摘要：廣州市華南快速路石門堂山隧道擴(kuò)建工程，為在既有連拱隧道側(cè)新建的特大跨度單洞四車道隧道，既有連拱隧道存在襯砌裂縫、防火涂料脫落等病害，且在新建隧道施工過程中需要保通運(yùn)營(yíng)，同時(shí)受周邊土地資源緊張限制，因此開展新建隧道與既有連拱隧道的凈距研究是十分有必要的。通過對(duì)新建隧道的爆破振動(dòng)安全允許距離進(jìn)行計(jì)算，最終選取36.8m的安全凈距，利用MIDAS GTS NX有限元軟件對(duì)爆破荷載作用下的既有連拱隧道的內(nèi)力進(jìn)行分析，從而驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的隧道凈距。結(jié)果表明：在考慮對(duì)既有隧道的變形、襯砌應(yīng)力影響下，新建隧道與既有隧道凈距設(shè)為36.8m對(duì)既有連拱隧道的影響是較小的，為隧道結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：道路工程；連拱隧道；特大跨度隧道；隧道凈距；爆破振動(dòng)；數(shù)值模擬；

中圖分類號(hào)：U455.6""""""""""""""""""""""""""""""" 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A"""""""""""""""""""""""""""""""""" 文章編號(hào)：1673?6478（2023）03-0184-04

Study on the Clear Distance between the Existing Multi?arch Tunnel andthe Newly Built Extra?large Span Tunnel

SHAO Xing SU Chen SONG Jing

（1. Shandong Provincial Communication Planning and Design Insitute Group Co.， Ltd.， Jinan Shandong 250101， China; 2. College of Architecture and Civil Engineering， Shandong University of Science and Technology， Qingdao Shandong 266590， China）

Abstract： The expansion project of Shimentangshan Tunnel of South China Expressway in Guangzhou is a new extra?large?span single?hole four?lane tunnel on the side of the existing continuous arch tunnel， which has diseases such as lining cracks and falling off of fireproof paint， and needs to guarantee normal operations during the construction of the new tunnel， and is limited by the shortage of surrounding land resources， so it is necessary to carry out the study of the clear distance between the new tunnel and the existing continuous arch tunnel. By calculating the safe allowable distance of blasting vibration for the new tunnel， determining the safe clearance of 36.8 m， and analyzing the internal forces of the existing continuous arch tunnel under blasting load using the MIDAS GTS NX finite element software， the designed tunnel clearance is verified. The results show that considering the influence of deformation and lining stress on the existing tunnel， the clear distance between the new tunnel and the existing tunnel is set to 36.8 m on the existing multi?arch tunnel， which provides a reference for the design of tunnel structure.

Key words： road engineering; multi?arch tunnel; large span tunnel; clear distance; blasting vibration; numerical simulation;

0 引言

進(jìn)入21世紀(jì)，伴隨著我國(guó)汽車保有量的日漸增高，部分既有道路交通量已達(dá)飽和狀態(tài)，不能再滿足近期及未來的交通運(yùn)營(yíng)實(shí)際需要[1]，在既有隧道側(cè)新建隧道的情況越來越多。新建隧道與既有隧道凈距的確定至關(guān)重要，凈距過小雖然能減少占地，但是施工過程的擾動(dòng)會(huì)對(duì)運(yùn)營(yíng)隧道安全造成危害[2]，同時(shí)中夾巖寬度不夠也會(huì)影響新建隧道的施工和運(yùn)營(yíng)安全[3?5]。凈距過大則會(huì)增大占地、拆遷數(shù)量和難度。許多專家和學(xué)者通過相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)公式或參數(shù)來評(píng)價(jià)、預(yù)測(cè)爆破振動(dòng)強(qiáng)度[6?9]，并利用數(shù)值分析模擬爆破震動(dòng)的影響[10]。本文以廣州市華南快速路石門堂隧道在工程設(shè)計(jì)中遇到的實(shí)際問題，就新建隧道凈距設(shè)計(jì)對(duì)既有隧道的影響展開了分析研究，取得的初步成果可供類似工程參考。

