隧道穿越既有过水洞的最小安全距离研究

(湖南省交通规划勘察设计院， 湖南 长沙 410008)

隧道穿越既有过水洞的最小安全距离研究

陈玺光

(湖南省交通规划勘察设计院， 湖南 长沙 410008)

新建隧道从过水洞下方穿过，且过水洞衬砌内部水压力较大，通过数值计算，且考虑新建隧道仅在常规支护型式下，探讨了新建隧道与水洞之间的距离分别为3、4、5、6 m时水洞衬砌结构的应力与位移，并参考一定的标准，得出隧道与水洞之间的最小安全距离为5 m，对类似的工程有一定的借鉴意义。

隧道； 过水洞；安全距离； 应力； 位移

1 工程简介

某二级路隧道从过水洞下方穿过，见图1、图2，过水洞衬砌为C20混凝土结构，直径为4 m，厚0.3 m，埋深5.2 m，水洞内部水压力较大(下文会计算出水压力)，区域范围内围岩从上而下依次为全风化粉砂岩、强风化粉砂岩、中风化粉砂岩；新建隧道的开挖会对过水洞产生影响，如果隧道与过水洞之间的距离D过小，过水洞衬砌可能会因为新建隧道的开挖而遭到破坏，导致水洞内部的水扩散至隧道开挖区域，而粉砂岩遇水软化，这对新建隧道非常不利。因此，在新建隧道设计过程中要确定D的最小值，以确保整体工程更安全、更经济。

图1 平面

图2 立面

本文通过计算来探讨D的最小值，新建隧道衬砌见图3(仅考虑常规支护)，开挖方法为双侧壁导坑法，且仅考虑常规的超前小导管支护，见图4，当D分别为3、4、5、6 m时，分别得出新建隧道开挖完之后过水洞衬砌的应力及位移，并参考以下2个标准来确定D的最小值。

1)过水洞衬砌结构为C20混凝土，抗拉强度低，为了保证结构不破坏，结构应力按抗拉控制，抗拉力为1.1 MPa。

2)过水洞衬砌结构竖向位移不大于10 mm，可作为结构的控制标准的参考。

图3 隧道衬砌(单位： cm)

图4 开挖方法

图4开挖方法为：开挖①部分，并施做①部分临时支护、径向锚杆、初期支护；开挖②部分，并施做②部分临时支护、径向锚杆、初期支护；开挖③部分，并施做③部分临时支护、径向锚杆、初期支护；依次开挖④⑤⑥部分。

2 过水洞衬砌内部水压力的计算

过水洞衬砌内部水压力按以下公式计算：

(1)

(2)

R=A/ρ

(3)

式中：P为水压，N/m2；γ为水的密度,可取103kg/m3；，k取0.6～0.8；v为流速,m/s；n为沟壁粗糙系数，可取0.013；R为水力半径,m；A为过水断面面积,m2；ρ为过水断面湿周，m；I为水力坡度，可取用沟的底坡。

根据式(1)～式(3)，可得:

(4)

本文中n取0.013，k取0.7，γ取103kg/m3，水力坡度I为4%，过水断面面积A为12.56 m2(满管)，过水断面湿周ρ为12.56 m(满管)，代入式(4)，得出P=246 kN/m2。

3 数值计算

3.1 计算工况

本文按以下4种工况进行计算，见表1 。

表1 计算工况工况名具体情况工况1隧道与过水洞之间的距离为3m工况2隧道与过水洞之间的距离为4m工况3隧道与过水洞之间的距离为5m工况4隧道与过水洞之间的距离为6m

3.2 材料参数及计算模型

采用midas gts-nx进行计算，围岩、隧道初期支护采用实体单元进行模拟，水洞衬砌、隧道二衬采用板单元进行模拟，锚杆、小导管采用植入式桁架单元进行模拟，材料参数见表2。模型X方向为52.6 m、Y方向30 m、Z方向37.3 m，水洞衬砌内部施加P=246 kN/m2的均布法向荷载，计算模型见图5所示。

