双线隧道近距离下穿对既有供水隧洞的影响
时间：2023-06-22 15:10:04 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
唐福尧
(中国铁建投资集团有限公司，北京 100855)
在城市轨道交通工程建设中，常会遇到新建隧道下穿既有隧道的问题，这给工程施工的变形控制带来考验。如果在设计施工过程中对隧道变形控制不严，就可能造成严重的事故。不同的隧道开挖方式对隧道稳定性影响不同，若开挖方式不当，会影响其邻近建构筑物的安全稳定[1-3]。在结构变形规律预测和沉降控制标准方面，杨子璇等对地铁隧道下穿既有地铁车站的沉降规律进行研究[4]；
杨艳玲等研究盾构法下穿对临近建构筑物的影响，认为新建隧道施工导致既有隧道周围土体形成松动圈，是诱使既有隧道发生变形的主要原因[5-8]；
卢健等通过数值模拟和现场实测的方法，对双线隧道施工诱发地表沉降的规律进行研究，发现隧道埋深和隧道间距对地表沉降影响较大[9-10]；
蔡志伟等研究了隧道下穿对周边建筑物的影响，并提出控制措施[11-14]；
张常委等对隧道下穿建筑物的施工技术要点进行了总结[15-16]；
翁贤杰等对新建隧洞下穿既有供水隧洞的施工关键技术进行了研究[17-18]，但鲜有关于新建隧道施工对既有供水隧洞的影响的分析研究。
以下运用数值模拟的手段，依托黑白面将军山隧道下穿某供水隧道，分析在现有设计支护方案下，双线公路隧道在开挖过程中对既有供水隧洞的影响。
1.1 隧道下穿段工程概况
黑白面将军山隧道位于珠海市南湾城区，穿越黑白面将军山，隧道为双洞双向六车道隧道，采用新奥法施工。
与本工程发生交叉的供澳输水隧洞为直墙式隧洞，宽3.2 m，高2.75 m，衬砌为C30混凝土，厚度为100 mm，设计使用年限30年，供水隧洞结构形式见图1。
图1 供水隧洞结构形式(单位：m)
该引水隧洞与黑白面将军山隧道右线交于YK4+568，与左线交于ZK4+580，交叉处平面位置见图2。既有供水隧洞距右线隧道为5.25 m，距左线隧道为4.86 m，两隧道水平净距为26 m，相对位置见图3。
图2 供水隧洞与双线隧道交叉段平面(单位：m)
图3 供水隧洞与双线隧道交叉段剖面(单位：m)
1.2 工程地质与水文地质条件
隧道主体工程以丘坡地貌为主，下穿段地层自上而下为全风化石英闪长岩、强风化石英闪长岩、中风化石英闪长岩与微风化石英闪长岩，具体地层划分见图4。
图4 双线隧道下穿段地层剖面
覆盖地层富水性差，基岩裂隙水主要赋存于下伏基岩强-弱风化带裂隙中，施工过程中局部可见裂隙水渗出。
2.1 超前支护方案
为保证既有供水隧洞的结构安全，对下穿隧道ZK4+560～ZK4+600、YK4+550～YK4+590段采用“洞身管棚+超前小导管”超前支护方案。管棚采用φ89 mm无缝钢管，壁厚5 mm，管壁四周设注浆孔，呈梅花形布置，以1°～2°打入拱部围岩；
超前小导管采用外径42 mm，壁厚3.5 mm的热轧无缝钢管，四周设注浆孔，超前小导管施工时，以5°～12°打入拱部围岩。
2.2 开挖方案
下穿段采用CD法开挖，左右线隧道断面形式一致，隧道跨度为16.56 m，高度为10.34 m。锚杆长度为4 m，环向间距为1 m，纵向间距为1.6 m。施工中先行开挖左线，后开挖右线，同时保证施工间距30 m以上。CD法开挖方案见图5。
图5 双线隧道下穿段CD法开挖方案
首先隧道爆破开挖1部，施作初期支护及临时支护；
再依次爆破开挖2、3、4部，并紧跟施作初期支护及临时支护，最后施作仰拱与二衬。初支喷射C25混凝土，厚度为26 cm；