1 工程背景

廣州市華南快速路既有石門堂隧道為雙向四車道連拱隧道，設(shè)計(jì)速度為80km/h，長(zhǎng)593m。華南快速路作為貫穿廣州主城區(qū)的南北主通道，在既有石門堂山隧道處收攏變窄，由6車道變?yōu)?車道，成為交通瓶頸，擁堵情況十分嚴(yán)重，成為長(zhǎng)期以來制約廣州市民出行的痛點(diǎn)問題。因此考慮對(duì)石門堂山隧道進(jìn)行改擴(kuò)建。通過對(duì)交通量的預(yù)測(cè)，對(duì)隧道擴(kuò)建為雙向八車道隧道，同時(shí)考慮建設(shè)成本、土地制約，因此最終確定對(duì)既有石門堂山連拱隧道調(diào)整為單向通行，同時(shí)一側(cè)新建一座單向通行的四車道特大跨度隧道作為另一幅對(duì)向通行。

項(xiàng)目建設(shè)的難點(diǎn)在于：（1）因華南快速路的重要交通功能，施工期間必須保證既有道路包括連拱隧道的正常運(yùn)營(yíng)，因此新建隧道的施工必須盡可能地減少對(duì)既有隧道的擾動(dòng)，保證運(yùn)營(yíng)隧道安全；（2）周邊用地緊張，不能為保證既有隧道運(yùn)營(yíng)安全，過分增大新建隧道與既有隧道的凈距，造成中央分隔帶用地浪費(fèi)，拆遷難度大；（3）既有連拱隧道竣工于2003年，已建成近20年，存在襯砌裂縫、防火涂料脫落、滲漏水等病害，應(yīng)避免新建隧道對(duì)既有隧道病害的進(jìn)一步擴(kuò)展；（4）新建隧道為單洞四車道特大跨度隧道，單結(jié)構(gòu)具有扁平、大跨、薄拱等特點(diǎn)，圍巖壓力分布和支護(hù)結(jié)構(gòu)受力更加復(fù)雜，隧道穩(wěn)定性更差，規(guī)范中缺少相關(guān)支護(hù)參數(shù)建議。工程實(shí)踐中，單洞四車道公路隧道建設(shè)難度大，施工不當(dāng)易發(fā)生洞內(nèi)塌方、洞口滑塌等災(zāi)害。

本文基于數(shù)值計(jì)算和工程經(jīng)驗(yàn)對(duì)新建隧道和既有隧道凈距關(guān)系進(jìn)行研究，最終確定隧道建設(shè)的凈距要求，以期為類似項(xiàng)目建設(shè)提供一定的參考。

2 工程概況

2.1 既有隧道結(jié)構(gòu)尺寸

既有連拱隧道單孔行車道寬2×3.75m，路緣帶寬0.5m，單孔單側(cè)檢修道寬0.75m×0.25m，中隔墻側(cè)安全寬度為0.25m，中隔壁厚度為130cm，總跨度為22.7m，具體尺寸見圖1。

2.2 既有隧道安全狀態(tài)

石門堂山隧道采用雙跨連拱襯砌結(jié)構(gòu)，按噴錨構(gòu)筑法（新奧法）原理設(shè)計(jì)，根據(jù)隧道工程地質(zhì)及水文地質(zhì)情況采用復(fù)合式襯砌。復(fù)合式襯砌以噴混凝土和錨桿為主要初期支護(hù)，模筑混凝土為二次襯砌。拱腰、拱頂襯砌結(jié)構(gòu)存在裂縫情況，邊墻慢車道側(cè)存在輕微破損，現(xiàn)階段趨于穩(wěn)定，對(duì)交通安全不會(huì)有影響，應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)破損部位進(jìn)行監(jiān)測(cè)或檢查，必要時(shí)實(shí)施保養(yǎng)維修。因此在新建特大跨度隧道的建設(shè)中應(yīng)該盡量避免對(duì)既有隧道的擾動(dòng)，確保施工期間運(yùn)營(yíng)安全。

