朱方敏， 蔡路軍， 韓　芳， 吳　亮

(1.廣東省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院， 廣東 廣州　510635；　2.武漢科技大學(xué) 理學(xué)院， 湖北 武漢　430065)

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供水隧洞在上穿公路隧道開挖作用下的穩(wěn)定性研究

朱方敏1， 蔡路軍2， 韓芳2， 吳亮2

(1.廣東省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院， 廣東 廣州510635；2.武漢科技大學(xué) 理學(xué)院， 湖北 武漢430065)

[摘要]東深供水沙灣隧洞已安全運(yùn)行10余年，沙荷西路大望山公路隧道欲從其上方穿過(guò)，交叉段最小凈距僅21.5 m，公路隧道開挖可能會(huì)對(duì)下方供水隧道的穩(wěn)定性產(chǎn)生一定的影響。在分析供水隧洞初始狀態(tài)的基礎(chǔ)上，對(duì)上穿隧道開挖對(duì)供水隧洞的穩(wěn)定性進(jìn)行了數(shù)值模擬，得出供水隧洞圍巖拉應(yīng)力和壓應(yīng)力小幅增大，而供水隧洞襯砌應(yīng)力呈現(xiàn)明顯的增大趨勢(shì)，最大拉應(yīng)力由0.26 MPa增大到最大2.50 MPa，最大壓應(yīng)力由0.59 MPa增大到最大1.74 MPa，表明上穿隧道的開挖對(duì)供水隧洞襯砌產(chǎn)生了較大的附加應(yīng)力，需采用特定的開挖工藝和加固措施，防止上穿隧道開挖引起供水隧洞的破壞。

[關(guān)鍵詞]供水隧洞； 上穿隧道； 交叉隧道； 數(shù)值模擬； 穩(wěn)定性

1工程背景

東深供水工程深圳段沙灣隧洞位于深圳水庫(kù)北大望山，隧洞設(shè)計(jì)流量為73.3 m3/s，斷面凈寬6.8 m，凈高7.9 m城門洞型式，洞底坡降比為1/3 500，隧洞長(zhǎng)2 082.38 m，已安全運(yùn)行10余年。深圳市沙荷西路大望山隧道欲在左線里程ZK0+500～ZK0+520、右線里程YK0+480～YK0+500處上方穿越東深供水沙灣隧洞，跨越段大望山公路隧道屬Ⅳ圍巖，不穩(wěn)定；東深供水沙灣隧洞屬Ⅴ類圍巖，極不穩(wěn)，巖體破碎或硬土狀；平面上兩者呈55°夾角。公路隧道左線開挖斷面高約10.3 m，寬15.8 m，隧道底與供水隧洞頂部最小距離22.1 m；右線隧道底與供水隧洞凈距21.5 m[1，2]。

東深供水隧洞是對(duì)港、深供水的生命線工程，須確保東深供水隧洞在大望山隧洞施工過(guò)程中的安全。文章在分析供水隧洞初始狀態(tài)的基礎(chǔ)上，對(duì)上穿公路隧道開挖對(duì)下方供水隧洞的影響進(jìn)行數(shù)值模擬，分析隧道開挖引起的應(yīng)力場(chǎng)變化及其對(duì)供水隧洞的影響，根據(jù)計(jì)算成果對(duì)供水隧洞襯砌結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變化進(jìn)行分析，就大望山隧道開挖對(duì)供水隧洞的安全影響進(jìn)行評(píng)估，從而為供水隧洞的安全性提供必要的保障。

2計(jì)算模型與參數(shù)

根據(jù)地質(zhì)參數(shù)以及東深供水改造工程的有關(guān)資料，建立跨越段的三維有限元模型，以供水隧洞走向?yàn)檎媳毕蚪?。模型范圍：以交叉中心點(diǎn)沿水工隧道向北(南北方向)150 m，向南150 m，沿水工隧道中心線左、右線向外各約120 m，模型底部取供水隧洞洞底以下55 m。模型尺度：長(zhǎng)×寬為300 m×240 m，高度根據(jù)實(shí)際地形圖取值，數(shù)值分析采用ANSYS有限元分析軟件進(jìn)行，巖土采用實(shí)體SOLID45單元進(jìn)行模擬，隧洞襯砌采用實(shí)體SOLID45單元進(jìn)行模擬，單元數(shù)178 508個(gè)。

