大斷面公路隧道下穿對既有水利渠的變形影響分析

摘 要：文章以某新建高速公路隧道下穿水電站既有水利渠工程為背景，采用數值計算方法分析大斷面公路隧道下穿對既有水利渠變形的影響。結果表明：隧道開挖引起的水利渠變形主要表現為豎向沉降位移，沉降位移主要集中在水利渠與隧道交叉處前后10 m的隧道開挖范圍；隧道左右洞凈距小，在后行洞施工過程中，施工存在圍巖二次擾動，會使水利渠的沉降位移進一步增大；公路隧道開挖后，水利渠的沉降位移曲線近似“W”形。

關鍵詞：大斷面；公路隧道；水利渠；沉降

中圖分類號：U455.4

0 引言

隨著鄉村振興的穩步推進，山區公路建設發展迅速，新建公路隧道越來越多。受山區地形、生態敏感點以及路線指標等因素的制約，在有限的地層空間下，公路難免以淺埋隧道的方式下穿既有水力設施。公路隧道開挖一般采用控制爆破方式，開挖過程中產生爆破振動影響，對鄰近的既有水力設施極為不利。隧道下穿既有構造物一直是眾多學者的研究熱點，如張樹才［1］研究了暗挖地鐵隧道下穿輸水管廊結構變形，王立強［2］研究了公路隧道下穿既有公路施工變形控制，趙凱等［3］研究分析了大斷面水工隧洞下穿既有公路隧道沉降影響，燕波等［4］以圍巖徑向位移釋放率為指標，研究了超大斷面隧道下穿施工圍巖穩定性。雖然學者們在隧道下穿既有構造物方面取得了一定的研究成果，但關于大斷面隧道下穿既有水利渠方面的研究較少。本文以某新建高速公路隧道下穿水電站既有水利渠工程為背景，采用數值計算，分析大斷面公路隧道下穿對既有水利渠的變形影響，以期為類似工程提供參考。

1 工程概況

某隧道為高速公路短隧道，建筑限界凈寬13.75 m，凈高5 m，隧道設計雙洞單向行車，設計行車速度為120 km/h。隧道最大開挖寬度為17 m，開挖高度為11.5 m，左右洞相距15 m，為小凈距隧道。

高速公路隧道附近約60 m處有一水電站，水電站采用水利渠引水。在距隧道洞口約20 m處，公路隧道下穿水電站水利渠，水利渠寬3 m，距新建隧道頂厚度約10 m。隧道洞口段斜坡較陡，角度約30°，圍巖主要以中風化砂巖為主，局部地表覆蓋薄層第四系殘坡積硬塑狀黏土及人工堆砌塊石。

2 數值計算

選用Midas GTS NX軟件進行數值模擬仿真計算，簡化部分影響較小的因素，以隧道所處實際地形、地質條件建立數值計算模型進行分析。模型長160 m、寬70 m，模型左右、前后設置水平約束，底部設置豎向約束，頂部不設置約束，計算模型如圖1所示。以隧道掘進方向為X方向，洞口處X=0 m；以隧道橫斷面方向為Y方向，左右洞中部處Y=0 m；以豎向為Z方向；選取右洞為先行洞，左洞為后行洞進行計算分析。

圍巖采用摩爾-庫侖本構模型，隧道初期支護、二次襯砌、水利渠采用彈性模型，材料物理力學參數如表1所示。

3 結果分析

3.1 圍巖位移變形

隧道開挖會對圍巖造成擾動，使圍巖應力重分布，引起圍巖位移，進而影響隧道上方水利渠。為分析水利渠正下方圍巖位移情況，選取距離洞口20 m處截面進行分析，圖2為隧道左右洞開挖完成后距離洞口X=20 m截面圍巖豎向位移云圖。為分析隧道開挖方向上圍巖位移情況，選取右線隧道中線截面進行分析，圖3為隧道左右洞開挖完成后右線隧道中線截面圍巖豎向位移云圖。

由圖2、圖3可知，隧道開挖后，圍巖豎向位移表現為往洞內發展，拱頂上方圍巖豎向位移表現為沉降，沉降在拱頂附近達到最大，隨著與隧道拱頂距離增大，圍巖豎向位移逐漸減小；隧道拱底圍巖豎向位移表現為隆起，在仰拱底中心附近達到最大，隨著與隧道拱底距離增大，圍巖豎向位移逐漸減小。

3.2 水利渠位移變形

圖4和圖5分別為隧道左右洞開挖完成后水利渠水平位移云圖、豎向位移云圖。隧道左右洞開挖完成后，水

利渠豎向位移主要分布在隧道拱頂上方，最大豎向位移為1.94 mm，隨著距離隧道越近，豎向位移越大，由于左右洞距離較近，隧道開挖對中夾巖上方水利渠也有一定的影響；水利渠水平位移主要分布在隧道拱頂上方兩側，最大水平位移為0.47 mm。對比水利渠豎向位移和水平位移云圖，隧道開挖引起的水利渠變形主要表現為豎向沉降位移。

