公路隧道施工对下方输水隧洞影响分析

(福建省交通规划设计院，福州350004)

公路隧道施工对下方输水隧洞影响分析

■王丽珊

(福建省交通规划设计院，福州350004)

本文以福建省308省道青塘隧道上跨朱步～观音阁输水隧洞为工程背景，采用M I D A S/G T S三维有限元软件，对实际工程进行数值模拟，分析了青塘隧道开挖引起的输水隧洞位移、围岩应力及支护应力的变化，进而总结其对输水隧洞的影响，并提出了输水隧洞的加固区段，旨在为今后类似工程的设计提供一些有益的参考。

交叉输水隧洞M I D A S/G T S影响

由于新建公路隧道距离输水隧洞较近，新建隧道施工过程中，既有隧洞围岩及结构会遭到破坏，另一方面也增加了新建公路隧道的施工难度和工程风险[1]。因此，有必要对公路隧道施工对下方输水隧洞的影响进行研究。

本文以福建省308省道青塘隧道上跨朱步-观音阁输水隧洞为研究背景，主要研究青塘隧道施工对下方输水隧洞位移、围岩应力以及结构应力的影响，提出下方输水隧洞的加固段落，为以后类似工程的建设提供指导和借鉴。

1 项目概况

福建省308省道青塘隧道设计为分离式双向六车道一级公路隧道，设计时速60km/h，隧道建筑限界净宽14.00m，净高5.0m，左线长1656m，右线长1667m，在与水洞交叉段落隧道左右线净距约为21.5m；输水隧洞断面为圆形，直径2.8m。

青塘隧道与朱步-观音阁输水隧洞斜交，右线交点桩号YK4+286.1556，对应水洞桩号1+703.9215，交叉角度55°，公路隧道设计高：40.008m，水洞设计高18.544m，净距：19.289m；左线交点桩号ZK4+278.0326，对应水洞桩号1+734.3977，交角55°，公路隧道设计高：40.128m，水洞设计高18.488m，净距：17.678m。青塘隧道与输水隧洞的平纵面位置关系如图1～2所示。

图1 青塘隧道与输水隧洞平面位置图

图2 青塘隧道与输水隧洞竖向位置图

朱步-观音阁输水隧洞是生命线工程，须确保输水隧洞在青塘隧道施工过程中的安全。文章通过建立青塘隧道上跨输水隧洞的数值模型，分析公路隧道开挖引起的输水隧洞位移、围岩应力以及输水隧洞衬砌结构应力，评估输水隧洞的安全性，提出输水隧洞的加固段落，从而为输水隧洞的安全性提供必要的保障。

2 计算模型与参数

2.1 计算模型

文章采用岩土、隧道专用有限元分析软件Midas/GTS进行计算。三维有限元模拟以青塘隧道与输水隧洞相交段为核心区域，计算范围尽量将开挖的影响区域包括进去，考虑到尺寸效应引起的计算误差及计算机硬件方面的限制，同时考虑隧道的实际埋深[2]，计算模型范围及边界条件按如下计取：在隧道横向(x轴)取280m；隧道纵向(y轴)取220m；竖直方向(z轴)模型顶部为实际地表，底部取至隧道底部以下70m，几何模型透视图如图3所示。

建筑工程施工期间，需促进各个部门与人员之间的良好配合，明确施工管理职责落实责任制度。首先，要求工作人员进行施工原材料与机械设备的动态化管理，实时掌握资料并将其共享到其他部门，以便于开展质量的管理工作。其次，需安排专业管理人员与监督人员进行建筑工程的管理与监督，在发现问题之后立即采取合理措施解决问题，提升建筑工程造价管理效果。最后，需开展造价管理的分析工作，明确工程区域内是否存在造价控制的影响因素，采取合理措施解决问题。

图3 三维几何模型透视图

模型采用四节点四面体实体单元来模拟岩体，三角形壳单元模拟初期支护喷射混凝土。图4为三维有限元整体网格图，共计101001个单元，19819个节点。

图4 三维有限元网格模型

模型上表面即地表为自由边界，其余各外表面均约束法向方向的位移，考虑自重荷载。计算中模拟了开挖、施做初期支护的全过程以及施工期间开挖释放荷载的分步释放，通常在开挖时，应力释放大约50%～80%，后期支护再释放20%～50%[3]，本文开挖释放荷载由围岩、初期支护、二衬分别承担50%、25%和25%，即开挖结束时荷载释放率为50%，完成初期支护施作后，释放25%的荷载，施做二衬后释放25%。

2.2 计算参数

根据青塘隧道地质勘察资料和公路隧道设计规范(JTG D70-2004)[4]，选取计算段落的围岩及支护参数。青塘隧道与输水隧洞相交段左右洞地质差别较大，左洞交叉段为Ⅳ级围岩，右洞交叉段为Ⅲ级围岩，因此左洞交叉段为最不利位置，本次模拟中洞身围岩均模拟为Ⅳ级。材料本构模型采用摩尔-库伦进行计算。围岩和结构的主要材料参数取值如表1所示。

