；根據(jù)公路隧道襯砌最大主應(yīng)力云圖可知，襯砌的最大拉應(yīng)力為0.96 ，主要發(fā)生在拱頂和仰拱區(qū)域；最大壓應(yīng)力為 ，主要發(fā)生在邊墻區(qū)域；C35混凝土的極限抗拉強度為 ，極限抗壓強度為26.3 ，公路隧道襯砌內(nèi)力明顯小于材料的極限強度，結(jié)構(gòu)強度在安全范圍內(nèi)。

3結(jié)語

文章結(jié)合云南高地震區(qū)某新建大跨徑公路隧道上跨既有引水隧洞工程實例，提出新建公路隧道的支護參數(shù)，對隧道上跨引水隧洞的結(jié)構(gòu)變形和內(nèi)力進行模擬分析，得出以下結(jié)論：

（1）進行隧道上跨引水隧洞施工時，在隧道開挖的卸載作用下，引水隧洞襯砌應(yīng)力及變形所受影響較小，引水隧洞最大變形值為1.54mm、最大應(yīng)力為11.96 ，均符合控制標準，滿足結(jié)構(gòu)安全。

（2）新建公路隧道施工期二襯最大變形值為 ，拱頂最大下沉位移為 ，最大拉應(yīng)力為 ，最大壓應(yīng)力為19. 7MPa ，襯砌變形及受力均滿足規(guī)范要求，工程所采用的設(shè)計方案合理可行，可為今后地下類似交叉工程提供借鑒和參考。

參考文獻

[1]劉明高，李建林.道路隧道上跨既有鐵路隧道安全分析與對策[J].市政技術(shù)，2020（1）：56-59，103.

[2]張麗娟.上跨隧道建設(shè)對既有公路隧道結(jié)構(gòu)的影響分析[J」居舍，2021（10）：168-169.

[3]熊文亮.黃土公路隧道上跨既有鐵路隧道安全性影響分析[J].工程技術(shù)研究，2018（13）：1-4.