為便于分析隧道開挖過程中水利渠沉降位移規律，選取水利渠頂、水利渠底典型監測點進行研究分析，監測點布置如圖6所示。

圖7為右洞開挖過程中右洞中線處水利渠監測點施工沉降曲線圖，圖8左洞開挖過程中左洞中線處水利渠監測點施工沉降曲線圖。隨著隧道往前掘進，水利渠各監測點位沉降逐漸增大，在掌子面距離洞口前10 m開挖過程中，水利渠沉降增加緩慢，增幅較小，在掌子面距離洞口10 m到30 m掘進過程中，水利渠沉降迅速增大，右洞增幅約70.9%，左洞增幅約76.3%，在掌子面距離洞口超過30 m后，水利渠沉降增加變緩，增幅減小。由此可見，隧道開挖過程中引起水利渠位移主要集中在水利渠與隧道交叉處前后10 m范圍內隧道開挖。

研究隧道為小凈距隧道，選取隧道中夾巖中部處上方水利渠斷面進行分析，圖9為右洞開挖過程中左右洞中部處水利渠監測點施工沉降曲線圖，圖10為左洞開挖過程中左右洞中部處水利渠監測點施工沉降曲線圖。在右洞先行洞掘進過程中，水利渠監測點沉降逐漸增大，在掌子面距離洞口前10 m開挖過程中，水利渠沉降增加緩慢，增幅較小，在掌子面距離洞口10～30 m掘進過程中，水利渠沉降迅速增大，增幅約75.5%，在掌子面距離洞口＞30 m后，水利渠沉降增加變緩，增幅減小。

在左洞后行洞掘進過程中，水利渠的沉降位移進一步增大，水利渠監測點沉降位移規律基本和先行洞一致，在掌子面距離洞口前10 m開挖過程中，水利渠沉降增加緩慢，增幅較小，在掌子面距離洞口10～30 m掘進過程中，水利渠沉降迅速增大，增幅約35%，在掌子面距離洞口＞30 m后，水利渠沉降增加變緩，增幅減小。

右洞先行洞開挖完成后，隧道中夾巖中部處水利渠監測點A、B、C、D、E沉降位移分別為0.52 mm、0.44 mm、0.34 mm、0.18 mm、0.19 mm。左洞后行洞開挖完成后，隧道中夾巖中部處水利渠監測點A、B、C、D、E沉降位移分別為1.10 mm、0.92 mm、0.72 mm、0.38 mm、0.40 mm。由此可見，水利渠靠近山體一側沉降位移大于靠近洞口一側沉降位移。

圖11為隧道左右洞開挖完成后水利渠監測點沉降曲線圖，隧道開挖完成后，水利渠的沉降變形近似“W”形，水利渠沉降位移主要分布在距離左右洞中部-40～40 m范圍，中夾巖上方水利渠沉降位移小于隧道拱頂上方水利渠沉降位移，右洞拱頂處上方水利渠監測點A、B、C、D、E沉降位移分別為1.86 mm、1.91 mm、1.82 mm、1.58 mm、1.56 mm，左洞拱頂處上方水利渠監測點A、B、C、D、E沉降位移分別為1.80 mm、1.84 mm、1.75 mm、1.51 mm、1.49 mm。由此可見，水利渠靠近山體一側沉降位移大于靠近洞口一側沉降位移。

4 結語

本文以某新建高速公路隧道下穿水電站既有水利渠工程為背景，采用數值計算分析大斷面公路隧道下穿對既有水利渠的變形影響，結論如下：

（1）隧道開挖引起的水利渠變形主要表現為豎向沉降位移，隨著公路隧道的開挖，水利渠沉降位移逐漸增大，水利渠沉降位移主要集中在水利渠與隧道交叉處前后10 m范圍內隧道開挖。

（2）隧道左右洞凈距小，施工存在圍巖二次擾動，在后行洞施工過程中，水利渠的沉降位移進一步增大。

（3）公路隧道開挖后，水利渠的沉降位移近似“W”形，水利渠沉降位移主要分布在距離左右洞中部-40～40 m范圍。

參考文獻：

［1］張樹才.暗挖地鐵隧道下穿輸水管廊結構變形分析［J］.鐵道建筑，2023，63（3）：118-122.

［2］王立強.公路隧道下穿既有公路施工變形控制［J］.公路，2021，66（7）：351-355.

［3］趙 凱，崔允亮，李明照，等.大斷面水工隧洞下穿既有公路隧道沉降影響分析［J］.水利水電技術（中英文），2021，52（3）：162-168.

［4］燕 波，張俊儒，張新錦，等.基于圍巖徑向位移釋放率的超大斷面隧道下穿施工圍巖穩定性研究［J］.現代隧道技術，2023，60（2）：115-124.20240423