表1 围岩及支护计算物理力学参数表

3 计算结果及分析

3.1 位移分析

隧洞周边围岩的沉降量可作为判定隧洞是否稳定的一个重要标准。分别提取青塘隧道开挖前后输水隧洞周边的围岩位移，如图5～6所示。

图5 青塘隧道开挖前水洞洞周围岩位移

图6 青塘隧道开挖后水洞洞周围岩位移

根据上图，提取输水隧洞在青塘隧道开挖前后各典型位置的位移值，并做对比分析，绘制成曲线图，如图7所示。

图7 交叉段输水隧洞洞顶位移变化图

从图5～7可以看出，青塘隧道开挖引起了输水隧洞拱顶围岩上抬，这是由于下方输水隧洞已经开挖成型，青塘隧道为后面开挖，对于输水隧洞而言，青塘隧道的开挖相当于是对输水隧洞的卸载作用，因此引起输水隧洞向上隆起。青塘隧道右洞与水洞交叉位置上抬约3.2mm，左洞与水洞交叉位置上抬约4.1mm；纵向引起输水隧洞围岩上抬约为120m。由于输水隧洞开挖完成后洞周围岩已稳定，沉降已基本结束，青塘隧道的开挖对于输水隧洞相当于扰动，扰动较大的范围为隧洞位移上抬区段，因此将输水隧洞拱顶上抬区域作为青塘隧道开挖对输水隧洞的影响范围，为保证输水隧洞洞室安全，建议输水隧道在与青塘隧道交叉120m范围内加强支护。

3.2 围岩应力分析

青塘隧道的开挖必然会引起输水隧洞周边围岩应力重新分布，将会影响到输水隧洞周边围岩的稳定性，进而影响输水隧洞的安全，图8～9为青塘隧道开挖前后输水隧洞周边围岩第一主应力图。

图8 青塘隧道开挖前水洞第一主应力

图9 青塘隧道开挖后水洞第一主应力

以上两图为青塘隧道开挖前后输水隧洞周边围岩第一主应力等色图的比较，从图中可以看出，输水隧洞周边围岩的第一主应力未出现拉应力，水洞与青塘隧道右洞交叉处拱顶应力增大约0.2%，水洞与左洞交叉处拱顶应力减小约1.5%。因此青塘隧道开挖后输水隧洞的第一主应力变化较小，且未出现拉应力。从第一主应力分析，青塘隧道开挖对输水隧洞影响较小。

第一主应力主要研究了青塘隧道开挖后输水隧洞周边围岩是否出现了拉应力，是否会造成输水隧洞拉裂破坏，图10～11为青塘隧道开挖前后输水隧洞周边围岩第三主应力图，主要研究青塘隧道的开挖引起输水隧洞周边围岩的压应力的变化。

图10 青塘隧道开挖前水洞第三主应力

图11 青塘隧道开挖后水洞第三主应力

以上两图为青塘隧道开挖前后输水隧洞第三主应力等色图的比较，从图中可以看出，输水隧洞及隧道周边围岩的第三主应力均为压应力，水洞周边最大围岩压力均小于4MPa，远小于Ⅳ级围岩抗压强度45MPa，水洞与青塘隧道右洞交叉处拱顶应力增大约1%，水洞与左洞交叉处拱顶应力增大约3%。因此隧道开挖后水洞的第三主应力变化较小，且小于围岩抗压强度，从第三主应力分析，青塘隧道开挖对输水隧洞周边围岩影响较小。

3.3 支护应力分析

上文中从输水隧洞周边围岩的位移和应力角度分析了青塘隧道开挖对输水隧洞的影响，图12～13为输水隧洞结构的第一和第三主应力图，主要分析青塘隧道开挖后输水隧洞结构上的应力。

图12 青塘隧道开挖后输水隧洞支护结构第一主应力

图13 青塘隧道开挖后输水隧洞支护结构第三主应力

从上图可以得出，青塘隧道开挖完成后，青塘隧道和输水隧洞支护结构均未出现拉应力，全部为压应力。输水隧洞上的压应力最大值为3.72MPa，远小于支护结构C25混凝土的设计强度12.5MPa，因此输水隧洞结构较安全。

4 结论

文章采用Midas/GTS有限元软件对青塘隧道上跨输水隧洞段进行模拟计算，从围岩的位移、围岩应力及隧洞支护应力等几方面进行了分析，得出以下几点结论:

(1)青塘隧道开挖引起了输水隧洞拱顶围岩上抬，上抬值较小，纵向上抬范围约为120m，为保证输水隧洞洞室安全，建议输水隧道在与青塘隧道交叉120m范围内加强支护。

(2)青塘隧道开挖后输水隧洞周边围岩未出现拉应力，并且最大压应力小于围岩自身强度，对输水隧洞围岩影响较小。

(3)青塘隧道开挖完成后，青塘隧道和输水隧洞支护结构均未出现拉应力，全部为压应力，压应力最大值未超过支护结构的承载能力，结构较安全。

(4)建议青塘隧道在开挖过程中加强对输水隧洞交叉段落的监控量测，进行动态施工。

[1]蔡路军,朱方敏,吴亮,等.上穿公路隧道爆破对下方供水隧洞的振动影响研究[J].公路工程,2015,40(3):28-32.

[2]丰土根,王瑞涛,靳永福,等.上下穿隧道对近邻隧道位移影响分析[J].第2届全国工程安全与防护学术会议,2010:415-418.

[3]蔡美峰.岩石力学与工程[M].北京:科学出版社,1997.

[4]中华人民共和国行业标准.JTG D70-2004,公路隧道设计规范[S].北京:人民交通出版社,2004.