大断面隧洞上穿既有隧洞结构安全分析

陈 忠

(德州黄河河务局，山东 德州 251100)

0 引 言

随着我国交通建设的迅速发展，新建隧道越来越多。在有限的空间内，难免会出现隧道交叉或穿越既有隧道的工程，由于山体隧洞一般采用爆破方法，因此很容易对既有隧道造成不利影响[1-2]。

针对新建隧洞可能对既有隧洞造成的影响，大量学者开展了研究。刘立权等对比分析了公路隧道开挖前后对下部既有隧洞的位移和应力影响。张武基于数值模拟，研究了公路隧道开挖对既有隧洞衬砌结构位移和应力的影响[3-4]。刘晓强等基于理论推导和利息及试验，对比分析了隧道穿越工况下既有管线隆沉变形的计算方法，并验证了方法的可靠性[5]。丁玉仁分析了了爆破开挖振动对既有衬砌结构的影响[6]。这些研究均表明，新建隧道会对既有隧道产生一定的影响。

文章基于数值模拟方法，模拟了新建隧洞开挖以及爆破荷载对既有隧洞的影响，获得了了隧洞受力情况、变形特征以及隧洞衬砌动力响应。

1 工程概况

某水利工程隧洞项目主体主要包括引、排水隧洞，供、排水渠及对外交通等建筑物(图1)，其中新建隧洞与既有隧洞方向垂直交叉，排水隧洞断面形状为拱形，隧洞宽11.5m，高7.4m，新建隧洞与既有隧洞围岩最小厚度仅为6.5m。新建隧洞采用喷射C25钢纤维混凝土，厚度为22cm，模筑采用C25 F50钢筋混凝土，厚度为50cm，拱顶采用间距为0.5m，7根φ25mm的中空注浆锚杆，布置方式为梅花形，长度为4.5m/6m，边墙采用间距1m、φ25mm砂浆锚杆，长度同上。底板采用φ25mm普通锚杆，间距2m，长度4.5m，梅花形布设。支护方式为φ42注浆小导管超前护，长度、间距及排距分别为4.5m、0.4m和2.4m。此外，既有引水隧洞内径3.16m，衬砌方式为喷射12cm的C25混凝土浆液。

图1 排水隧洞和引水隧洞相互位置

由于到引水隧洞的运营会影响到市区的供水，二排水隧洞在施工过程中也会对引水隧洞产生较大影响，因此文章结合小断面控制爆破开挖放啊，基于数值模拟，考虑隧洞穿越引起的应力重分布及宝珀振动影响，分析新建和既有隧洞的动力响应及围岩稳定性，在此基础上对实际方案进行可行性论证，文章的研究对于相似工程具有实际指导意义。

2 施工方案

根据设计施工方案，排水隧洞与引水隧洞交叉处采用控制爆破法，长度为前后各80m，开挖顺序为，排水隧洞下游向上游开挖。由于开挖可能引起引水隧洞的不稳定，因此文章提出采用，分层分块小断面爆破方法，该方法总共分4层，每块开挖断面<5 m2。该方法可有效控制施工安全，具体开挖顺序见图2。此外，为减小爆破振动对引水隧洞的影响，文章采用浅孔凿岩爆破，短进尺多循环方法，开挖规模为单循环进尺2.0 m，最大单段起爆药量4kg。

图2 开挖顺序

3 有限元模拟

3.1 基本假设

为计算方便，文章做了以下合理假定：①不考虑地下水作用；②围岩体假定位为各向同性、连续的理想弹塑性材料；③隧洞与围岩紧密接触；④围岩与混凝土以及混凝土与二次衬砌满足变形协调；⑤新建排水隧洞开挖前位移为0。

3.2 几何模型与网格划分

文章数值计算模型见图3。其中衬砌单元采用壳单元，岩体采用实体单元，锚杆采用桁架单元。为了计算速度更快，网格划分时，在隧洞周围进行加密，远离隧洞位置，网格交稀疏。

(a)整体模型 (b)隧洞相对位置

3.3 计算参数

参考目前研究内容，文章采用的材料本构模型以及各材料的物理力学参数见表1。值得注意的是，模型的x轴与新建隧洞平行，y轴与既有隧洞平行，z轴竖直向上。

文章材料本构模型及力学参数见表1。在模型中，x平行于新建隧洞方向，y平行于既有隧洞方向，z竖直向上。

表1 材料本构模型参数

3.4 隧洞开挖静力分析

研究表明，通常隧洞开挖后围岩应力是随时间缓慢进行的。为了反映该过程更精确的模拟新建隧洞对既有隧洞的影响，文章在数值模拟中，按比例对施工荷载进行释放，其中开挖、初期支护和二衬阶段的比例分别为50%、25%、25%。

