新建高速公路隧道上跨既有引水隧洞安全性分析與評價

王希寶，袁 松，陳文宇，張 生

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

1 工程概況

根據(jù)設(shè)計方案，某高速公路擴容項目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 計算模型

2.1 模型的建立

空間模型完全按照實際尺寸建模，盡可能少做簡化處理。為了評估新建成綿擴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 模型計算參數(shù)

2.3 計算工況

針對成綿擴容隧道穿越既有引水隧洞，左右洞前后推進可能存在施工情況，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

2.4 計算結(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)力計算結(jié)果(單位：MPa)

由計算結(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算結(jié)果見表5。

表5 襯砌拱頂最大豎直位移計算結(jié)果(單位：mm)

位移計算結(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矶次灰朴嬎憬Y(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。總體來看，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 爆破計算

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

(1)

式中：Q—炸藥量，kg；

R—炸源至測點間距離，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 爆破計算結(jié)論

根據(jù)計算結(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，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)點振動振速值來反算出成綿擴容隧道施工過程中所允許的最大用藥量為30.66kg。

(3)為進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)或縮短進尺等方式，進一步減少爆破裝藥量從而減輕爆破振動。