某分洪隧洞工程下穿高速公路交通隧道结构安全分析

欧阳丽，樊 波，崔允亮，陈格君

（1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311122；2.浙江省交通规划设计研究院有限公司，浙江 杭州 310031；3.浙江大学城市学院，浙江 杭州 310015）

1 问题的提出

在水利、交通、市政等工程建设中，新建隧道临近既有建筑物的近接工程越来越多。尤其是新建隧洞平行或交叉穿越既有隧洞的情况，由于施工条件复杂，新建隧洞施工严重影响既有隧洞的安全。广大工程技术人员在新建隧洞近接施工影响方面进行广泛和深入的研究。例如：新建福建晋江引水隧洞小角度下穿既有上行石狮专用引水隧洞，杨成全等[1]对该工程爆破施工对既有隧洞的振动影响进行监测和数值模拟；温福铁路琯头岭隧道在DK280+950 m ～ DK281+100 m段下穿同三高速公路琯头岭隧道，雷位冰[2]将数值模拟结论作为制定施工方案的重要参考，通过计算确定分部开挖几何形状及钻爆方案，杨奎等[3]也对该工程进行施工力学模拟；新建的大望山公路隧道从既有沙湾供水隧洞上方穿过，蔡路军[4]应用ANSYS/LSDYNA对其进行数值模拟指导工程监测。此外，有许多学者对隧洞穿越临近既有构筑物的情况进行数值模拟和施工技术研究[5-9]，为工程施工提供重要参考，但对于大断面水工隧洞下穿高速公路隧道方面的研究鲜有报道。

新建阮家洋溪分洪隧洞近距离下穿既有台金高速长石隧道。分洪隧洞设计流量100 m3/s，长度3.4 km，进口底板高程9.50 m，出口高程-4.65 m，城门洞形。其中下穿高速路段纵剖面整体采用“倒虹吸”布置型式，隧洞采用喷锚支护和钢筋混凝土衬砌，断面为14.00 m（净宽）×14.00 m（净高）。既有高速公路交通隧道为分离式单向行车双车道隧道，左右洞轴线间距40.00 m，路面设计高程为11.00 m，断面净空面积为68.6 m2，隧道建筑限界净高5.00 m。隧道建筑限界净宽：行车道为 2×3.75 m，路缘带为2×0.75 m，侧向余宽为2×0.50 m，检修道为0.75 m（单侧，单洞行车前进方向左侧）。衬砌结构按新奥法原理，采用复合式支护结构形式。初期支护以锚杆、钢筋网及喷射混凝土组成联合支护体系，二次衬砌采用模筑混凝土结构，初期支护与二次衬砌之间设防水排水夹层。隧道路面面板厚度26 cm，采用C40混凝土。

交叉部位分洪隧洞底板高程为-28.80 m，拱顶距离交通隧道路面的距离为25.80 m，考虑分洪隧洞衬砌厚度和交通隧道下部排水管，分洪隧洞与既有公路隧道结构物之间的最小距离为23.50 m。

交通隧道较为繁忙，下穿分洪隧洞施工需严格保护并进行详细监测，一旦影响交通隧道安全，将造成较严重的社会影响。本文拟通过建立有限元模型，分别进行隧洞开挖静力有限元分析，初步评估分洪隧洞开挖对高速公路交通隧道结构安全的影响，以及分洪隧洞自身衬砌应力变形和围岩石稳定性。

