公路隧道上跨電站有壓引水隧洞的結構影響分析

滕振楠 吳聰 田志宇 陳行

摘要：國道347線茂紅路改建工程苦地瓜子隧道上跨柳坪電站引水隧洞，引水隧洞內壓力水頭高度22 m，兩隧道空間凈距28.12 m。在對公路隧道上跨方案的研究過程中，需要研判公路隧道施工對引水隧洞的影響。常規的荷載結構計算方法主要是基于塌落拱理論，沒有考慮引水隧洞內的水壓，無法作為研判依據?？紤]到引水隧洞內水頭壓力較大，文章基于有限元計算軟件ABAQUS進行三維結構計算，通過提取計算結果中的軸力、彎矩，推導出結構的安全系數，進而評估結構的穩定性。文章中的設計方案在工程實踐中得到了成功應用，希望能夠為類似工程提供參考。

[作者簡介]滕振楠（1989—），男，碩士，工程師，主要從事公路隧道設計方面的工作。

[通信作者]陳行（1993—），男，碩士，工程師，主要從事隧道設計方面的工作。

隨著我國經濟的快速增長，對交通的需求越來越大，公路的修建速度也相應增快。為了縮短公路里程，改善路線線形和交通運輸條件，保護環境，山嶺地區新建公路中隧道的數量和里程也逐步增大。

川西地區水電資源豐富，公路沿線布設多處水電站。既有道路升級改建過程中，隧道選線受電站結構物的限制越來越大，引水隧洞作為一種特殊的結構物，洞內往往有較高的水頭壓力，是影響隧道空間交叉安全距離的重要因素。

李輝[1]分析了上跨隧道與既有隧道的相互作用機理，結合數值模擬、監控量測，對下方既有隧道進行了位移和受力研究;梅東冬[2]結合蘭渝鐵路桐子林隧道上跨既有隧道項目，進行了隧道控制爆破施工技術專項研究;龔倫[3]結合云南白水江電站引水隧洞下穿內昆鐵路手扒巖隧道項目，對既有鐵路隧道受下穿引水隧洞施工的影響和鐵路隧道結構安全對策進行了研究。

總之，探究空間交叉隧道的相互影響范圍，優化隧道空間交叉段落的施工工藝顯得尤為重要。

1 工程概況

國道347線茂紅路改建工程苦地瓜子隧道上跨柳坪電站既有引水隧洞，引水隧道內壓力水頭高度22 m，兩隧道空間凈距為28.12 m。兩隧道交叉位置具體情況詳見圖1、表1。

苦地瓜子隧道為時速60 km/h的雙向行車單洞雙車道二級公路[4]，隧道按新奧法原理進行洞身結構設計，即系統錨桿、噴混凝土、鋼筋網、鋼架組成初期支護與二次模筑砼相結合的復合式襯砌型式[5]。交叉口段苦地瓜子隧道襯砌結構詳見表2、圖2。

柳坪電站建成于2004～2009年間，為低閘引水式電站，引水隧洞全長10.67 km，洞室襯砌過流半徑4.5 m，洞內水壓高度為22 m[6]。交叉口段引水隧道襯砌結構詳見表3、圖3。

規范[7]規定：相鄰隧洞之間的巖體厚度不宜小于2倍開挖洞徑（或洞寬）。確因布置需要，經論證巖體厚度可適當減少，但不應小于1倍開挖洞徑（或洞寬）。應保證運營期不發生滲透失穩和水力劈裂。

本項目，苦地瓜子隧道與既有引水隧洞道凈距為28.12 m，大于2倍開挖洞徑或洞寬的較大值（24.4 m），滿足規范要求。介于本項目引水隧洞內水頭壓力較高，故考慮通過計算定量研判苦地瓜子隧道修建對引水隧洞的影響。

2 荷載結構法二維分析

根據規范[5]中關于隧道塌落拱高度的描述，塌落拱高度可經計算得出。

經計算，本項目引水隧洞塌落拱高度為5.58 m，兩隧道凈距28.12 m，遠大于塌落拱高度。采用荷載結構法計算引水隧洞襯砌的內力和變形時，苦地瓜子隧道修建前后引水隧洞結構受力情況完全一致。

針對本項目，塌落拱理論并未考慮引水隧洞洞內水壓，故無法依此研判苦地瓜子隧道修建對引水隧洞的影響。

3 三維數值模擬

3.1 計算參數

結合本項目地勘成果[8]，計算圍巖參數取用較好Ⅳ級圍巖，計算所涉及的材料主要為巖土、支護結構（混凝土、鋼筋），相應的材料參數參照規范[5]、細則[9]取值。

苦地瓜子隧道交叉口段施工方法為臺階法開挖，結合規范[5]給出的參考值以及工程經驗，確定荷載釋放系數見表4。

3.2 計算模型

本項目計算模型尺寸為200 m×70 m×140 m，模型上邊界施加均布荷載來等效上部圍巖的自重影響。計算模型圖網格劃分圖詳見圖4，開挖示意圖詳見圖5。

3.3 計算結果

3.3.1 苦地瓜子隧道施工對引水隧洞位移的影響

提取既有引水隧洞交叉口位置拱頂的位移，得到如圖6所示。

從上圖可以看出，既有引水隧洞拱頂在苦地瓜子隧道開挖卸荷影響下發生了上浮。苦地瓜子隧道施工斷面距離交叉部位較遠時，拱頂位移變化的速度較緩，隨著距離的減小，引水隧洞上浮的速度逐漸增加，隨后又慢慢減少。

