水工隧洞下穿公路隧道引起的沉降分析

趙 剛，潘 燕

（1.貴州省六盤水市盤州市水務(wù)局，貴州 六盤水 553500；2.貴州省水利水電勘測設(shè)計研究院有限公司，貴陽 550002）

隧道工程因其便利性、距離短等優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用在地鐵、公路、水工等工程中，同時隧道工程的興建出現(xiàn)隧道與既有構(gòu)建筑物交叉、 隧道與隧道交叉的情況，對既有構(gòu)建筑物（隧道）的施工可能會引發(fā)不利影響。因此，針對隧道臨近既有構(gòu)建筑物（隧道）施工的問題，眾多科研工作者開展了一系列研究，并取得了豐碩成果。 常張武［1］利用三維有限元軟件PLAXIS 3D，建立公路隧道下穿既有水工隧洞的三維數(shù)值模型，模擬了新建公路隧道施工過程，分析了公路隧道施工引起臨近水工隧道的變形規(guī)律， 評估了工程的安全性。 劉均紅［2］基于臨近鐵路隧道的引水隧洞工程，通過數(shù)值模擬手段，分析了引水隧洞采取爆破施工對臨近鐵路隧道的影響， 并對相關(guān)影響因素進(jìn)行了敏感參數(shù)分析。劉立權(quán)等［3］利用ABAQUS軟件建立三維數(shù)值模型，模擬了過水隧洞施工全過程，以臨近公路隧道的變形和周邊地表沉降為指標(biāo)，評估了過水隧洞施工的穩(wěn)定性和安全性。 劉曉強(qiáng)等［4］以某臨近地下管線的隧道工程為研究對象， 基于能量法建立了變分控制方程， 創(chuàng)新性的提出了一種理論法計算隧道穿越引起的臨近管線的變形。 并通過現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果和試驗結(jié)果驗證了該理論方法的正確性。 丁玉仁［5］以某下穿既有公路隧道的引水隧洞工程為背景， 獲得了引水隧道爆破施工下臨近高速公路隧道的動力響應(yīng)， 分析了爆破施工對臨近公路隧道的影響規(guī)律。 趙建華［6］以某三孔小凈距隧洞為研究對象， 分析了三孔小凈距隧洞不同施工順序?qū)扔需F路的影響，確立了本工程最合適的施工工序。

本文基于某臨近既有公路隧道的水工隧洞工程為例，通過理論法、有限元法、現(xiàn)場監(jiān)測法對水工隧洞施工引起的公路隧道變形進(jìn)行研究。

1 工程概況

本文以某臨近公路隧道的水工隧洞為研究對象，圖1給出了水工隧洞與公路雙線隧道的位置關(guān)系圖。 水工隧洞為城門洞型， 完成后的斷面尺寸約14m×14m，隧洞全長共3412.8m。 雙線公路隧道為單向雙車道的分離式隧道，左線隧道樁號為K10+340～K11+956，全長共1616m，右線隧道樁號為K10+335～K11+975，全長共1640m。 公路雙線隧道的橫斷面面基約68.8m2。水工隧洞與公路隧道交接位置在公路隧道左線樁號K10+835，右線樁號K10+848，交接位置左右線隧道中心線間距40m，公路隧道路面距水工隧洞拱頂24.6m。

圖1 水工隧洞與公路雙線隧道的位置關(guān)系

水工隧洞與公路隧道交接位置圍巖等級為Ⅲ類，其穩(wěn)定性相對較好，水文地質(zhì)條件也較好。 水工隧洞施工采用鉆爆法，分為上中下三臺階施工。先開挖上臺階并支護(hù)，隨后施工中下兩臺階。水工隧洞橫斷面導(dǎo)洞劃分如圖2。

圖2 水工隧洞橫斷面導(dǎo)洞劃分

2 理論計算法

2.1 理論公式

理論計算模型如圖3。

圖3 理論計算模型

本文理論方法基于劉曉強(qiáng)［4］能力變分法，主要介紹關(guān)鍵步驟。 具體如下，土體豎向位移uz計算公式如下：

對上式進(jìn)行展開并化解，可得矩陣表達(dá)式：

式中 ［Kp］為既有隧道剛度；［Ks］為土體剛度。 通過Matlab對上述公式進(jìn)行變成計算，就可得到土體豎向位移uz。

2.2 理論計算結(jié)果分析

圖4給出了理論計算獲得的水工隧洞施工引起的公路隧道沉降曲線。 從圖4可看出，水工隧洞引起的公路隧道變形沉降滿足正態(tài)分布， 公路隧道的沉降峰值約2.35mm，發(fā)生在水工隧洞中心線位置。水工隧洞引起的公路隧道豎向位移在距水工隧洞中心線23m范圍內(nèi)主要表現(xiàn)為沉降，在該范圍之外豎向位移主要表現(xiàn)為隆起。并且，水工隧洞引起的公路隧道豎向位移滿足相關(guān)規(guī)范限值。