2 有限元模型建立

2.1 有限元模型基本假设

本此三维模拟分析建立在以下基本假定的基础上：

（1）忽略地下水的渗透作用，围岩本身变形与时间无关；

（2）围岩为各向同性、连续的弹塑性材料，服从莫尔 — 库伦屈服准则；

（3）隧道与围岩紧密接触，即在变形过程中，隧道与围岩不产生相对滑动或脱离；

（4）喷射混凝土与围岩，喷射混凝土与二次衬砌均采用变形协调计算的方法；

（5）在分洪隧洞开挖前模型位移为零。

2.2 几何模型

大量研究表明，隧道外宽度在3倍洞径以上时，施工效应对围岩的影响已经不明显。因此，本文模型宽度取隧道轴线两侧距离大于3倍隧道直径。模型底部距离分洪隧洞底部取60.00 m，模型顶部为根据地形图建立的实际地形。根据前面确定的计算区域范围及当地地形资料，建立的模型为140.00 m×130.00 m×330.00 m的长方体（见图1）。采用植入式桁架模拟锚杆，采用实体单元模拟初次衬砌和二次衬砌结构。划分的模型网格及分洪隧洞与交通隧道空间位置关系见图1 ～ 2。采用荷载组中面荷载施加在高速公路表面单元模拟高速公路荷载。

图1 整体模型图

图2 分洪隧洞与交通隧道空间位置关系图

2.3 数值计算材料物理力学参数

本工程地貌属沿海丘陵区，地形起伏较大，植被较发育，覆盖层厚度不大。沿线主要出露侏罗系上统九里坪组（J3j）流纹质角砾熔结凝灰岩。隧洞与既有公路隧道交叉处围岩为Ⅱ ～ Ⅲ级围岩。分洪隧洞洞室多位于地下水以下，中风化岩体以弱 ～ 微透水性为主，地下水活动总体较弱，初判不会产生大涌水。既有隧道洞室多位于地下水位以上，据现场调查，未发现渗水现象。

初期支护采用普通砂浆锚杆（直径25 mm，长4.50 m；直径28 mm，长6.00 m），间距200 cm×150 cm，入岩4.40 m和5.90 m，梅花形布置，系统挂网，喷C30混凝土厚15 cm。数值模拟中锚杆采用植入式桁架单元，喷混凝土和二次衬砌采用实体单元。

基于以上分析并结合JTG D70/2 — 2014《公路隧道设计规范》的规定，参与有限元计算材料的本构模型及物理力学参数见表1。

表1 计算材料本构模型力学参数表

2.4 施工步序模拟

分洪隧洞下穿高速公路交通隧道段采用分3层开挖，短进尺（2.50 m）、弱爆破、勤支护（初期支护及时跟进，衬砌支护滞后爆破开挖面30.00 m）的施工方法。本次模拟采用不同断面多次模拟，研究分洪隧洞开挖至不同位置时对交通隧道的影响。

关于荷载释放率，参照以往隧道施工经验，隧道开挖后围岩应力并不是一次释放完毕，而是随时间缓慢释放。在数值模拟过程中，为反映围岩应力释放过程，更准确地模拟隧道开挖对既有隧道的影响，在设置施工荷载释放比例时，按照开挖阶段围岩应力释放50%，初期支护施做后释放25%，二次衬砌后释放25%进行控制。

3 分洪隧洞围岩及衬砌应力变形分析

分洪隧洞开挖完成后，隧洞围岩向隧洞内发生位移，隧洞围岩竖向位移云图见图3，从图3中可以得出拱顶围岩变形最大，最大竖向位移为9.00 mm。另外计算结果表明围岩最大水平位移为3.49 mm。由此可见，隧洞围岩变形量较小，采用台阶式开挖法，可以显著控制隧洞围岩变形。

图3 分洪隧洞围岩竖向位移云图

分洪隧洞开挖完成后围岩最大主应力在拱腰部位集中，最大主应力为9.23 MPa，小于围岩的极限承载能力；最小主应力为拉应力，最大值为0.17 MPa，小于围岩的极限抗拉强度。根据计算结果，分洪隧洞的开挖未引起围岩的塑性变形。喷射混凝土沉降量沿横向基本呈对称分布。其中，顶部沉降最大，侧墙底部出现小幅向上位移。喷射混凝土最大变形量9.00 mm，高速公路车辆运行荷载由于传递距离较远，对分洪隧洞隧道喷射混凝土的变形影响较小。

