(福建省交通規(guī)劃設(shè)計院，福州350004)

公路隧道施工對下方輸水隧洞影響分析

■王麗珊

(福建省交通規(guī)劃設(shè)計院，福州350004)

本文以福建省308省道青塘隧道上跨朱步～觀音閣輸水隧洞為工程背景，采用M I D A S/G T S三維有限元軟件，對實際工程進行數(shù)值模擬，分析了青塘隧道開挖引起的輸水隧洞位移、圍巖應(yīng)力及支護應(yīng)力的變化，進而總結(jié)其對輸水隧洞的影響，并提出了輸水隧洞的加固區(qū)段，旨在為今后類似工程的設(shè)計提供一些有益的參考。

交叉輸水隧洞M I D A S/G T S影響

由于新建公路隧道距離輸水隧洞較近，新建隧道施工過程中，既有隧洞圍巖及結(jié)構(gòu)會遭到破壞，另一方面也增加了新建公路隧道的施工難度和工程風險[1]。因此，有必要對公路隧道施工對下方輸水隧洞的影響進行研究。

本文以福建省308省道青塘隧道上跨朱步-觀音閣輸水隧洞為研究背景，主要研究青塘隧道施工對下方輸水隧洞位移、圍巖應(yīng)力以及結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響，提出下方輸水隧洞的加固段落，為以后類似工程的建設(shè)提供指導和借鑒。

1 項目概況

福建省308省道青塘隧道設(shè)計為分離式雙向六車道一級公路隧道，設(shè)計時速60km/h，隧道建筑限界凈寬14.00m，凈高5.0m，左線長1656m，右線長1667m，在與水洞交叉段落隧道左右線凈距約為21.5m；輸水隧洞斷面為圓形，直徑2.8m。

青塘隧道與朱步-觀音閣輸水隧洞斜交，右線交點樁號YK4+286.1556，對應(yīng)水洞樁號1+703.9215，交叉角度55°，公路隧道設(shè)計高：40.008m，水洞設(shè)計高18.544m，凈距：19.289m；左線交點樁號ZK4+278.0326，對應(yīng)水洞樁號1+734.3977，交角55°，公路隧道設(shè)計高：40.128m，水洞設(shè)計高18.488m，凈距：17.678m。青塘隧道與輸水隧洞的平縱面位置關(guān)系如圖1～2所示。

圖1 青塘隧道與輸水隧洞平面位置圖

圖2 青塘隧道與輸水隧洞豎向位置圖

朱步-觀音閣輸水隧洞是生命線工程，須確保輸水隧洞在青塘隧道施工過程中的安全。文章通過建立青塘隧道上跨輸水隧洞的數(shù)值模型，分析公路隧道開挖引起的輸水隧洞位移、圍巖應(yīng)力以及輸水隧洞襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力，評估輸水隧洞的安全性，提出輸水隧洞的加固段落，從而為輸水隧洞的安全性提供必要的保障。

2 計算模型與參數(shù)

2.1 計算模型

文章采用巖土、隧道專用有限元分析軟件Midas/GTS進行計算。三維有限元模擬以青塘隧道與輸水隧洞相交段為核心區(qū)域，計算范圍盡量將開挖的影響區(qū)域包括進去，考慮到尺寸效應(yīng)引起的計算誤差及計算機硬件方面的限制，同時考慮隧道的實際埋深[2]，計算模型范圍及邊界條件按如下計?。涸谒淼罊M向(x軸)取280m；隧道縱向(y軸)取220m；豎直方向(z軸)模型頂部為實際地表，底部取至隧道底部以下70m，幾何模型透視圖如圖3所示。

建筑工程施工期間，需促進各個部門與人員之間的良好配合，明確施工管理職責落實責任制度。首先，要求工作人員進行施工原材料與機械設(shè)備的動態(tài)化管理，實時掌握資料并將其共享到其他部門，以便于開展質(zhì)量的管理工作。其次，需安排專業(yè)管理人員與監(jiān)督人員進行建筑工程的管理與監(jiān)督，在發(fā)現(xiàn)問題之后立即采取合理措施解決問題，提升建筑工程造價管理效果。最后，需開展造價管理的分析工作，明確工程區(qū)域內(nèi)是否存在造價控制的影響因素，采取合理措施解決問題。