圖4 水工隧洞施工引起的公路隧道沉降曲線

3 有限元法

3.1 三維模型和材料參數(shù)

根據(jù)地勘資料和設(shè)計方案， 利用ABAQUS有限元軟件建立三維隧道模型，三維模型如圖5。 三維模型尺寸為長度140m、寬度130m、高度330m，水工隧洞拱底距模型底部距離為60m。采用四面體單元劃分三維模型網(wǎng)格，模型共有210587個單元，42820個節(jié)點(diǎn)。由于隧道掘進(jìn)過程中，上方公路隧道不停止運(yùn)營，因此車輛運(yùn)行荷載亦會對隧洞施工過程中的穩(wěn)定性造成影響。 通過在公路隧道下表面施加面荷載模擬車輛運(yùn)行荷載。依據(jù)經(jīng)驗并考慮超載等情況，運(yùn)行車輛荷載面荷載為20kPa/m2。 建模過程中，通過植入式桁架單元模擬錨桿結(jié)構(gòu)， 實(shí)體單元模擬混凝土初期襯砌和二次襯砌，圍巖也采用實(shí)體單元模擬。既有公路隧道和水工隧洞交接處圍巖等級為Ⅲ類。

圖5 數(shù)值模型

微風(fēng)化流紋巖和強(qiáng)-中等風(fēng)化流紋巖的本構(gòu)選擇摩爾-庫倫模型，初次襯砌、二次襯砌和錨桿結(jié)構(gòu)本構(gòu)選擇彈性模型。 圍巖和隧道結(jié)構(gòu)的材料參數(shù)分別如表1和表2。

表1 圍巖材料參數(shù)

表2 隧洞結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

3.2 施工步模擬

為了分析水工隧洞施工過程對既有公路隧道的影響，本次模擬三層開挖水工隧洞，具體施工步驟模擬如下：

除了水工隧洞錨桿外（圍巖、既有隧道錨桿和襯砌、水工隧洞初期襯砌和二次襯砌、水工隧洞內(nèi)部土體），其他網(wǎng)格均激活，設(shè)置圍巖自重荷載并激活運(yùn)行車輛荷載，設(shè)置約束，位移清零。

凍結(jié)水工隧洞上部分土體，同時設(shè)置荷載釋放系數(shù)，分步釋放圍巖應(yīng)力，荷載釋放系數(shù)為0.5和0.25。

激活水工隧洞上部分錨桿和混凝土初襯， 同時設(shè)置實(shí)體單位參數(shù)模擬初襯混凝土屬性。

凍結(jié)水工隧洞中間層土體， 同時設(shè)置荷載釋放系數(shù)，分別為0.5和0.25。

激活水工隧洞中間部分錨桿和混凝土初襯，同時設(shè)置實(shí)體單位參數(shù)模擬初襯混凝土屬性。

凍結(jié)水工隧洞下部分土體， 同時設(shè)置荷載釋放系數(shù)，分別為0.5和0.25。

激活水工隧洞下部分錨桿和混凝土初襯， 同時設(shè)置實(shí)體單位參數(shù)模擬初襯混凝土屬性。

激活二次襯砌實(shí)體單位， 改變其屬性模擬二次襯砌。

3.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

圖6給出了水工隧洞施工完成后公路隧道的豎向變形云圖。從圖中可以看出，隨著距水工隧洞中心線的距離增大， 公路隧道的豎向變形迅速減小并逐漸趨于穩(wěn)定。可見，水工隧洞施工對一定范圍的公路隧道變形存在顯著影響。