3.3.2 苦地瓜子隧道施工對引水隧洞襯砌的影響

苦地瓜子隧道開挖到既有既有引水隧洞上部時引水隧洞襯砌應力、軸力、彎矩圖如圖7～圖9所示。

提取不同施工階段引水隧洞襯砌狀態，詳見表5。

從表5可知：苦地瓜子隧道開挖導致引水隧洞最大主應力減小了6.4 %，最小主應力基本無影響;苦地瓜子隧道施工過程中引水隧洞襯砌未出現拉力，始終保持受壓狀態，且襯砌壓力最小值幾乎不變，最大值減少了3.2 %;苦地瓜子隧道的開挖將引起引水隧洞最大正彎矩增大27.2 %，最大負彎矩增大50 %;當施工結束時，既有隧洞最大正彎矩減少了15.2 %，最大負彎矩增大52.9 %。

3.4 三維計算結論

（1）隨著苦地瓜子隧道的開挖，既有引水隧洞由于上部圍巖卸荷發生了上浮，最大位移量為1.18 mm。

（2）既有引水隧洞在苦地瓜子隧道的開挖過程中最大主應力的最值為0.47 MPa，發生在拱頂處，小于襯砌混凝土的極限抗壓強度，因此苦地瓜子隧道的開挖對既有引水隧洞不會造成破壞。

（3）苦地瓜子隧道施工過程中，既有引水隧洞襯砌始終保持小偏心的狀態，隧道整體環向的軸力均為壓力。開挖時，引水隧洞襯砌壓力最大值幾乎不變，最小值有所增大;正彎矩先增大后減小，負彎矩先增大后穩定。

4 苦地瓜子隧道施工對引水隧洞襯砌安全系數的影響

結合規范[5]中關于鋼筋混凝土結構安全系數的描述，計算引水隧洞交叉部位襯砌不同位置在各階段的安全系數。

結合三維計算結果，求得引水隧洞安全系數詳見表6。

從表6可以看出，苦地瓜子隧道的施工會導致引水隧洞結構安全系數相對減小但減少的比例不足5 %;苦地瓜子隧道施工全過程中，引水隧道襯砌結構最小安全系數均滿足規范[5]中鋼筋混凝土不小于2.0的要求。由此可知，在苦地瓜子隧道施工過程中，引水隧洞襯砌安全系數雖然有所降低，但仍然有足夠的安全儲備。

提取苦地瓜子隧道施工完成后，兩隧道空間交叉位置正下方引水隧洞截面進行受力分析（圖10）。

計算引水隧洞襯砌各單元安全系數，詳見表7。

從表7中可以看出，引水隧道襯砌斷面上迎著苦地瓜子隧道的開挖方向距離最近的16號單元安全系數最低，安全系數值為2.61;距離開挖斷面最遠的9號單元安全系數最高，安全系數值為6.02。

結合塌落拱理論，引水隧洞的圍巖壓力有5.58 m土壓，小于隧道內22 m的水頭壓力，故16號單元上的圍巖壓力會首先得到釋放，導致單元受力最大，故安全系數最低。

6 結論

（1）苦地瓜子隧道的施工對引水隧洞的影響較小。苦地瓜子隧道開挖過程中，引水隧洞結構安全系數滿足規范要求。

（2）在加強施工控制的基礎上可以保證交叉口段的施工安全。

參考文獻

[1] 李輝. 上跨隧道對既有隧道的變形影響及控制研究[D].重慶：重慶交通大學.2014.

[2] 梅東冬，王維高. 蘭渝鐵路桐子林隧道上跨既有隧道控制爆破施工技術[J]. 現代隧道技術. 2011（2）：145-152.

[3] 龔倫，仇文革. 既有鐵路隧道受下穿引水隧洞近接施工影響預測[J]. 中國鐵道科學. 2007（4）：29-33.

[4] 四川省公路規劃勘察設計研究院有限公司.G347線茂縣兩河口至紅原壤口段公路提升改建工程兩階段施工圖設計文件 [R].2019.02.

[5] 公路隧道設計規范 第一冊 土建工程： JTG 3370.1-2018[S].

[6] 國家電力公司成都勘測設計研究院.柳坪水電站工程施工圖設計[R].2005.01.

[7] 有壓引水隧洞設計規范： DLT-5195-2004[S].

[8] 四川省公路規劃勘察設計研究院有限公司.G347線茂縣兩河口至紅原壤口段公路提升改建工程苦地瓜子隧道工程地質詳勘報告 [R].2019.02.

[9] 公路隧道設計細則： JTG/T D70-2010[S]. 北京：人民交通出版社， 2018.

[10] 爆破安全規程： GB 6722-2014[S].