施工步骤模拟如下：①激活围岩、初砌、二砌以及新建隧洞，在此基础上，添加自重和约束，清零位移；②分别对新建隧洞上层开挖土体、中部开挖土体以及下部开挖土体进行钝化，荷载释放系数均取为0.5、0.25；③激活隧洞喷射混凝土和锚杆，并改变喷射混凝土属性，模拟初次衬砌形成；④激活滞后二次衬砌，并改变属性模拟二次衬砌形成。

3.5 隧道爆破模拟

文章对隧洞爆破模拟采用黏性边界理论，通过曲面弹簧建立边界条件，在此基础上添加时程函数对冲击荷载进行模拟。分别得到各个分块爆破施工导致的下方既有引水隧洞振动速度，验证其是否满足安全规程。此过程中，需做以下合理假设：①爆破荷载为均布荷载并垂直作用在隧洞壁；②计算时长取0.2 s。

根据公式，在计算爆破压力时，相关参数取值为：爆破荷载系数为16337，爆破速度为3000 m/s，装药直径为33 mm，装药孔直径为41 mm，火药重度为12.2 kN/m3。

4 模拟结果与分析

4.1 新建排水隧洞围岩变形及应力分布

图4为新建隧洞开挖后围岩的竖向位移云图结果，结果表明，新建隧洞会对既有隧洞产生影响，即使既有隧洞围岩向内发生变形，其中拱顶变形最大，最大的竖向和水平位移分别为23.1mm和1.90mm。综合来看，围岩变形较小，此外模拟结果表明，围岩最大的压应力和最大拉应力分别为7.21MPa和0.36MPa，远远小于其极限承载力，结果是安全可靠的。

图4 新建隧洞围岩竖向位移云图

4.2 新建排水隧洞衬砌变形分析

图5汇总了新建排水隧洞衬砌变形图，结果表明，拱顶衬砌发生一定的沉降，沉降值为8.61mm，而拱底也产生23.2mm的隆起。根据图5表明，最大沉降和隆起均发生在新建隧洞与既有隧洞交叉位置处，因此在施工时应注意，交叉位置处的变形，应采取一定的控制措施。

图5 新建排水隧洞拱顶和拱底隆起曲线图

4.3 既有隧洞衬砌应力及变形

绘制出了新建隧洞开挖完成后既有隧洞的竖向位移曲线和水平位移曲线见图6。结果表明，新建隧洞和既有隧洞在交叉位置处的竖向和水平位移达到最大值，此外，既有隧洞拱顶发生一定的隆起。隆起量为6.3mm，既有隧洞拱腰发生水平位移，位移量为0.76mm，说明，新建隧洞开挖对既有隧洞变形影响比较小，可以忽略。另外，既有隧洞变形较大的范围发生在交叉位置前后15m范围内，而变形较小范围约在交叉位置前后15-35m范围内。

图6 既有引水隧洞竖向及水平向位移曲线

有限元获取得到了新建隧洞开挖后既有隧洞的应力、轴力、弯矩和剪力，结果表明，既有隧洞最大压应力为30MPa，小于其极限承载力；最大轴力和剪力为3618和14.0kN，最大弯矩为11.5kN·m，证明满足安全要求。以上结果表明，新建隧洞对既有隧洞有一定影响，但满足安全要求，在施工中可通过控制新建隧洞围岩变形减小影响范围。

4.4 爆破施工引起的衬砌应力及变形

文章截取了典型分块1、4、6和8为研究对象，提取出各分块爆破导致的既有隧洞在不同时间段质点振动速度曲线以及各分块爆破引起的个测点最大质点振动速度见图7和表2。结果表明，8号分块引起的既有隧洞各测点最大振动速度>1、4和6。此外既有隧洞产生的振动速度最大位置位于拱顶处，最小位置位于拱底处。最后，8号分块爆破队既有隧洞产生的影响最大，其中拱顶、拱底以及拱腰最大质点速度分别为0.59 cm/s、0.43 cm/s和0.25cm/s。满足爆破影响水工隧洞质点振动速度要求。

图7 分块8爆破时既有隧洞质点振动速度曲线

表2 各分块爆破引起的各测点最大质点振动速度

5 结 论

文章基于数值模拟方法，模拟了新建隧洞开挖以及爆破荷载对既有隧洞的影响，获得了了隧洞受力情况、变形特征以及隧洞衬砌动力响应，得到以下几点结论：

1)新建隧洞施工及围岩变形对下方既有隧洞会产生一定的影响，但满足既有隧洞结构安全要求，通过施工中控制新建隧洞围岩变形，可以减轻对既有隧洞的影响。

2)有限元数值模拟结果表明，文章提出的层分块小断面控制爆破方法能够有效降低对新建大断面隧洞上穿对既有隧洞的影响，分析结果表明爆破引起的最大质点振动速度满足爆破安全规程规定，所提方法能够确保既有隧洞的结构安全。