王希寶，袁 松，陳文宇，張 生

(1.四川省交通勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司 成都市 610017；2.四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司 成都市 610041)

1 工程概況

根據(jù)設(shè)計(jì)方案，某高速公路擴(kuò)容項(xiàng)目K線顧家山隧道上跨穿越既有棲云山引水隧洞。顧家山隧道為分離式隧道，單洞四車道，線間距30m，開挖凈距約24.8m。隧道建筑限界19.0×5.0m[1]，開挖輪廓線凈寬約22.2m。

人民渠棲云山隧洞為城門洞型，底凈寬7.0m，凈高3.5m[2]。漿砌條石襯砌厚度為0.5m。顧家山隧道于棲云山隧洞上方斜交穿越，右線交叉樁號K70+950，左線交叉樁號K70+970，交叉角度44°。交叉處左線設(shè)計(jì)高程585.55m，棲云山隧洞洞底高程約540m，垂直凈距約34m。

棲云山隧洞每年大小春季節(jié)通水，冬歇期檢修。隧洞洞身段漿砌條石襯砌基本完好。為確保高速公路隧道設(shè)計(jì)方案可行，需評估隧道施工及建成后對人民渠安全性的影響。新建隧道上跨既有隧道爆破振動分析常采用理論分析法和數(shù)值分析法[3-5]。

2 計(jì)算模型

2.1 模型的建立

空間模型完全按照實(shí)際尺寸建模，盡可能少做簡化處理。為了評估新建成綿擴(kuò)容隧道穿越對既有的引水隧洞的影響，建立三維模型如圖1、圖2所示。模型長×寬×高為330m×30m×(左150m，右210m)，新建左隧道埋深約為63m，右隧道埋深約為70m。擴(kuò)容隧道與引水隧洞高差約為36.5m。邊界條件為：四周方向施加水平約束，下邊界施加垂直約束，地表為自由面。

圖1 左線交叉處橫剖面模型

圖2 空間有限元模型示意圖

2.2 參數(shù)的選取

根據(jù)初勘地質(zhì)資料[2]，地層以砂巖為主，模型地層及結(jié)構(gòu)有關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 模型計(jì)算參數(shù)

2.3 計(jì)算工況

針對成綿擴(kuò)容隧道穿越既有引水隧洞，左右洞前后推進(jìn)可能存在施工情況，梳理確定了四種施工工況，如表2所示。

表2 施工方案設(shè)計(jì)

2.4 計(jì)算結(jié)果分析

2.4.1應(yīng)力

既有狀態(tài)下引水隧洞襯砌應(yīng)力狀態(tài)見圖3(a)，四種開挖支護(hù)工況(高速隧道)下引水隧洞襯砌應(yīng)力狀態(tài)見圖3(b)～圖3(e)。

圖3 不同工況下引水隧洞的最大主應(yīng)力云圖

根據(jù)結(jié)構(gòu)材料的技術(shù)指標(biāo)確定的應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)見表3。各工況結(jié)構(gòu)最小主應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見表4。

表3 結(jié)構(gòu)應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)

表4 各工況下結(jié)構(gòu)最小主應(yīng)力計(jì)算結(jié)果(單位：MPa)

由計(jì)算結(jié)果可以得出以下結(jié)論：

(1)顧家山隧道施工通過前后，棲云山隧洞襯砌受力均小于結(jié)構(gòu)應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)。總體來看，顧家山隧道開挖將導(dǎo)致既有隧洞襯砌受力略有改善。

(2)顧家山隧道施工時，左洞超前有助于降低下方隧洞的襯砌應(yīng)力，同時隧道襯砌本身的應(yīng)力也較小。

2.4.2位移

新建隧道四種施工工況下引水隧洞襯砌沉降如圖4(a)～圖4(d)。

圖4 不同工況下引水隧洞的沉降云圖

各工況下棲云山隧洞最大豎向位移計(jì)算結(jié)果見表5。

表5 襯砌拱頂最大豎直位移計(jì)算結(jié)果(單位：mm)