圖3 三維幾何模型透視圖

模型采用四節(jié)點四面體實體單元來模擬巖體，三角形殼單元模擬初期支護噴射混凝土。圖4為三維有限元整體網(wǎng)格圖，共計101001個單元，19819個節(jié)點。

圖4 三維有限元網(wǎng)格模型

模型上表面即地表為自由邊界，其余各外表面均約束法向方向的位移，考慮自重荷載。計算中模擬了開挖、施做初期支護的全過程以及施工期間開挖釋放荷載的分步釋放，通常在開挖時，應(yīng)力釋放大約50%～80%，后期支護再釋放20%～50%[3]，本文開挖釋放荷載由圍巖、初期支護、二襯分別承擔50%、25%和25%，即開挖結(jié)束時荷載釋放率為50%，完成初期支護施作后，釋放25%的荷載，施做二襯后釋放25%。

2.2 計算參數(shù)

根據(jù)青塘隧道地質(zhì)勘察資料和公路隧道設(shè)計規(guī)范(JTG D70-2004)[4]，選取計算段落的圍巖及支護參數(shù)。青塘隧道與輸水隧洞相交段左右洞地質(zhì)差別較大，左洞交叉段為Ⅳ級圍巖，右洞交叉段為Ⅲ級圍巖，因此左洞交叉段為最不利位置，本次模擬中洞身圍巖均模擬為Ⅳ級。材料本構(gòu)模型采用摩爾-庫倫進行計算。圍巖和結(jié)構(gòu)的主要材料參數(shù)取值如表1所示。

表1 圍巖及支護計算物理力學參數(shù)表

3 計算結(jié)果及分析

3.1 位移分析

隧洞周邊圍巖的沉降量可作為判定隧洞是否穩(wěn)定的一個重要標準。分別提取青塘隧道開挖前后輸水隧洞周邊的圍巖位移，如圖5～6所示。

圖5 青塘隧道開挖前水洞洞周圍巖位移

圖6 青塘隧道開挖后水洞洞周圍巖位移

根據(jù)上圖，提取輸水隧洞在青塘隧道開挖前后各典型位置的位移值，并做對比分析，繪制成曲線圖，如圖7所示。

圖7 交叉段輸水隧洞洞頂位移變化圖

從圖5～7可以看出，青塘隧道開挖引起了輸水隧洞拱頂圍巖上抬，這是由于下方輸水隧洞已經(jīng)開挖成型，青塘隧道為后面開挖，對于輸水隧洞而言，青塘隧道的開挖相當于是對輸水隧洞的卸載作用，因此引起輸水隧洞向上隆起。青塘隧道右洞與水洞交叉位置上抬約3.2mm，左洞與水洞交叉位置上抬約4.1mm；縱向引起輸水隧洞圍巖上抬約為120m。由于輸水隧洞開挖完成后洞周圍巖已穩(wěn)定，沉降已基本結(jié)束，青塘隧道的開挖對于輸水隧洞相當于擾動，擾動較大的范圍為隧洞位移上抬區(qū)段，因此將輸水隧洞拱頂上抬區(qū)域作為青塘隧道開挖對輸水隧洞的影響范圍，為保證輸水隧洞洞室安全，建議輸水隧道在與青塘隧道交叉120m范圍內(nèi)加強支護。

3.2 圍巖應(yīng)力分析

青塘隧道的開挖必然會引起輸水隧洞周邊圍巖應(yīng)力重新分布，將會影響到輸水隧洞周邊圍巖的穩(wěn)定性，進而影響輸水隧洞的安全，圖8～9為青塘隧道開挖前后輸水隧洞周邊圍巖第一主應(yīng)力圖。

圖8 青塘隧道開挖前水洞第一主應(yīng)力

圖9 青塘隧道開挖后水洞第一主應(yīng)力

以上兩圖為青塘隧道開挖前后輸水隧洞周邊圍巖第一主應(yīng)力等色圖的比較，從圖中可以看出，輸水隧洞周邊圍巖的第一主應(yīng)力未出現(xiàn)拉應(yīng)力，水洞與青塘隧道右洞交叉處拱頂應(yīng)力增大約0.2%，水洞與左洞交叉處拱頂應(yīng)力減小約1.5%。因此青塘隧道開挖后輸水隧洞的第一主應(yīng)力變化較小，且未出現(xiàn)拉應(yīng)力。從第一主應(yīng)力分析，青塘隧道開挖對輸水隧洞影響較小。