模型考慮了公路隧道與供水隧洞之間的空間位置關(guān)系，兩種隧道交叉處高程的最小凈間距為21.5 m，公路隧道軸線與供水隧洞軸線之間的夾角為55°。大望山隧道開挖有限元模型如圖1所示。

圖1　大望山隧道開挖有限元模型Figure 1　The FEM model of tunnel excavation

模型約束在4個(gè)豎向側(cè)面和底面均采用法向約束，荷載主要考慮重力荷載，主要分析大望山隧道開挖后，圍巖應(yīng)力重分布對(duì)下方東深供水沙灣隧洞的應(yīng)力及變形影響情況。本交叉段地質(zhì)情況從上到下分別為全風(fēng)化帶、強(qiáng)風(fēng)化帶、弱風(fēng)化帶和微風(fēng)化帶。襯砌混凝土結(jié)構(gòu)參數(shù)按設(shè)計(jì)資料選取，其中鑒于供水隧洞運(yùn)行十年時(shí)間，計(jì)算中未考慮錨桿加固區(qū)，故襯砌結(jié)構(gòu)材料參數(shù)考慮一定的折減。選取的巖土層基本力學(xué)參數(shù)和襯砌模型參數(shù)如表1所示。隧洞二次襯砌結(jié)構(gòu)采用實(shí)體SOLID45單元進(jìn)行模擬。為簡(jiǎn)化計(jì)算，計(jì)算中各材料均采用線彈性材料(MAT_ELASTIC)[3-7]。

表1 計(jì)算模型主要物理力學(xué)性質(zhì)Table1 Mechanicalparametersofmodel材料密度ρ/(g·cm-3)彈性模量E/MPa泊松比μ內(nèi)聚力C/kPa內(nèi)摩擦角φ/(°)覆蓋層全風(fēng)化1.90300.352520強(qiáng)風(fēng)化巖2.103000.3510028中風(fēng)化巖2.107000.3030030弱風(fēng)化2.40100000.25110038公路隧道襯砌2.5280000.167供水隧洞襯砌C25混凝土2.45260000.17

3計(jì)算結(jié)果及分析

3.1初始狀態(tài)

現(xiàn)行供水隧洞運(yùn)行正常，其應(yīng)力狀態(tài)相對(duì)于后續(xù)的上方公路隧道開挖來(lái)說(shuō)為初始應(yīng)力狀態(tài)。要考慮公路隧道開挖對(duì)其影響，首先需對(duì)供水隧洞初始應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行分析，以便于比較隧道開挖前后供水隧洞的應(yīng)力和變形狀態(tài)。供水隧洞襯砌初始應(yīng)力狀態(tài)如圖2、圖3所示(圖示單位Pa，拉應(yīng)力為正值，壓應(yīng)力為負(fù)值，下同)。

從圖2、圖3可以看出： ①沙灣供水隧洞圍巖初始應(yīng)力狀態(tài)大部分為壓應(yīng)力狀態(tài)，圍巖最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在供水隧洞腰部偏下位置，約為6.92 MPa。最大拉應(yīng)力S1相對(duì)較小，為0.46 MPa，出現(xiàn)在隧洞拱腳處。 ②沙灣供水隧洞襯砌在拱底出現(xiàn)拉應(yīng)力，最大為0.26 MPa，出現(xiàn)在拱底角部，小主應(yīng)力均為壓應(yīng)力，最大壓應(yīng)力為0.59 MPa，它們均小于襯砌的許用安全應(yīng)力。 ③本次計(jì)算只考慮了襯砌的支護(hù)作用，此時(shí)襯砌應(yīng)力都沒有超過(guò)安全允許值。其實(shí)實(shí)際上，隧洞受到噴射混凝土、錨桿和襯砌的共同作用，其穩(wěn)定性會(huì)更好，因此，沙灣隧洞初始狀態(tài)是安全可靠，其運(yùn)行是穩(wěn)定的。

