雙線隧道近距離下穿對既有供水隧洞的影響

唐福堯

(中國鐵建投資集團有限公司，北京 100855)

在城市軌道交通工程建設中，常會遇到新建隧道下穿既有隧道的問題，這給工程施工的變形控制帶來考驗。如果在設計施工過程中對隧道變形控制不嚴，就可能造成嚴重的事故。不同的隧道開挖方式對隧道穩(wěn)定性影響不同，若開挖方式不當，會影響其鄰近建構(gòu)筑物的安全穩(wěn)定[1-3]。在結(jié)構(gòu)變形規(guī)律預測和沉降控制標準方面，楊子璇等對地鐵隧道下穿既有地鐵車站的沉降規(guī)律進行研究[4]；楊艷玲等研究盾構(gòu)法下穿對臨近建構(gòu)筑物的影響，認為新建隧道施工導致既有隧道周圍土體形成松動圈，是誘使既有隧道發(fā)生變形的主要原因[5-8]；盧健等通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測的方法，對雙線隧道施工誘發(fā)地表沉降的規(guī)律進行研究，發(fā)現(xiàn)隧道埋深和隧道間距對地表沉降影響較大[9-10]；蔡志偉等研究了隧道下穿對周邊建筑物的影響，并提出控制措施[11-14]；張常委等對隧道下穿建筑物的施工技術(shù)要點進行了總結(jié)[15-16]；翁賢杰等對新建隧洞下穿既有供水隧洞的施工關鍵技術(shù)進行了研究[17-18]，但鮮有關于新建隧道施工對既有供水隧洞的影響的分析研究。

以下運用數(shù)值模擬的手段，依托黑白面將軍山隧道下穿某供水隧道，分析在現(xiàn)有設計支護方案下，雙線公路隧道在開挖過程中對既有供水隧洞的影響。

1 工程概況

1.1 隧道下穿段工程概況

黑白面將軍山隧道位于珠海市南灣城區(qū)，穿越黑白面將軍山，隧道為雙洞雙向六車道隧道，采用新奧法施工。

與本工程發(fā)生交叉的供澳輸水隧洞為直墻式隧洞，寬3.2 m，高2.75 m，襯砌為C30混凝土，厚度為100 mm，設計使用年限30年，供水隧洞結(jié)構(gòu)形式見圖1。

圖1 供水隧洞結(jié)構(gòu)形式(單位：m)

該引水隧洞與黑白面將軍山隧道右線交于YK4+568，與左線交于ZK4+580，交叉處平面位置見圖2。既有供水隧洞距右線隧道為5.25 m，距左線隧道為4.86 m，兩隧道水平凈距為26 m，相對位置見圖3。

圖2 供水隧洞與雙線隧道交叉段平面(單位：m)

圖3 供水隧洞與雙線隧道交叉段剖面(單位：m)

1.2 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件

隧道主體工程以丘坡地貌為主，下穿段地層自上而下為全風化石英閃長巖、強風化石英閃長巖、中風化石英閃長巖與微風化石英閃長巖，具體地層劃分見圖4。

圖4 雙線隧道下穿段地層剖面

覆蓋地層富水性差，基巖裂隙水主要賦存于下伏基巖強-弱風化帶裂隙中，施工過程中局部可見裂隙水滲出。

2 下穿段開挖方案

2.1 超前支護方案

為保證既有供水隧洞的結(jié)構(gòu)安全，對下穿隧道ZK4+560～ZK4+600、YK4+550～YK4+590段采用“洞身管棚+超前小導管”超前支護方案。管棚采用φ89 mm無縫鋼管，壁厚5 mm，管壁四周設注漿孔，呈梅花形布置，以1°～2°打入拱部圍巖；超前小導管采用外徑42 mm，壁厚3.5 mm的熱軋無縫鋼管，四周設注漿孔，超前小導管施工時，以5°～12°打入拱部圍巖。

2.2 開挖方案

下穿段采用CD法開挖，左右線隧道斷面形式一致，隧道跨度為16.56 m，高度為10.34 m。錨桿長度為4 m，環(huán)向間距為1 m，縱向間距為1.6 m。施工中先行開挖左線，后開挖右線，同時保證施工間距30 m以上。CD法開挖方案見圖5。

圖5 雙線隧道下穿段CD法開挖方案

首先隧道爆破開挖1部，施作初期支護及臨時支護；再依次爆破開挖2、3、4部，并緊跟施作初期支護及臨時支護，最后施作仰拱與二襯。初支噴射C25混凝土，厚度為26 cm；二襯混凝土為C35，厚度為55 cm；中隔壁厚度為26 cm，混凝土為C25。

