高速公路近接既有引水隧洞施工及运营安全分析研究

钱蔷薇

中铁城市发展投资集团有限公司

1 引言

近年来，随着我国经济的快速发展和城市化进程的加快，各种交通、水利等基础设施建设迅速增加，新建高速公路、地铁隧道近接既有建筑物、小净距平行隧道、上下交叉隧道等形式的土木工程不断涌现。在高速公路、铁路及水利等工程修建过程中，如何保证既有结构物安全运营又要兼顾新建工程的施工安全，一直都是土木工程从业者所关注的问题并开展了大量的研究工作[1][2][3]。本文以某新建高速公路近接既有引水隧洞施工及运营为工程实例，采用ANSYS 有限元软件对最薄弱段结构安全数值模拟，分析对既有引水隧洞的影响。

2 工程概况

某新建高速公路设计路线两次交叉既有引水隧洞，隧洞宽3.4m，高4.6m。第一次交叉高速公路路基与引水隧洞之间的覆盖厚度最薄处只有8.6m，长度90m，第二次交叉高速公路路基与引水隧洞之间的覆盖厚度最薄处为15m，长度136m。高速公路路基填方及完工后的汽车荷载极有可能对隧洞结构稳定造成影响，而该引水隧洞作为水库用水的主要来源，如隧洞结构稳定出现问题，将对下游人民的生产生活造成不可估量的影响。能否准确合理地评价交叉处高速公路建设与运营期间对既有引水隧洞的影响，并对薄弱段提出合理可行的引水隧洞加固方案至关重要[3]。文章采用ANSYS有限元软件对路线交叉最薄弱处覆盖层厚度最薄处在施工及运营期不同工况下的隧洞结构安全进行了数值模拟分析，并对最薄处隧洞上部围岩固结灌浆加固后的隧洞结构安全进行复核评价，为新建高速公路施工运营及既有引水隧洞管理单位决策提供依据。

3 模型建立

3.1 有限元分析模型建立

路线交叉最薄弱处覆盖土层由下至上依次是引水隧洞浆砌片石、粉砂质泥岩及回填土。文章采用ANSYS 结构分析软件建立荷载-结构平面模型，分析薄弱处新建高速路基填方施工前、施工后、建成通车后三种工况下既有引水隧洞结构产生的应力应变。模型由引水隧洞浆砌片石衬砌及岩土层组成，模型土层采用实体单元solid45，隧洞结构衬砌采用壳单元shell63 进行模拟[4][5]。

3.2 计算参数选择

具体隧洞结构安全数值模拟分析所采用地质参数详见下表1，高速公路建成通车工况汽车荷载按JTG B01—2014《公路工程技术标准》公路Ⅰ级荷载设计。其中公路-Ⅰ级车道荷载的均布荷载标准值为：

集中荷载标准值Pk按JTG B01—2014《公路工程技术标准》第7.0.3条执行（见表1）。

表1 数值模拟计算主要参数表

4 计算结果分析

4.1 工况一(路基填方施工后）分析

4.1.1 隧洞结构稳定计算简图

图1 路基填方施工后隧洞结构稳定应力计算云图

4.1.2 计算结果

从上图1可以看出，隧洞衬砌的第一主应力以受压为主，最大压应力为0.87MPa，发生在隧洞底部左右两侧。最大拉应力约为0.34MPa，发生在隧洞底部。第三主应力也以受压为主，由于篇幅限制未列图示意，其最大压应力为4.01MPa,发生在隧洞底部左右侧。最大拉应力为0.04MPa,发生在隧洞底部。

因此高速公路路基填方施工后隧洞衬砌的最大压应力4.01MPa 小于8.8MPa，满足浆砌片石压应力设计要求，而最大拉应力0.34MPa大于0.3MPa，不满足浆砌片石设计应力要求，故高速公路施工后隧洞结构不稳定。

4.2 工况二（建成通车后）分析

4.2.1 隧洞结构稳定计算简图

图2 高速公路建成通车后隧洞结构应力计算云图

4.2.2 计算结果

从上图2可以看出，在高速公路建成通车后隧洞衬砌的隧洞衬砌的第一主应力以受压为主，最大压应力为0.9MPa，发生在隧洞底部左右两侧。最大拉应力约为0.36MPa，发生在隧洞底部。第三主应力也以受压为主，由于篇幅限制未列图示意，其最大压应力为4.18MPa，发生在隧洞底部左右两侧，最大拉应力为0.005MPa。

因此高速公路建成通车后隧洞衬砌的最大压应力4.18MPa小于8.8MPa，满足浆砌片石压应力设计要求，而最大拉应力0.36MPa 大于0.3MPa，不满足浆砌片石设计应力要求，故高速公路建成通车后隧洞结构不稳定。

通过上述结构安全模拟数值分析，无论是高速公路路基填方施工还是建成通车工况，隧洞结构都处于不稳定状态，如不进行处治加固，将带来严重的安全风险问题。文章根据长江科学院岩基研究所朱杰兵、景峰、尹建民针对三峡工程F215断层带灌浆试验研究成果[6]，采用对洞顶破碎围岩进行固结灌浆加固处治，将粉砂质泥灌浆固结后的弹性模量参数取为4GPa后再次对在建成通车工况下隧洞结构安全进行数值模拟分析。

4.3 固结灌浆后建成通车工况安全复核

4.3.1 隧洞结构稳定计算简图

图3 固结灌浆后建成通车后隧道结构应力计算云图

4.3.2 计算结果

从上图3可以看出，隧洞衬砌的第一主应力以受压为主，最大压应力为0.55MPa，发生在隧洞底部左右两侧。最大拉应力约为0.23MPa，发生在隧洞底部。第三主应力也以受压为主，由于篇幅限制未列图示意，其最大压应力为2.66MPa，发生在隧洞底部左右侧。最大拉应力为0.002MPa，发生在隧洞底部。最大压应力及拉应力均满足设计浆砌片石应力要求，隧洞结构安全。

5 结语

通过上述对引水隧洞在施工及运营期固结灌浆前后不同工况下的结构稳定数值模拟分析结果表明，采用对隧洞上部围岩进行固结灌浆处治，可以确保既有引水隧洞结构的安全运营，这也为类似新建高速公路近接既有隧道施工及运营安全提供一种处治方案。