2.3 隧址區(qū)地質(zhì)概況

本場(chǎng)地隧道圍巖分類為Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)、Ⅴ級(jí)圍巖，長(zhǎng)度比例基本為3∶1∶1，Ⅴ級(jí)圍巖基本存在于洞口段，最大埋深為101m。

1. Ⅲ級(jí)圍巖：微風(fēng)化花崗巖、片麻巖，屬堅(jiān)硬巖，巖體較完整，呈塊狀砌體結(jié)構(gòu)，開挖后側(cè)壁穩(wěn)定，爆破震動(dòng)過大可小坍塌。
2. Ⅳ級(jí)圍巖：中等風(fēng)化花崗巖、片麻巖，屬硬巖，巖體破碎，呈碎石角礫狀結(jié)構(gòu)，開挖后側(cè)壁基本穩(wěn)定，爆破震動(dòng)過大易坍塌；強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，呈砂土狀或碎石狀，隧道開挖后拱部無支護(hù)時(shí)可產(chǎn)生較大的坍塌，側(cè)壁有時(shí)失去穩(wěn)定。
3. Ⅴ級(jí)圍巖：基巖殘積土和風(fēng)化成土狀的全風(fēng)化花崗巖，呈松散或松軟狀，開挖后易坍塌，處理不當(dāng)會(huì)出現(xiàn)大坍塌。

3 爆破振動(dòng)安全凈距計(jì)算

根據(jù)《爆破安全規(guī)程》（GB 6722—2014）交通隧道安全允許質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度為15～20cm/s，考慮既有隧道為連拱隧道，建成已有一定時(shí)間襯砌存在裂縫病害，且施工期間正常車輛通行，因此質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度為15cm/s。以此為控制標(biāo)準(zhǔn)，依據(jù)GB 6722—2014，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)對(duì)新建隧道的爆破振動(dòng)安全允許距離進(jìn)行計(jì)算：

= （/）^1/"? ^1/3" （1）

式中，為爆破振動(dòng)安全允許距離，m；為炸藥量，齊發(fā)爆破為總藥量，延時(shí)爆破為最大單段藥量，kg；為保護(hù)對(duì)象所在地安全允許質(zhì)點(diǎn)振速，cm/s；，為與爆破點(diǎn)至保護(hù)對(duì)象間的地形、地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù)。根據(jù)規(guī)程對(duì)和值的建議，Ⅲ級(jí)圍巖取150，取1.3，Ⅳ級(jí)圍巖取250，取1.5，Ⅴ級(jí)圍巖取350，取1.8。

（１）Ⅲ級(jí)圍巖爆破振動(dòng)安全允許距離

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，采用臺(tái)階法開挖，最大單段裝藥量取245kg ， = （/）^1/? ^1/3 = （150/15）^1/1.3 ×245^1/3 = 5.88 × 6.26 = 36.8m。

（2）Ⅳ級(jí)圍巖爆破振動(dòng)安全允許距離根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，采用三臺(tái)階法開挖，最大單段裝藥量取155kg， = （/）^1/ ? ^1/3 = （250/15）^1/1.5 ×155^1/3 = 6.52 × 5.37 = 35.0m。

（3）Ⅴ級(jí)圍巖爆破振動(dòng)安全允許距離根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，采用中隔壁法開挖，最大單段裝藥量取75kg ， = （/）^1/? ^1/3 = （350/15）^1/1.8 ×75^1/3 = 5.75 × 4.22 = 24.2m。

通過計(jì)算，Ⅲ級(jí)圍巖采用臺(tái)階法開挖，單段裝藥量較大，因此爆破振動(dòng)安全允許距離較大，凈距為36.8m。根據(jù)爆破振動(dòng)的安全凈距對(duì)既有連拱隧道的襯砌安全進(jìn)行驗(yàn)證。

4 連拱隧道襯砌受力分析

采用MIDAS GTS NX對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行地層結(jié)構(gòu)法計(jì)算，驗(yàn)證新建隧道與既有隧道在36.8m凈距情況下的襯砌結(jié)構(gòu)受力和變形情況，模型網(wǎng)格劃分如圖2所示。

