劉立權(quán)，戴道永，王建瓊，馬成斌

(1.河北省高速公路榮烏管理處，河北 保定 071000； 2.溫州市瑞文高速公路有限公司，浙江 溫州 325000；3.長安大學(xué) 陜西省公路橋梁與隧道重點實驗室，陜西 西安 710064)

0 引 言

隨著中國公路隧道建設(shè)的迅猛發(fā)展，同一場地區(qū)域內(nèi)新建隧道與既有隧道大概率遭遇，且遭遇形式日益繁雜，如在空間位置上，有水平方向的小近距并行，豎直方向的近距離上下交叉、重疊等[1]。新建隧道鄰近既有隧洞施工時，可能會對既有隧洞結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響，嚴(yán)重影響既有隧洞的正常使用。

近年來，許多學(xué)者及科研機構(gòu)針對新建隧道對既有隧洞的影響，在近接工程施工技術(shù)、施工影響分區(qū)等方面做了大量的研究。文獻[2]以溫福鐵路瑁頭嶺隧道為依托工程，研究了近接隧道采用不同開挖方法施工后對圍巖穩(wěn)定性的影響；文獻[3]以云南省鹽津箬自水江三級電站下穿既有內(nèi)昆鐵路手扒巖隧道的工程為依托，研究得出了新建隧道施工引起的既有隧洞沉降及結(jié)構(gòu)內(nèi)力的變化規(guī)律，且基于結(jié)構(gòu)強度準(zhǔn)則做出了上下交叉隧道近接施工影響分區(qū)；文獻[4]依據(jù)深圳市丹平快速路貓公壩隧道近距離上穿布吉供水隧道和東部引水隧道的工程實例，研究了新建隧道施工時既有隧道的變形及內(nèi)力變化規(guī)律，并提出了使既有隧道安全性得到保證的數(shù)量化指標(biāo)；文獻[5]研究了東深供水隧道與上穿公路隧道交叉近距最小為21.5m的情況下，公路隧道開挖對供水隧道的影響；文獻[6]探討了過水隧洞內(nèi)部無過水壓力和有過水壓力2種情況下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性問題。

由于上下交叉隧洞近距不到1 m的工程參考實例和研究相對較少，本文以大廟山公路隧道上穿一近距僅為40～50 cm的過水隧洞為工程依托，采用MIDAS GTS軟件進行數(shù)值模擬，分析公路隧道開挖引起的應(yīng)力場變化及其對過水隧洞應(yīng)力狀態(tài)和變形的影響，就大廟山公路隧道開挖對過水隧洞的安全性影響進行評估，提出施工建議措施以保證過水隧洞結(jié)構(gòu)的安全性，可為其他近接隧道施工提供參考。

1 工程概況

臨夏雙城發(fā)電站的過水隧洞位于高速公路隧道下方，其暗洞橫斷面尺寸為200 cm×200 cm,結(jié)構(gòu)混凝土厚度為40～50 cm，明渠部分為矩形溝，常流水。該過水隧洞與大廟山隧道在隧道出口端約52°斜交，與左線隧道中線交叉樁號為ZK3+223.713，與右線隧道中線交叉樁號為K3+171.541，平面相對關(guān)系如圖1所示。交叉段大廟山公路隧道和過水隧洞都屬Ⅴ級圍巖，巖體為強、中風(fēng)化砂質(zhì)泥巖，穩(wěn)定性很差，且隧道出口走向與邊坡呈小角度相交，屬坡面斜交型。大廟山公路隧道左、右線開挖斷面高約6.0 m，寬約11.3 m，過水隧洞在大廟山隧道仰拱下方，距離仰拱的下緣40～50 cm，給高速公路隧道的施工帶來很大的困難。

圖1 隧道與過水隧洞斜交

2 數(shù)值模擬及結(jié)果分析

2.1 計算模型及參數(shù)

根據(jù)該工程實際資料，建立交叉段的三維有限元模型，采用MIDAS GTS軟件進行數(shù)值分析。通常情況下，隧道周圍大于3倍洞跨以外的圍巖受到隧道施工的影響很小，但考慮該隧道下部有過水隧洞，所以模型的范圍為：模型底部取過水隧洞底部以下20 m；隧道頂部至模型上部邊界為20 m；以交叉中心點沿過水隧洞方向前后各取35 m,沿過水隧洞中心線左右向外各取15 m。模型尺寸為：長120 m，寬30 m，高48 m。大廟山隧道開挖有限元模型如圖2所示。