(a) 圍巖初始應(yīng)力S1　　　　(b) 圍巖初始應(yīng)力S3　　　　

Figure 2The initial stress S1 and S3 of water tunnel surrounding rock

(a) 襯砌初始應(yīng)力S1　　　(b) 襯砌初始應(yīng)力S3　　　

3.2公路隧道開挖的影響分析

大望山隧道開挖前，供水隧洞圍巖中存在著初始地應(yīng)力場(chǎng)，處于某個(gè)穩(wěn)定的平衡狀態(tài)，隨著大望山隧道開挖，巖體原有的穩(wěn)定平衡狀態(tài)被打破，初始應(yīng)力場(chǎng)重新分布，形成二次應(yīng)力場(chǎng)，引起沙灣供水隧洞的應(yīng)力和位移變化，影響供水隧洞的運(yùn)行，大望山隧道的開挖對(duì)供水隧洞的穩(wěn)定存在著影響?？紤]極限情況，模擬隧道開挖成形后供水隧洞的應(yīng)力及變形狀態(tài)，分析大望山隧道對(duì)沙灣供水隧洞的影響。

3.2.1變形分析

變形情況如圖4、圖5所示(圖示正值為向上，負(fù)值為向下，單位為m)。

通過(guò)比較有限元計(jì)算成果，在大望山隧道開挖后，隧道下方交叉位置圍巖產(chǎn)生較大的向上變形，水平向變形很小，圍巖向上變形最大約為12 mm，襯砌變形為0.14 mm。圍巖變形較襯砌大得多，這是因?yàn)閲鷰r巖性較差，隧道開挖引起的應(yīng)力變化對(duì)其應(yīng)變產(chǎn)生較大的敏感性，而襯砌因其彈模大，對(duì)應(yīng)力的變化較不敏感。由于圍巖變形較大時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的形變壓力，因此，必須對(duì)其變形時(shí)行控制，可在隧道開挖過(guò)程中采用固結(jié)灌漿等方式對(duì)隧道進(jìn)行加固，可減小對(duì)圍巖的變形，從而改善襯砌作用狀態(tài)。

(a) 圍巖初始變形UX　　　(b) 圍巖初始變形UZ　　　

Figure 4The initial deformation UX and UZ of water tunnel surrounding rock

(a) 襯砌初始變形UX　　　　(b) 襯砌初始變形UZ　　　　

Figure 5The initial deformation UX and UZ of water tunnel lining

公路隧道開挖對(duì)襯砌的變形影響較小，因此，評(píng)估上穿隧道開挖對(duì)下方供水隧洞的穩(wěn)定影響，應(yīng)主要從襯砌的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行分析。

3.2.2應(yīng)力分析

3.2.2.1供水隧洞襯砌整體應(yīng)力分析

隧道開挖后供水隧洞襯砌應(yīng)力如圖6、圖7所示。

根據(jù)計(jì)算并通過(guò)與供水隧洞襯砌初始應(yīng)力圖的對(duì)比，可以得出以下結(jié)論：

①大望山隧道開挖后，供水隧洞襯砌應(yīng)力呈現(xiàn)明顯的增大趨勢(shì)，最大拉應(yīng)力由0.26 MPa增大到最大2.72 MPa，最大壓應(yīng)力由0.59 MPa增大到最大1.74 MPa，說(shuō)明隧道的開挖對(duì)供水隧洞襯砌產(chǎn)生了較大的附加應(yīng)力。不符合規(guī)范中的C25混凝土1.78 MPa的標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度，因此，隧道一次快速成形是不合理的，為了確保供水隧洞的安全，應(yīng)該對(duì)隧道進(jìn)行分步開挖，減小隧道開挖對(duì)供水隧洞的影響。 ②在大望山隧道與供水隧洞交叉段出現(xiàn)應(yīng)力集中帶，最大應(yīng)力出現(xiàn)在襯砌內(nèi)側(cè)。