第一主應(yīng)力主要研究了青塘隧道開挖后輸水隧洞周邊圍巖是否出現(xiàn)了拉應(yīng)力，是否會造成輸水隧洞拉裂破壞，圖10～11為青塘隧道開挖前后輸水隧洞周邊圍巖第三主應(yīng)力圖，主要研究青塘隧道的開挖引起輸水隧洞周邊圍巖的壓應(yīng)力的變化。

圖10 青塘隧道開挖前水洞第三主應(yīng)力

圖11 青塘隧道開挖后水洞第三主應(yīng)力

以上兩圖為青塘隧道開挖前后輸水隧洞第三主應(yīng)力等色圖的比較，從圖中可以看出，輸水隧洞及隧道周邊圍巖的第三主應(yīng)力均為壓應(yīng)力，水洞周邊最大圍巖壓力均小于4MPa，遠小于Ⅳ級圍巖抗壓強度45MPa，水洞與青塘隧道右洞交叉處拱頂應(yīng)力增大約1%，水洞與左洞交叉處拱頂應(yīng)力增大約3%。因此隧道開挖后水洞的第三主應(yīng)力變化較小，且小于圍巖抗壓強度，從第三主應(yīng)力分析，青塘隧道開挖對輸水隧洞周邊圍巖影響較小。

3.3 支護應(yīng)力分析

上文中從輸水隧洞周邊圍巖的位移和應(yīng)力角度分析了青塘隧道開挖對輸水隧洞的影響，圖12～13為輸水隧洞結(jié)構(gòu)的第一和第三主應(yīng)力圖，主要分析青塘隧道開挖后輸水隧洞結(jié)構(gòu)上的應(yīng)力。

圖12 青塘隧道開挖后輸水隧洞支護結(jié)構(gòu)第一主應(yīng)力

圖13 青塘隧道開挖后輸水隧洞支護結(jié)構(gòu)第三主應(yīng)力

從上圖可以得出，青塘隧道開挖完成后，青塘隧道和輸水隧洞支護結(jié)構(gòu)均未出現(xiàn)拉應(yīng)力，全部為壓應(yīng)力。輸水隧洞上的壓應(yīng)力最大值為3.72MPa，遠小于支護結(jié)構(gòu)C25混凝土的設(shè)計強度12.5MPa，因此輸水隧洞結(jié)構(gòu)較安全。

4 結(jié)論

文章采用Midas/GTS有限元軟件對青塘隧道上跨輸水隧洞段進行模擬計算，從圍巖的位移、圍巖應(yīng)力及隧洞支護應(yīng)力等幾方面進行了分析，得出以下幾點結(jié)論:

(1)青塘隧道開挖引起了輸水隧洞拱頂圍巖上抬，上抬值較小，縱向上抬范圍約為120m，為保證輸水隧洞洞室安全，建議輸水隧道在與青塘隧道交叉120m范圍內(nèi)加強支護。

(2)青塘隧道開挖后輸水隧洞周邊圍巖未出現(xiàn)拉應(yīng)力，并且最大壓應(yīng)力小于圍巖自身強度，對輸水隧洞圍巖影響較小。

(3)青塘隧道開挖完成后，青塘隧道和輸水隧洞支護結(jié)構(gòu)均未出現(xiàn)拉應(yīng)力，全部為壓應(yīng)力，壓應(yīng)力最大值未超過支護結(jié)構(gòu)的承載能力，結(jié)構(gòu)較安全。

(4)建議青塘隧道在開挖過程中加強對輸水隧洞交叉段落的監(jiān)控量測，進行動態(tài)施工。

[1]蔡路軍,朱方敏,吳亮,等.上穿公路隧道爆破對下方供水隧洞的振動影響研究[J].公路工程,2015,40(3):28-32.

[2]豐土根,王瑞濤,靳永福,等.上下穿隧道對近鄰隧道位移影響分析[J].第2屆全國工程安全與防護學術(shù)會議,2010:415-418.

[3]蔡美峰.巖石力學與工程[M].北京:科學出版社,1997.

[4]中華人民共和國行業(yè)標準.JTG D70-2004,公路隧道設(shè)計規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,2004.