圖2 大廟山隧道開挖有限元分析模型

該模型主要分析大廟山隧道開挖后，圍巖應(yīng)力重分布對下方過水隧洞結(jié)構(gòu)安全性的影響情況。該分析模型荷載主要考慮重力荷載；邊界條件由MIDAS GTS自動判斷模型的外圍區(qū)域后生成；地質(zhì)狀況從上到下依次為強風(fēng)化砂質(zhì)泥巖、中風(fēng)化砂質(zhì)泥巖；襯砌混凝土結(jié)構(gòu)參數(shù)按已有資料選?。挥嬎阒懈鞑牧暇捎脧椥圆牧?。選取的巖土層基本力學(xué)參數(shù)及襯砌模型參數(shù)如表1所示。

表1 計算模型的主要物理力學(xué)性質(zhì)

2.2 計算結(jié)果及分析

2.2.1 過水隧洞初始狀態(tài)

圖3 過水隧洞圍巖初始應(yīng)力

圖4 過水隧洞襯砌初始應(yīng)力

公路隧道未開挖之前，過水隧洞運行正常，將此時的狀態(tài)定義為初始狀態(tài)。本文通過分析公路隧道開挖前后過水隧洞的應(yīng)力和變形狀態(tài)，研究上方公路隧道開挖對過水隧洞安全性的影響。供水隧洞圍巖和襯砌初始應(yīng)力狀態(tài)如圖3、4所示，圖中拉應(yīng)力為正值，壓應(yīng)力為負值。

從圖3、4可以看出：過水隧洞圍巖初始應(yīng)力狀態(tài)以壓應(yīng)力為主；過水隧洞襯砌在拱底出現(xiàn)拉應(yīng)力，最大值為0.24 MPa,位于拱底約1/4位置；小主應(yīng)力全為壓應(yīng)力，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在過水隧洞邊墻正中位置，約為3.10 MPa；過水隧洞襯砌應(yīng)力均未超過結(jié)構(gòu)安全允許值。

2.2.2 公路隧道開挖的影響分析

大廟山隧道的開挖會導(dǎo)致過水隧洞圍巖應(yīng)力場重分布，形成二次應(yīng)力場，繼而引起過水隧洞初始狀態(tài)的變化，對過水隧洞結(jié)構(gòu)的安全有巨大影響。本文就公路隧道開挖成型后過水隧洞的應(yīng)力及變形進行模擬，進而分析大廟山隧道開挖對過水隧洞結(jié)構(gòu)安全性的影響。

大廟山隧道開挖后過水隧洞圍巖和襯砌結(jié)構(gòu)的變形如圖5、6所示。由圖可知，交叉段位置圍巖的豎向位移明顯較水平向位移大；過水隧洞襯砌拱頂?shù)淖畲笞冃螢?7.8 mm，且拱頂變形較邊墻變形小，主要原因是公路隧道的開挖對隧洞拱頂具有卸荷作用?？傮w來說 ，過水隧洞圍巖變形大于隧洞襯砌變形。

可見，大廟山隧道開挖對下方過水隧洞襯砌變形影響較大；因此，評估過水隧洞結(jié)構(gòu)的安全性、對變形進行分析十分必要和關(guān)鍵。

圖5 過水隧洞圍巖變形

圖6 過水隧洞襯砌變形狀態(tài)

大廟山隧道開挖后，過水隧洞襯砌的應(yīng)力狀態(tài)如圖7所示。

圖7 過水隧洞襯砌應(yīng)力

比較大廟山公路隧道開挖前后過水隧洞襯砌應(yīng)力狀態(tài)(圖7)可知：過水隧洞襯砌結(jié)構(gòu)的最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力分別增加了約3.1倍和1.2倍，但都未超過規(guī)范中C20混凝土標(biāo)準(zhǔn)強度值限制(C20混凝土抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值為13.5 MPa，抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值為1.5 MPa)?？紤]到大廟山公路隧道圍巖較弱及跨度較大，建議采用CD法施工，避免隧洞在上方公路隧道施工期間發(fā)生破壞。過水隧洞邊墻和拱底應(yīng)力較大，必須采取措施加固地基。