3.2.2.2供水隧洞圍巖應(yīng)力分析

圖8為大望山隧道開挖后供水隧洞應(yīng)力圖。

(a) 襯砌大主應(yīng)力S1　　　　(b) 襯砌小主應(yīng)力S3　　　　

Figure 6The maximum principal stress S1 and the minimum principal stress S3 of water tunnel lining

(a) 襯砌應(yīng)力SX　　　　

(b) 襯砌應(yīng)力SY　　　　(c) 襯砌應(yīng)力SZ　　　　

Figure 7The x-direction stress SX，the y-direction stress SY and the z-direction stress SZ of water tunnel lining

(a) 圍巖大主應(yīng)力S1　　　(b) 圍巖小主應(yīng)力S3　　　

Figure 8The maximum principal stress S1 and the minimum principal stress S3 of water tunnel surrounding rock

通過(guò)圖8并比較圖2，可以得出：

大望山隧道開挖前，供水隧洞圍巖的應(yīng)力狀態(tài)基本為受壓狀態(tài)，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在隧洞腰部偏下位置，約為6.92 MPa；最大拉應(yīng)力約為0.46 MPa，出現(xiàn)在隧洞拱腳處。公路隧道開挖使得供水隧洞圍巖拉應(yīng)力和壓應(yīng)力均略微增大，最大壓應(yīng)力為6.95 MPa，最大拉應(yīng)力為0.57 MPa，位置不變。應(yīng)力增幅較小，隧道開挖不會(huì)造成供水隧洞圍巖破壞。

3.2.3結(jié)果分析

通過(guò)上述變形和應(yīng)力結(jié)果比較分析，可以得出如下結(jié)論：

① 大望山隧道開挖使得供水隧洞圍巖拉應(yīng)力和壓應(yīng)力均略微增大，最大壓應(yīng)力由6.92 MPa增大到6.95 MPa，最大拉應(yīng)力由0.46 MPa增大到0.57 MPa，最大應(yīng)力出現(xiàn)位置不變，應(yīng)力增幅較小，可見隧道開挖不會(huì)造成供水隧洞圍巖破壞。

② 大望山隧道開挖后，隧道下方交叉位置圍巖產(chǎn)生較大的向上變形，水平向變形很小。圍巖向上變形最大約為12 mm，圍巖變形對(duì)隧道開挖較敏感。隧道開挖對(duì)襯砌的位移增量變化很小，襯砌變形敏感性較低。采用隧道固結(jié)灌漿方法，可減小供水隧洞圍巖變形，減小對(duì)襯砌的形變壓力，建議在隧道開挖過(guò)程中應(yīng)采用固結(jié)灌漿對(duì)隧道進(jìn)行加固，從而改善供水隧洞襯砌的應(yīng)力狀態(tài)。

③ 大望山隧道開挖后，供水隧洞襯砌應(yīng)力呈現(xiàn)明顯的增大趨勢(shì)，最大拉應(yīng)力由0.26 MPa增大到最大2.50 MPa，最大壓應(yīng)力由0.59 MPa增大到最大1.74 MPa，說(shuō)明隧道的開挖對(duì)供水隧洞襯砌產(chǎn)生了較大的附加應(yīng)力。

④ 在大望山隧道與供水隧洞交叉段出現(xiàn)應(yīng)力集中帶，最大應(yīng)力出現(xiàn)在襯砌內(nèi)側(cè)。

⑤ 在大望山隧道一次開挖成形過(guò)程中，供水隧洞襯砌最終大主應(yīng)力也達(dá)到了1.90 MPa，SZ為1.77 MPa，不符合規(guī)范中的C25混凝土1.78 MPa的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值和1.23的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，因此，隧道一次快速開挖成形是不合理的，為了加強(qiáng)供水隧洞安全，應(yīng)該對(duì)隧道進(jìn)行分步開挖，減小隧道開挖對(duì)供水隧洞的影響。