根據(jù)其圍巖性質(zhì)和設(shè)計(jì)需要，并考慮開挖影響的范圍選取合理的區(qū)域及尺寸建立模型，模型尺寸為長(zhǎng)× 寬 × 高 = 200m × 100m × 100m，模型上部為地表，模型地表為自由邊。初始應(yīng)力場(chǎng)僅考慮土體自重應(yīng)力場(chǎng)，不考慮地層的地層構(gòu)造應(yīng)力。

（１）新建特大跨度隧道引起的既有連拱隧道的豎向位移規(guī)律為：在橫截面方向，左拱的左側(cè)拱肩位置產(chǎn)生向上的位移，上升量為0.04mm，豎向位移向右逐漸減小，以左拱拱頂和左拱拱腳兩處連線作為分界線，豎向位移在該處轉(zhuǎn)為下降趨勢(shì)，下降的位移向右逐漸變大，最大值發(fā)生在右拱的右側(cè)拱腳位置，下沉量為0.24mm，整體位移規(guī)律呈右傾趨勢(shì)；在隧道延伸方向，位移無明顯變化，數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果見圖3。

（２）新建特大跨度隧道引起的既有連拱隧道的襯砌主應(yīng)力規(guī)律為：在右側(cè)拱頂位置由于錨桿發(fā)揮作用產(chǎn)生多個(gè)拉應(yīng)力集中區(qū)，該拉應(yīng)力集中區(qū)大多間隔分布在隧道延伸方向拱頂位置的同一縱向線上，少數(shù)幾個(gè)零散分布在拱腰位置，最大應(yīng)力值為8.29MPa；在兩拱連墻處出現(xiàn)多個(gè)壓應(yīng)力集中區(qū)，且間隔分布在隧道延伸方向的同一縱向線方向上；應(yīng)力大小整體來看從拱頂?shù)焦澳_呈減小趨勢(shì)，拱底處逐漸轉(zhuǎn)為受壓，壓應(yīng)力大小為0.93MPa，數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果見圖4。

（３）新建特大跨度隧道引起的土體主應(yīng)力規(guī)律為：既有隧道最小應(yīng)力發(fā)生在拱底位置，為9.64kPa，該處呈兩個(gè)相鄰環(huán)狀應(yīng)力區(qū)，以拱底為中心，應(yīng)力向四周逐漸呈環(huán)狀增大；既有隧道最大應(yīng)力發(fā)生在連墻位置，應(yīng)力值為10.2MPa，數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果見圖5；該處應(yīng)力主要影響因素為地應(yīng)力。

由以上模擬結(jié)果可知，新建特大跨隧道的開挖，必然會(huì)引起周圍地層及既有隧道的沉降變形，使既有隧道發(fā)生最大0.24mm的沉降，整體位移呈向右的傾斜趨勢(shì)，且既有隧道右拱襯砌出現(xiàn)拉應(yīng)力集中區(qū)，最大值為8.29MPa，既有隧道整體所受土體最大主應(yīng)力發(fā)生在連墻處，為10.2MPa。新建隧道的開挖對(duì)既有隧道的影響由右拱到左拱逐漸減小，最后基本無影?響。

5 結(jié)語

根據(jù)交通隧道安全允許質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度，考慮既有連拱隧道建成已有一定時(shí)間襯砌存在裂縫病害，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)計(jì)算出新建隧道安全凈距為36.8m。采用MIDAS GTS NX進(jìn)行地層結(jié)構(gòu)法計(jì)算，驗(yàn)證新建隧道與既有隧道在36.8m凈距情況下，既有隧道產(chǎn)生的最大沉降為0.24mm，襯砌結(jié)構(gòu)受力最大值為8.29MPa，土體應(yīng)力對(duì)隧道整體影響較小。結(jié)果顯示此凈距條件下新建隧道對(duì)既有隧道整體影響較小，可作為安全凈?距。

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