过水隧洞近接公路隧道开挖的安全性分析

刘立权，戴道永，王建琼，马成斌

(1.河北省高速公路荣乌管理处，河北 保定 071000； 2.温州市瑞文高速公路有限公司，浙江 温州 325000；3.长安大学 陕西省公路桥梁与隧道重点实验室，陕西 西安 710064)

0 引 言

随着中国公路隧道建设的迅猛发展，同一场地区域内新建隧道与既有隧道大概率遭遇，且遭遇形式日益繁杂，如在空间位置上，有水平方向的小近距并行，竖直方向的近距离上下交叉、重叠等[1]。新建隧道邻近既有隧洞施工时，可能会对既有隧洞结构产生不利影响，严重影响既有隧洞的正常使用。

近年来，许多学者及科研机构针对新建隧道对既有隧洞的影响，在近接工程施工技术、施工影响分区等方面做了大量的研究。文献[2]以温福铁路瑁头岭隧道为依托工程，研究了近接隧道采用不同开挖方法施工后对围岩稳定性的影响；文献[3]以云南省盐津箬自水江三级电站下穿既有内昆铁路手扒岩隧道的工程为依托，研究得出了新建隧道施工引起的既有隧洞沉降及结构内力的变化规律，且基于结构强度准则做出了上下交叉隧道近接施工影响分区；文献[4]依据深圳市丹平快速路猫公坝隧道近距离上穿布吉供水隧道和东部引水隧道的工程实例，研究了新建隧道施工时既有隧道的变形及内力变化规律，并提出了使既有隧道安全性得到保证的数量化指标；文献[5]研究了东深供水隧道与上穿公路隧道交叉近距最小为21.5m的情况下，公路隧道开挖对供水隧道的影响；文献[6]探讨了过水隧洞内部无过水压力和有过水压力2种情况下的结构稳定性问题。

由于上下交叉隧洞近距不到1 m的工程参考实例和研究相对较少，本文以大庙山公路隧道上穿一近距仅为40～50 cm的过水隧洞为工程依托，采用MIDAS GTS软件进行数值模拟，分析公路隧道开挖引起的应力场变化及其对过水隧洞应力状态和变形的影响，就大庙山公路隧道开挖对过水隧洞的安全性影响进行评估，提出施工建议措施以保证过水隧洞结构的安全性，可为其他近接隧道施工提供参考。

1 工程概况

临夏双城发电站的过水隧洞位于高速公路隧道下方，其暗洞横断面尺寸为200 cm×200 cm,结构混凝土厚度为40～50 cm，明渠部分为矩形沟，常流水。该过水隧洞与大庙山隧道在隧道出口端约52°斜交，与左线隧道中线交叉桩号为ZK3+223.713，与右线隧道中线交叉桩号为K3+171.541，平面相对关系如图1所示。交叉段大庙山公路隧道和过水隧洞都属Ⅴ级围岩，岩体为强、中风化砂质泥岩，稳定性很差，且隧道出口走向与边坡呈小角度相交，属坡面斜交型。大庙山公路隧道左、右线开挖断面高约6.0 m，宽约11.3 m，过水隧洞在大庙山隧道仰拱下方，距离仰拱的下缘40～50 cm，给高速公路隧道的施工带来很大的困难。

图1 隧道与过水隧洞斜交

2 数值模拟及结果分析

2.1 计算模型及参数

根据该工程实际资料，建立交叉段的三维有限元模型，采用MIDAS GTS软件进行数值分析。通常情况下，隧道周围大于3倍洞跨以外的围岩受到隧道施工的影响很小，但考虑该隧道下部有过水隧洞，所以模型的范围为：模型底部取过水隧洞底部以下20 m；隧道顶部至模型上部边界为20 m；以交叉中心点沿过水隧洞方向前后各取35 m,沿过水隧洞中心线左右向外各取15 m。模型尺寸为：长120 m，宽30 m，高48 m。大庙山隧道开挖有限元模型如图2所示。

图2 大庙山隧道开挖有限元分析模型

该模型主要分析大庙山隧道开挖后，围岩应力重分布对下方过水隧洞结构安全性的影响情况。该分析模型荷载主要考虑重力荷载；边界条件由MIDAS GTS自动判断模型的外围区域后生成；地质状况从上到下依次为强风化砂质泥岩、中风化砂质泥岩；衬砌混凝土结构参数按已有资料选取；计算中各材料均采用弹性材料。选取的岩土层基本力学参数及衬砌模型参数如表1所示。

表1 计算模型的主要物理力学性质

2.2 计算结果及分析

2.2.1 过水隧洞初始状态

图3 过水隧洞围岩初始应力

图4 过水隧洞衬砌初始应力

公路隧道未开挖之前，过水隧洞运行正常，将此时的状态定义为初始状态。本文通过分析公路隧道开挖前后过水隧洞的应力和变形状态，研究上方公路隧道开挖对过水隧洞安全性的影响。供水隧洞围岩和衬砌初始应力状态如图3、4所示，图中拉应力为正值，压应力为负值。

从图3、4可以看出：过水隧洞围岩初始应力状态以压应力为主；过水隧洞衬砌在拱底出现拉应力，最大值为0.24 MPa,位于拱底约1/4位置；小主应力全为压应力，最大压应力出现在过水隧洞边墙正中位置，约为3.10 MPa；过水隧洞衬砌应力均未超过结构安全允许值。

2.2.2 公路隧道开挖的影响分析

大庙山隧道的开挖会导致过水隧洞围岩应力场重分布，形成二次应力场，继而引起过水隧洞初始状态的变化，对过水隧洞结构的安全有巨大影响。本文就公路隧道开挖成型后过水隧洞的应力及变形进行模拟，进而分析大庙山隧道开挖对过水隧洞结构安全性的影响。