表2 材料参数表材料单元类型模型类型弹性模量E/(105kN·m-2)隧道衬砌板单元弹性310水洞衬砌板单元弹性280全风化砂岩实体单元摩尔库伦5强风化砂岩实体单元摩尔库伦10中风化砂岩实体单元摩尔库伦60泊松比ν容重γ/(kN·m-3)容重(饱和)/(kN·m-3)粘聚力c/MPa摩擦角ϕ/(°)0．2260．2250．41．92．20．02250．3522．10．1300．32．1210．335

图5计算模型

3.3 计算结果分析

3.3.1 水洞衬砌应力分析

通过计算，分别得出水洞衬砌在4种工况下应力(含变形情况)，见图6。

1)工况12) 工况2

3) 工况34) 工况4

从图6中可以看出，由于水洞衬砌内部水压力较大，衬砌结构以拉应力为主，新建隧道开挖完之后，水洞衬砌应力值发生在中间下部(与隧道正交部分)，且为拉应力，4种工况作用下最大拉应力值分别为2.16、1.43、1.05、0.87 MPa可以看出当D越小时，拉应力值就也大，根据上文第1节的参考标准“1)”可以看出，工况3作用时拉应力值小于1.1 MPa，也就当D=5 m时能满足要求。

3.3.2 水洞衬砌位移分析

通过计算，分别得出水洞衬砌在4种工况下竖向位移(含变形情况)，见图7。

1)工况12) 工况2

3) 工况34) 工况4

从图7中可以看出，水洞衬砌竖向位移最大值发生在中间下部(与隧道正交部分)，4种工况作用下最大位移值分别为6.02、4.42、1.86、1.12 mm，当D逐渐增大时，竖向位移值在减小，根据上文第一节的参考标准“2)”可以看出，4种工况作用下均满足要求。

从隧道衬砌应力及竖向位移两个方面分析可知，当新建隧道仅在常规支护型式下时，新建隧道与过水洞之间的最小安全距离为5 m。

4 结论及建议

新建隧道从过水洞(内部有水压)下方穿过，为保证过水洞衬砌的安全，新建隧道与过水洞之间距离D不能过小，本文探讨了新建隧道仅在常规支护状态下D的最小值，结论有：①通过理论公式计算出水洞衬砌内部水压力值为P=246 kN/m2；②通过数值计算，探讨了当D分别为3、4、5、6 m时水洞衬砌结构最大拉应力及竖向位移均发生在衬砌中间下部(与隧道正交部分)，应力值分别为2.16、1.43、1.05、0.87 MPa，位移分别为6.02、4.42、1.86、1.12 mm，结合文章的参考标准，可以得出D的最小值为5 m。

本文的建议有：在本文中，新建隧道采用双侧壁导坑法进行施工，衬砌仅考虑常规支护，没有采用特殊的加固措施，这时最小安全距离可按5 m进行考虑，如果对新建隧道与过水洞之间的岩层进行注浆加固，只要注浆加固做扎实，那么最小安全距离可能能达到4 m甚至更小，不过实际施工中，往往注浆加固做得不是很到位，注浆加固的效果不怎么好；另外如果采用其它开挖方法，最小安全距离可能又不一样，因此为了安全起见，本文研究新建隧道在双侧壁导坑法下且仅在常规支护型式下的最小安全距离，对类似的工程有一定的借鉴意义。

[1] 李强，曾德顺．新隧道垂直穿越已建隧道的计算分析[J]．地下工程与隧道，2001(2):14-18．

[2] 陶连金，孙斌，李晓霖.超近距离双孔并行盾构施工的相互影响分析[J].岩石力学与工程学报，2009，11(9):124-125.

[3] 张玉军, 刘谊平.上下行隧道立交处围岩稳定性的有限元计算[J].岩土力学, 2002, 23(7): 511- 515.

[4] 孙均，刘洪洲.交叠隧道盾构法施工土体变形的三维数值模拟[J].同济大学学报，2002，30(4):379-385．

1008-844X(2017)03-0177-03

U 452.2

A

2017-02-13

陈玺光(1981-)，男，工程师，主要从事公路工程设计工作。