⑥ 上述成果按兩洞豎向間距最小21.5 m計(jì)算所得，滿足供水隧洞圍巖不破壞的安全要求，但不滿足供水隧洞襯砌結(jié)構(gòu)承載力要求。欲滿足供水隧洞圍巖和襯砌結(jié)構(gòu)的安全條件，可通過(guò)改進(jìn)隧道開挖方式、加固方法或增大兩洞豎向間距等方法實(shí)現(xiàn)。

4結(jié)論

① 既有供水隧洞運(yùn)行穩(wěn)定，初始狀態(tài)安全。但在其上開挖公路隧道，是個(gè)復(fù)雜的施工過(guò)程，新建隧道會(huì)改變既有隧洞的受力狀態(tài)，會(huì)影響其穩(wěn)定性。

② 當(dāng)上穿公路隧道一次開挖成形時(shí)，供水隧洞圍巖拉應(yīng)力和壓應(yīng)力均小幅增大，頁(yè)供水隧洞襯砌應(yīng)力呈現(xiàn)明顯的增大趨勢(shì)，最大拉應(yīng)力由0.26 MPa增大到最大2.50 MPa，最大壓應(yīng)力由0.59 MPa增大到最大1.74 MPa，說(shuō)明隧道的開挖對(duì)供水隧洞襯砌產(chǎn)生了較大的附加應(yīng)力。

③ 隧道下方交叉位置圍巖產(chǎn)生較大的向上變形，水平向變形很小，圍巖變形對(duì)隧道開挖較為敏感。而隧道開挖對(duì)襯砌的位移增量變化很小，襯砌變形敏感性較低。

④ 上穿隧道的開挖會(huì)對(duì)下方供水隧洞的穩(wěn)定產(chǎn)生影響，但通過(guò)采用小進(jìn)尺開挖、加強(qiáng)支護(hù)、減小爆破藥量等施工工藝，減小隧道開挖對(duì)供水隧洞襯砌結(jié)構(gòu)的影響，同時(shí)加強(qiáng)供水隧洞襯砌的監(jiān)測(cè)，可確保供水隧洞安全。

[參考文獻(xiàn)]

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Research on Stability of Water Supply Tunnel under the Effect of Upper Crossing Tunnel Excavation

ZHU Fangmin1， CAI Lujun2， WU Liang2， HAN Fang2

(1.Guangdong Hydropower Planning & Design Institute， Guangzhou， Guangdong 510635， China；2.Science College， Wuhan University of Science and Technology， Wuhan， Hubei 430065， China)

[Abstract]Shawan water supply tunnel has working safely for more than 10 years in Dongjiang-Shenzhen Water Project.The highway tunnel in Dawang Mountain on Shahe west road will cross over it.The minimum clear distance of the tunnel intersection is only 21.5 meters，which the tunnel excavation has a certain effect on the stability of the water supply tunnel.Based on the analysis of the initial state of the water supply tunnel，the stability of the water supply tunnel is studied by numerical simulation.The tensile stress and compressive stress of surrounding rock of the water supply tunnel are increased slightly，but the stress of the water supply tunnel lining shows an obviously increasing trend.The maximum tensile stress increases from 0.26 MPa to the maximum 2.50 MPa，the maximum compressive stress increases from 0.59 MPa to the maximum 1.74 MPa，which shows that the upper crossing tunnel excavation has a additional stress on the lining of the water supply tunnel.To prevent the damage of the water supply tunnel which caused by the upper crossing tunnel excavation，some specific excavation process and reinforcement measures are required.

[Key words]water supply tunnel； upper crossing tunnel； crossing tunnel； numerical simulation； stability

[中圖分類號(hào)]U 455.6

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[文章編號(hào)]1674-0610(2016)01-0188-05

[作者簡(jiǎn)介]朱方敏(1976-)，男，湖北黃陂人，博士，高級(jí)工程師，主要從事水工建筑物及巖土工程的設(shè)計(jì)與科研工作。

[基金項(xiàng)目]湖北省教育廳重點(diǎn)基金項(xiàng)目(D20151105)；湖北省教育廳重點(diǎn)基金項(xiàng)目(2014CFB822)。

[收稿日期]2014-10-09