圖6 水工隧洞施工完成后公路隧道的豎向變形云圖

為了進(jìn)一步研究水工隧洞施工對公路隧道變形的影響范圍， 在公路隧道車輛運(yùn)行方向上依次選擇15個觀測點(diǎn)（觀測點(diǎn)為左右線隧道路面中點(diǎn)每隔10m選?。?，圖7給出了左右線隧道拱頂豎向位移曲線。如圖7所示，水工隧洞施工完成引起的公路隧道表面沉降符合peck曲線。 公路隧道沉降槽寬度約50m，左線隧道沉降峰值約2.66mm， 右線隧道沉降峰值約2.88mm，左右兩線隧道沉降規(guī)律基本一致。進(jìn)一步觀察可知，在距水工隧洞中心線25m范圍內(nèi)，公路隧道路面沉降主要表現(xiàn)為沉降， 其變形規(guī)律基本符合正態(tài)分布。 而在距水工隧洞中心線25m范圍外，公路隧道路面沉降主要表現(xiàn)為隆起， 且當(dāng)距水工隧洞中心線超過30m時，隆起值趨于穩(wěn)定，約0.14mm。

圖7 左右線隧道拱頂豎向位移曲線

4 現(xiàn)場監(jiān)測分析

4.1 監(jiān)測方案

在公路隧道路面布置觀測點(diǎn)， 在水工隧洞中心線布置1個觀測點(diǎn)， 在距中心線8.2m處布置2個觀測點(diǎn)，其余每隔20m布置一觀測點(diǎn)，共布置7個觀測點(diǎn)。左右兩線布置原則一樣，觀測范圍共96.4m。

4.2 監(jiān)測結(jié)果分析

圖8給出了公路隧道路面沉降的觀測結(jié)果、理論結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果的對比曲線。 從圖8可看出，公路隧道左線沉降監(jiān)測值略小于右線沉降監(jiān)測值，其中左線隧道的累計沉降峰值約-2.75mm，右線隧道的累計沉降峰值約-2.98mm，兩者均小于安全評估報告的限值（5mm）。 進(jìn)一步觀察可知，現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果與數(shù)值結(jié)果及理論結(jié)果吻合較好， 在距水工隧洞中心線20m范圍內(nèi)，三者均滿足正態(tài)分布。具體來說，公路隧道最大沉降的理論值約2.37mm， 左右線公路隧道的最大沉降的模擬值分別為2.66mm和2.88mm，公路隧道最大沉降的現(xiàn)場監(jiān)測值約2.75mm和2.98mm。 可見， 現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果的吻合很好地驗證了數(shù)值模擬和理論計算的正確性。水工隧洞施工過程中，公路隧道在水工隧洞中心線20m范圍內(nèi)主要表現(xiàn)為下沉，在水工隧洞中心線處的沉降值最大。 從現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)可以看出，在距水工隧洞中心線20～50m范圍內(nèi)，豎向變形主要表現(xiàn)為隆起， 隆起位移峰值出現(xiàn)在距右線隧道50m處，約1.64mm。

圖8 公路隧道路面沉降的對比曲線

5 結(jié)語

（1）通過數(shù)值模擬計算，得到公路隧道變形沉降滿足正態(tài)分布，其沉降峰值約2.35mm，說明變形部位在中心線周圍。

（2）公路隧道豎向位移距水工隧洞中心線23m范圍的變形狀況為沉降，而在23m范圍之外公路隧道豎向位移則為隆起狀態(tài)。

（3）公路隧道豎向變形隨距水工隧洞中心線距離增大，而迅速減小并逐漸趨于穩(wěn)定。 變形規(guī)律符合正態(tài)分布，在水工隧洞中心線25m范圍內(nèi)，公路隧道路面沉降呈現(xiàn)沉降狀態(tài)。 在水工隧洞中心線25～30m內(nèi)，公路隧道路面沉降呈現(xiàn)隆起狀態(tài)，在水工隧洞中心線超過30m時，隆起值約0.14mm，狀態(tài)趨于穩(wěn)定。

（4）公路隧道左線沉降監(jiān)測值略小于右線沉降監(jiān)測值， 左右線隧道的累計沉降峰值分別為-2.75mm和-2.98mm，并且均在安全評估報告限值（5mm）范圍內(nèi)。 在水工隧洞中心線20m范圍內(nèi)，公路隧道表現(xiàn)為下沉狀態(tài)，并且沉降值最大。根據(jù)實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)得出，距水工隧洞中心線20～50m內(nèi)，豎向變形為隆起狀態(tài)，其位移峰值約1.64mm，在右線隧道50m處。