位移計(jì)算結(jié)果表明：

(1)新建隧道開挖后，引水隧洞與襯砌受力狀態(tài)得到改善的同時，其拱頂位移表現(xiàn)為向上(回彈)。

(2)新建隧道的開挖順序?qū)扔幸矶次灰朴?jì)算結(jié)果差異較小，總體上看，仍然是左洞超前引水隧洞襯砌的位移較小。

2.5 計(jì)算結(jié)論

顧家山隧道位于人民渠棲云山隧洞上方，顧家山隧道的開挖將改變棲云山隧洞周邊應(yīng)力場，導(dǎo)致既有棲云山隧洞襯砌結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)得到改善，表現(xiàn)為襯砌內(nèi)力極值降低，拱頂下沉減少?？傮w來看，顧家山隧道開挖不會對下方既有人民渠棲云山隧洞造成不利影響，同時顧家山隧道本身襯砌結(jié)構(gòu)受力也在允許值范圍內(nèi)。

3 引水隧洞結(jié)構(gòu)爆破振動安全性評價

3.1 分析思路

顧家山隧道施工過程中，由于爆破開挖的影響，可能會對引水隧洞結(jié)構(gòu)造成影響。此處根據(jù)文獻(xiàn)[6]中的相關(guān)振動速度限值來進(jìn)行炸藥量的反算，得到合理的爆破用藥量，避免對引水隧洞的結(jié)構(gòu)造成影響。

3.2 爆破安全判定依據(jù)

美國、德國等西方國家的地震和爆破安全相應(yīng)規(guī)范中已經(jīng)將頻率列入評價體系當(dāng)中。根據(jù)文獻(xiàn)[6]中交通隧道的振速限值按不同頻率范圍分別作出了相應(yīng)的要求，如表6所示。

表6 爆破振動安全允許標(biāo)準(zhǔn)(部分)

3.3 爆破計(jì)算

采用業(yè)內(nèi)認(rèn)可的薩道夫斯基提出的衰減經(jīng)驗(yàn)公式：

(1)

式中：Q—炸藥量，kg；

R—炸源至測點(diǎn)間距離，m，取40m(隧道中心)；

m—藥量指數(shù)，m=1/3或1/2；

k、a—與爆破點(diǎn)地形、地質(zhì)有關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù)，不同巖性k、a值如表7。

表7 爆區(qū)不同巖性的k、a值

從表6可看出，一般水工隧道的安全允許質(zhì)點(diǎn)振動振速為7～15cm/s。由于既有引水隧道為漿砌結(jié)構(gòu)，從安全角度考慮，取低值為v=7cm/s。計(jì)算k、a取值(軟巖)為k=300、a=1.9、m=1/2，依據(jù)文獻(xiàn)[6]，由式(1)可推算出：Qmax=30.66kg。

3.4 爆破計(jì)算結(jié)論

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，在施工中通過選擇合適的開挖工法，嚴(yán)格控制單次爆破裝藥量不大于30kg，可基本避免爆破振動影響下方既有隧洞。

4 結(jié)論

(1)有限元數(shù)值計(jì)算方法是分析評估新建隧道上跨既有隧道(洞)影響的可行方法，本例從控制隧道變形角度考慮，建議左洞施工超前掘進(jìn)，左右洞間距100m以上。

(2)通過取文獻(xiàn)[6]所規(guī)定范圍內(nèi)的交通隧道(引水隧洞)安全允許質(zhì)點(diǎn)振動振速值來反算出成綿擴(kuò)容隧道施工過程中所允許的最大用藥量為30.66kg。

(3)為進(jìn)一步保證在隧道施工過程中引水隧洞的結(jié)構(gòu)安全，在施工到達(dá)引水隧道上方時，可采用增加臺階步數(shù)或縮短進(jìn)尺等方式，進(jìn)一步減少爆破裝藥量從而減輕爆破振動。