2.2.3 結(jié)果分析

經(jīng)過對過水隧洞襯砌結(jié)構(gòu)變形和應(yīng)力狀態(tài)的分析，得出如下結(jié)論。

(1)大廟山公路隧道開挖后，交叉段位置圍巖豎向位移較水平向位移大；過水隧洞邊墻變形明顯大于拱頂變形，主要原因是公路隧道的開挖對隧洞拱頂具有卸荷作用。

(2)大廟山隧道開挖對下方過水隧洞襯砌變形影響較大。評估過水隧洞結(jié)構(gòu)的安全性時，對變形進行分析十分必要。

(3)大廟山公路隧道的開挖對過水隧洞產(chǎn)生很大的附加應(yīng)力，過水隧洞拉應(yīng)力和壓應(yīng)力都顯著增加，最大拉應(yīng)力由0.24 MPa增加到0.73 MPa，最大壓應(yīng)力由3.1 MPa增加到3.7 MPa。

(4)過水隧洞圍巖變形大于隧洞襯砌變形，說明過水隧洞的圍巖對開挖的敏感性較襯砌結(jié)構(gòu)更大。

(5)過水隧洞和上方分離式公路隧道之間的間距僅為40～50 cm，過水隧洞在公路隧道開挖作用下，其結(jié)構(gòu)變形和承受的應(yīng)力都增大，為保證過水隧洞襯砌結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性，必須采取有效措施。

3 工程加強措施

3.1 上穿隧道的加固

(1)設(shè)置隧道加強段。左線隧道與過水隧洞呈較小角度交叉，上穿公路隧道與過水隧洞交叉段較長。為保證上穿公路隧道結(jié)構(gòu)的安全，建議將交叉樁號前后各15 m設(shè)為加強段。右線隧道與過水隧洞基本呈垂直交叉，建議將交叉樁號前后各10 m設(shè)為加強段[7-9]。

(2)增強加強段主要支護參數(shù)。初噴將C25早強混凝土變?yōu)镃30早強混凝土，厚度為26 cm；I20a工字鋼鋼架間距從75 cm調(diào)整至50 cm；仰拱厚度由50 cm調(diào)整為60 cm；二襯仰拱的縱向配筋由原設(shè)計的Φ14 mm調(diào)整為Φ22 mm，間距和數(shù)量不變[10-13]。

3.2 過水隧洞的加固

該過水隧洞已運營多年，進入過水隧洞勘察，其襯砌邊墻局部存在裂縫且有少量滲漏水情況，為保證施工盡量少地影響過水隧洞，建議將過水隧洞的加固分為2個階段。

(1)施工加強段前，應(yīng)先對過水隧洞進行臨時加固?？刹捎弥睆?5～20 cm的方木或雜木支撐在過水隧洞中心的最高處，間距以100 cm左右為宜[14]。

(2)施工隧道出口左、右線與過水隧洞的交叉段時，仰拱下地基采用注漿加固。注漿管采用Φ89 mm×5 mm的鋼花管，每根鋼花管長度為500～600 cm，布置在過水隧洞邊界兩側(cè)，距離過水隧洞外邊界的距離為100、200、300 cm，鋼花管的橫向間距為150 cm；保證鋼花管上端外漏30～40 cm，錨固于仰拱內(nèi)，端頭與仰拱內(nèi)鋼筋焊接成整體；待仰拱及以上的填充層采用C30混凝土澆筑完成，整體形成蓋板以保證過水隧洞的安全[15]。

4 結(jié) 語

(1)經(jīng)實際勘察過水隧洞現(xiàn)運行安全。過水隧洞在上方大廟山公路隧道的開挖作用下，拱頂最大變形為17.8 mm，且邊墻變形明顯大于拱頂變形。

(2)過水隧洞在公路隧道開挖形成的二次應(yīng)力場中，拉應(yīng)力和壓應(yīng)力都顯著增加，最大拉應(yīng)力由0.24 MPa增加到0.73 MPa，最大壓應(yīng)力由3.1 MPa增加到3.7 MPa?？梢?，大廟山公路隧道的開挖對過水隧洞產(chǎn)生很大的附加應(yīng)力。

(3)上方公路隧道開挖時，過水隧洞圍巖也會產(chǎn)生較大變形，但由于圍巖的剛度顯著小于過水隧洞，其變形敏感性較高。

(4)大廟山公路隧道開挖必然對過水隧洞的結(jié)構(gòu)安全性產(chǎn)生較大影響。實際施工時，交叉段盡量采用人工開挖，采用提高噴射早強混凝土標(biāo)號、減小型鋼拱架間距、調(diào)整二襯縱向配筋等措施加強公路隧道支護；采用鋼花管注漿加固仰拱下地基等施工工藝加固過水隧洞；同時，為避免滲漏水對過水隧洞的影響，可在仰拱下鋪設(shè)兩層防水板。