3 下穿段施工數(shù)值模擬分析

3.1 模擬概況

采用有限元模型模擬隧道開挖施工階段，模型的上邊界為地面，下邊界為隧道底部30 m，橫邊方向邊界距隧道拱腰30 m，模型總尺寸為120 m×95 m×167 m，見圖6。

圖6 有限元模型

其中，隧道初支、二襯及管棚均采用彈性本構(gòu)單元，土層和超前小導管加固圈采用彈塑性本構(gòu)單元，隧道初支、中隔壁采用板單元，隧道二襯與供水隧洞二襯均采用實體單元，隧道錨桿采用植入式桁架單元，管棚采用梁單元。考慮水對供水隧洞的壓力影響，在供水隧洞內(nèi)側(cè)二襯直墻與底板施加靜水壓力，水位高度為1.65 m。模型邊界條件設置如下：左右邊界限制X向橫向位移，前后邊界限制Y向橫向位移，底部邊界固定，上部邊界自由。

3.2 模型所需物理力學參數(shù)的確定

依據(jù)已有勘察報告和設計資料，根據(jù)圍巖等級、巖土體類型和性質(zhì)，綜合確定各巖土層物理力學參數(shù)；隧道與輸水隧洞支護結(jié)構(gòu)根據(jù)設計施工所用材料確定其物理力學參數(shù)見表1。

表1 模型物理力學參數(shù)

3.3 隧道開挖施工步驟模擬

該雙線公路隧道下穿段采用CD法施工，依據(jù)施工組織，先開挖左線，后開挖右線。在本次模擬中，將根據(jù)開挖順序進行施工步驟的模擬。實際下穿段左右線各僅有40 m，但在模型中隧道走向長度有95 m，對于非下穿段在模擬中將不再細化開挖順序，而是采取直接鈍化加支護的方式進行模擬，隧道開挖模擬施工步驟如下。

①開挖左線非下穿段前部并施作初支；

②施作左線非下穿段前部二襯；

③施作左線下穿段超前支護管棚；

④激活左線超前小導管注漿加固圈；

⑤依次開挖左線①～④(見圖5)，并在開挖每一部分后同時激活初期支護，每施工步進尺為1.6 m，直至左線下穿段開挖完成；

⑥拆除左線下穿段中隔壁；

⑦施作左線下穿段二襯；

⑧開挖左線非下穿段后部并施作初期支護；

⑨施作左線非下穿段后部二襯；

⑩開挖右線，其開挖順序與左線一致。

3.4 數(shù)值模擬結(jié)果分析

(1)左線開挖供水隧洞沉降影響分析

取左線隧道正上方供水隧洞的底板與拱頂進行分析，沉降曲線見圖7。可以發(fā)現(xiàn)，隨著左線開挖的進行，供水隧洞底板與拱頂?shù)某两刀贾饾u增大，同時供水隧洞的沉降在下穿隧道開挖越靠近其正下方的位置時，其沉降增長速率越快。在左線隧道開挖穿過與供水隧洞的交叉投影處前，底板與拱頂沉降相近，而穿過后底板的沉降要大于拱頂?shù)某两担@是因為開挖穿過交叉投影位置后，圍巖應力損失對供水隧洞的影響越為明顯。供水隧洞二襯與圍巖剛度的不同造成底板與拱頂?shù)牟町惓两怠Ｔ诓鸪淼乐懈舯诤螅┧矶吹装迮c拱頂沉降均急劇增大，沉降最大值為1 mm。

圖7 左線隧道開挖各施工階段供水隧洞沉降曲線

下穿段左線開挖支護完成后，供水隧洞底板在距左線隧道平面交叉投影中心不同位置處的沉降曲線見圖8，坐標原點為平面交叉投影中心，可以發(fā)現(xiàn)距交叉投影中心0.75B(B為隧道跨度)范圍以外，隧道開挖對輸水隧洞影響較小，隨著供水隧洞距下穿隧道水平距離越小，供水隧洞的沉降越來越大，并在交叉投影點處達到最大。

圖8 左線隧道開挖完成后供水隧洞沉降曲線

(2)右線開挖供水隧洞沉降影響分析

取右線線隧道正上方供水隧洞的底板進行分析，沉降曲線見圖9。可以發(fā)現(xiàn)，左線開挖對后行開挖的右線線隧道正上方供水隧洞段的影響很小；隨著右線下穿段開挖的進行，右線隧道正上方供水隧洞的底板沉降亦逐漸增大，且越靠近供水隧洞正下方，其沉降增長速率越快，在拆除隧道中隔壁后，供水隧洞底板沉降急劇增大，沉降最大值為1.2 mm。