大庙山隧道开挖后过水隧洞围岩和衬砌结构的变形如图5、6所示。由图可知，交叉段位置围岩的竖向位移明显较水平向位移大；过水隧洞衬砌拱顶的最大变形为17.8 mm，且拱顶变形较边墙变形小，主要原因是公路隧道的开挖对隧洞拱顶具有卸荷作用。总体来说 ，过水隧洞围岩变形大于隧洞衬砌变形。

可见，大庙山隧道开挖对下方过水隧洞衬砌变形影响较大；因此，评估过水隧洞结构的安全性、对变形进行分析十分必要和关键。

图5 过水隧洞围岩变形

图6 过水隧洞衬砌变形状态

大庙山隧道开挖后，过水隧洞衬砌的应力状态如图7所示。

图7 过水隧洞衬砌应力

比较大庙山公路隧道开挖前后过水隧洞衬砌应力状态(图7)可知：过水隧洞衬砌结构的最大拉应力和最大压应力分别增加了约3.1倍和1.2倍，但都未超过规范中C20混凝土标准强度值限制(C20混凝土抗压强度标准值为13.5 MPa，抗拉强度标准值为1.5 MPa)。考虑到大庙山公路隧道围岩较弱及跨度较大，建议采用CD法施工，避免隧洞在上方公路隧道施工期间发生破坏。过水隧洞边墙和拱底应力较大，必须采取措施加固地基。

2.2.3 结果分析

经过对过水隧洞衬砌结构变形和应力状态的分析，得出如下结论。

(1)大庙山公路隧道开挖后，交叉段位置围岩竖向位移较水平向位移大；过水隧洞边墙变形明显大于拱顶变形，主要原因是公路隧道的开挖对隧洞拱顶具有卸荷作用。

(2)大庙山隧道开挖对下方过水隧洞衬砌变形影响较大。评估过水隧洞结构的安全性时，对变形进行分析十分必要。

(3)大庙山公路隧道的开挖对过水隧洞产生很大的附加应力，过水隧洞拉应力和压应力都显著增加，最大拉应力由0.24 MPa增加到0.73 MPa，最大压应力由3.1 MPa增加到3.7 MPa。

(4)过水隧洞围岩变形大于隧洞衬砌变形，说明过水隧洞的围岩对开挖的敏感性较衬砌结构更大。

(5)过水隧洞和上方分离式公路隧道之间的间距仅为40～50 cm，过水隧洞在公路隧道开挖作用下，其结构变形和承受的应力都增大，为保证过水隧洞衬砌结构的稳定性和安全性，必须采取有效措施。

3 工程加强措施

3.1 上穿隧道的加固

(1)设置隧道加强段。左线隧道与过水隧洞呈较小角度交叉，上穿公路隧道与过水隧洞交叉段较长。为保证上穿公路隧道结构的安全，建议将交叉桩号前后各15 m设为加强段。右线隧道与过水隧洞基本呈垂直交叉，建议将交叉桩号前后各10 m设为加强段[7-9]。

(2)增强加强段主要支护参数。初喷将C25早强混凝土变为C30早强混凝土，厚度为26 cm；I20a工字钢钢架间距从75 cm调整至50 cm；仰拱厚度由50 cm调整为60 cm；二衬仰拱的纵向配筋由原设计的Φ14 mm调整为Φ22 mm，间距和数量不变[10-13]。

3.2 过水隧洞的加固

该过水隧洞已运营多年，进入过水隧洞勘察，其衬砌边墙局部存在裂缝且有少量渗漏水情况，为保证施工尽量少地影响过水隧洞，建议将过水隧洞的加固分为2个阶段。

(1)施工加强段前，应先对过水隧洞进行临时加固。可采用直径15～20 cm的方木或杂木支撑在过水隧洞中心的最高处，间距以100 cm左右为宜[14]。

(2)施工隧道出口左、右线与过水隧洞的交叉段时，仰拱下地基采用注浆加固。注浆管采用Φ89 mm×5 mm的钢花管，每根钢花管长度为500～600 cm，布置在过水隧洞边界两侧，距离过水隧洞外边界的距离为100、200、300 cm，钢花管的横向间距为150 cm；保证钢花管上端外漏30～40 cm，锚固于仰拱内，端头与仰拱内钢筋焊接成整体；待仰拱及以上的填充层采用C30混凝土浇筑完成，整体形成盖板以保证过水隧洞的安全[15]。

4 结 语

(1)经实际勘察过水隧洞现运行安全。过水隧洞在上方大庙山公路隧道的开挖作用下，拱顶最大变形为17.8 mm，且边墙变形明显大于拱顶变形。

(2)过水隧洞在公路隧道开挖形成的二次应力场中，拉应力和压应力都显著增加，最大拉应力由0.24 MPa增加到0.73 MPa，最大压应力由3.1 MPa增加到3.7 MPa。可见，大庙山公路隧道的开挖对过水隧洞产生很大的附加应力。

(3)上方公路隧道开挖时，过水隧洞围岩也会产生较大变形，但由于围岩的刚度显著小于过水隧洞，其变形敏感性较高。

(4)大庙山公路隧道开挖必然对过水隧洞的结构安全性产生较大影响。实际施工时，交叉段尽量采用人工开挖，采用提高喷射早强混凝土标号、减小型钢拱架间距、调整二衬纵向配筋等措施加强公路隧道支护；采用钢花管注浆加固仰拱下地基等施工工艺加固过水隧洞；同时，为避免渗漏水对过水隧洞的影响，可在仰拱下铺设两层防水板。