图4为二次衬砌横截面变形云图。结果表明，二次衬砌竖向位移沿横向基本呈对称分布，其中，顶部沉降最大，侧墙底部和底板出现向上位移。为反映二次衬砌沉降量沿分洪隧洞轴线的变化情况，选取分洪隧洞顶部衬砌变形沿隧洞轴向方向变化（见图5）。可以得出，二次衬砌最大变形量9.10 mm，变化趋势与喷射混凝土变形接近。高速公路车辆运行荷载由于传递距离较远，对分洪隧洞二次衬砌的变形影响较小。

图4 二次衬砌横截面变形云图

图5 二次衬砌变形沿隧道轴线方向变化图

图6为开挖完成时分洪隧洞衬砌结构最大主应力分布图。从图6中可以得出，隧洞开挖完成时分洪隧洞衬砌结构最大主应力出现在侧墙位置，大小为1.79 MPa，小于衬砌结构的极限承载能力；另外根据计算结果最小主应力为拉应力，最大值为0.24 MPa，小于衬砌结构的极限抗拉强度。

图6 二次衬砌结构最大主应力分布图

4 高速公路交通隧道应力变形分析

4.1 交通隧道衬砌结构应力分析

图7为分洪隧洞开挖完成时交通隧道衬砌结构最大主应力分布图。从图7中可以得出，隧道开挖完成时交通隧道衬砌结构最大主应力出现在拱腰位置，大小为9.61 MPa，小于衬砌结构的极限承载能力；根据计算结果最小主应力为拉应力，最大值为0.17 MPa，小于衬砌结构的极限抗拉强度。

图7 衬砌结构最大主应力分布图

4.2 交通隧道锚杆轴力分析

图8为隧道开挖完成时锚杆轴力分布图。从图8中可以得出，隧道开挖完成时锚杆最大拉力为111.5 kN，出现在开挖面顶部，而开挖面两侧锚杆拉力在40.0 kN以下。锚杆轴拉力均小于锚杆的极限承载能力，且有一定的安全储备。

图8 锚杆轴力分布图

4.3 交通隧道衬砌结构变形分析

图9 ～ 10为交通隧道左右线竖向变形云图。结果表明，左右线最大竖向变形发生位置和大小基本一致。从位置上可得出，最大竖向变形发生在阮家洋溪分洪隧洞与交通隧道左右线的轴线交点处。左线最大竖向变形为2.67 mm，右线最大竖向变形为2.90 mm。另外，根据图9 ～ 10，交通隧道左右线衬砌结构拱顶最大竖向位移分别达到2.06 mm和2.09 mm。图11为交通隧道左右线底板中点随分洪隧洞开挖过程产生的竖向位移图，图12为交通隧道随分洪隧洞开挖发生水平向位移图。由于阮家洋溪分洪隧洞推进方向为从交通隧道左线至右线，因此右线衬砌变形滞后于左线。

图9 交通隧道左线竖向变形云图

图10 交通隧道右线竖向变形云图

图11 交通隧道随分洪隧洞开挖竖向位移曲线图

图12 交通隧道随分洪隧洞开挖水平向位移曲线图

5 结 论

本文通过建立有限元模型，进行隧洞开挖静力有限元分析，评估分洪隧洞施工对高速公路交通隧道结构安全的影响，以及分洪隧洞自身衬砌应力变形和围岩石稳定性。得到结论如下：

（1）分洪隧洞拱顶围岩变形最大，拱顶最大竖向位移为9.00 mm，隧洞最大水平位移为3.49 mm。由此可以见隧洞围岩变形量较小，采用台阶式开挖法，可以显著控制隧洞围岩变形，阮家洋溪分洪隧洞衬砌和围岩安全稳定。

（2）分洪隧洞锚杆轴力、衬砌最大拉应力和最大压应力、围岩最大拉应力和压应力等均小于其材料强度，并具有较大的安全余度。

（3）根据有限元分析交通隧道最大竖向变形为2.90 mm，最大水平变形为0.68 mm，拱顶沉降约2.10 mm，可见分洪隧洞开挖对交通隧道变形影响微小，不影响交通隧道结构安全。

（4）交通隧道锚杆轴力、衬砌最大拉应力和最大压应力、围岩最大拉应力和压应力等均小于其材料强度，并具有较大的安全余度。