圖9 隧道開挖各施工階段供水隧洞沉降曲線

待右線下穿段開挖支護完成，供水隧洞底板在不同位置處的沉降曲線見圖10。坐標原點為雙線隧道的中間分割線與供水隧洞的交點，可以發(fā)現(xiàn)，供水隧洞沉降曲線的兩個波峰都在其與雙線隧道的水平投影交叉點處，且隨著距離兩交叉點越遠，供水隧洞的沉降越小。

圖10 隧道開挖完成后供水隧洞沉降曲線

(3)供水隧洞受力分析

隧道施工過程中既有供水隧洞結(jié)構(gòu)拱頂最小主應力曲線見圖11。可以發(fā)現(xiàn)，每當隧道開挖穿過供水隧道下方，開挖隧道上方的供水隧洞段拱頂襯砌的最小主應力值會迅速增加。因此，當開挖左線時，最小主應力只有1個波谷；而當左線開挖支護后，繼續(xù)開挖右線時，最小主應力會有2個波谷。對比不同施工階段最小主應力曲線，可以發(fā)現(xiàn)左線隧道開挖及中隔壁拆除，左線拱頂襯砌最小主應力一直是0；而右線隧道開挖不同階段襯砌最小主應力變化很小，且右線拱頂襯砌一直處于壓應力狀態(tài)，這是因為左線隧道與既有供水隧洞凈距相比右線隧道更小，故左線開挖對其正上方供水隧洞的影響更大，造成左線對應的交叉投影位置供水隧洞襯砌最小主應力較右線大，即表現(xiàn)為左線接近0，右線受壓。而右線隧道開挖不同階段供水隧洞襯砌最小主應力變化很小，其原因為左線開挖已經(jīng)造成應力釋放，右線開挖為第二次應力釋放，對供水隧洞影響減弱。

圖11 供水隧洞襯砌最小主應力曲線

開挖支護過程中供水隧洞襯砌最小主應力極值為-19.9 MPa，小于C30混凝土的軸心抗壓強度標準值20.1 MPa，滿足要求。

區(qū)間隧道施工過程中既有供水隧洞結(jié)構(gòu)拱頂最大主應力曲線見圖12。由圖12可知，區(qū)間隧道施工過程中，當隧道開挖穿過供水隧道下方，開挖隧道上方的供水隧洞段的最大主應力值會迅速增大，由壓應力轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚Α?/p>

圖12 供水隧洞襯砌最大主應力曲線

當左線隧道開挖至與供水隧洞交叉投影位置時，既有供水隧洞拱頂襯砌的最大主應力極值為1.08 MPa；當左線下穿段中隔壁拆除后，最大主應力極值為1.36 MPa；當右線隧道開挖至與供水隧洞交叉投影位置時，最大主應力應力極值為1.40 MPa；當右線下穿段中隔壁拆除后，最大主應力應力極值為1.42 MPa。隧道開挖施工過程中供水隧洞拱頂?shù)淖畲笾鲬χ稻∮贑30混凝土的軸心抗拉強度標準值2.01 MPa，滿足要求。

4 結(jié)論

依托黑白面將軍山隧道工程，采用數(shù)值模擬的方法，研究雙線隧道施工對上方既有供水隧洞沉降與受力的影響，驗證開挖工法的可行性，主要結(jié)論如下。

(1)在下穿隧道開挖越靠近供水隧洞正下方的位置時，其沉降增長速率越快，在拆除隧道中隔壁后，供水隧洞底板與拱頂沉降均急劇增大，供水隧洞的底板沉降最大值為1.2 mm。

(2)左線開挖對后行開挖的右線線隧道正上方供水隧洞段的影響可以忽略不計，受隧道開挖影響較大的區(qū)域為距交叉投影中心0.75B(B為隧道跨度)范圍以內(nèi)。

(3)每當隧道開挖穿過供水隧道下方，開挖隧道上方的供水隧洞段的最小主應力值會迅速衰減。施工過程中隧洞襯砌最小主應力極值為-19.9 MPa，小于C30混凝土的軸心抗壓強度標準值20.1 MPa，滿足要求。

(4)區(qū)間隧道施工過程中，供水隧洞襯砌最大主應力極值為1.42 MPa，小于C30混凝土的軸心抗拉強度標準值2.01 MPa，驗證了所用開挖工法可以保證隧道下穿施工不會對既有供水隧洞造成損害。