二衬混凝土为C35，厚度为55 cm；
中隔壁厚度为26 cm，混凝土为C25。
3.1 模拟概况
采用有限元模型模拟隧道开挖施工阶段，模型的上边界为地面，下边界为隧道底部30 m，横边方向边界距隧道拱腰30 m，模型总尺寸为120 m×95 m×167 m，见图6。
图6 有限元模型
其中，隧道初支、二衬及管棚均采用弹性本构单元，土层和超前小导管加固圈采用弹塑性本构单元，隧道初支、中隔壁采用板单元，隧道二衬与供水隧洞二衬均采用实体单元，隧道锚杆采用植入式桁架单元，管棚采用梁单元。考虑水对供水隧洞的压力影响，在供水隧洞内侧二衬直墙与底板施加静水压力，水位高度为1.65 m。模型边界条件设置如下：左右边界限制X向横向位移，前后边界限制Y向横向位移，底部边界固定，上部边界自由。
3.2 模型所需物理力学参数的确定
依据已有勘察报告和设计资料，根据围岩等级、岩土体类型和性质，综合确定各岩土层物理力学参数；
隧道与输水隧洞支护结构根据设计施工所用材料确定其物理力学参数见表1。
表1 模型物理力学参数
3.3 隧道开挖施工步骤模拟
该双线公路隧道下穿段采用CD法施工，依据施工组织，先开挖左线，后开挖右线。在本次模拟中，将根据开挖顺序进行施工步骤的模拟。实际下穿段左右线各仅有40 m，但在模型中隧道走向长度有95 m，对于非下穿段在模拟中将不再细化开挖顺序，而是采取直接钝化加支护的方式进行模拟，隧道开挖模拟施工步骤如下。
①开挖左线非下穿段前部并施作初支；
②施作左线非下穿段前部二衬；
③施作左线下穿段超前支护管棚；
④激活左线超前小导管注浆加固圈；
⑤依次开挖左线①～④(见图5)，并在开挖每一部分后同时激活初期支护，每施工步进尺为1.6 m，直至左线下穿段开挖完成；
⑥拆除左线下穿段中隔壁；
⑦施作左线下穿段二衬；
⑧开挖左线非下穿段后部并施作初期支护；
⑨施作左线非下穿段后部二衬；
⑩开挖右线，其开挖顺序与左线一致。
3.4 数值模拟结果分析
(1)左线开挖供水隧洞沉降影响分析
取左线隧道正上方供水隧洞的底板与拱顶进行分析，沉降曲线见图7。可以发现，随着左线开挖的进行，供水隧洞底板与拱顶的沉降都逐渐增大，同时供水隧洞的沉降在下穿隧道开挖越靠近其正下方的位置时，其沉降增长速率越快。在左线隧道开挖穿过与供水隧洞的交叉投影处前，底板与拱顶沉降相近，而穿过后底板的沉降要大于拱顶的沉降，这是因为开挖穿过交叉投影位置后，围岩应力损失对供水隧洞的影响越为明显。供水隧洞二衬与围岩刚度的不同造成底板与拱顶的差异沉降。在拆除隧道中隔壁后，供水隧洞底板与拱顶沉降均急剧增大，沉降最大值为1 mm。
图7 左线隧道开挖各施工阶段供水隧洞沉降曲线
下穿段左线开挖支护完成后，供水隧洞底板在距左线隧道平面交叉投影中心不同位置处的沉降曲线见图8，坐标原点为平面交叉投影中心，可以发现距交叉投影中心0.75B(B为隧道跨度)范围以外，隧道开挖对输水隧洞影响较小，随着供水隧洞距下穿隧道水平距离越小，供水隧洞的沉降越来越大，并在交叉投影点处达到最大。
图8 左线隧道开挖完成后供水隧洞沉降曲线
(2)右线开挖供水隧洞沉降影响分析
取右线线隧道正上方供水隧洞的底板进行分析，沉降曲线见图9。可以发现，左线开挖对后行开挖的右线线隧道正上方供水隧洞段的影响很小；
随着右线下穿段开挖的进行，右线隧道正上方供水隧洞的底板沉降亦逐渐增大，且越靠近供水隧洞正下方，其沉降增长速率越快，在拆除隧道中隔壁后，供水隧洞底板沉降急剧增大，沉降最大值为1.2 mm。
图9 隧道开挖各施工阶段供水隧洞沉降曲线
待右线下穿段开挖支护完成，供水隧洞底板在不同位置处的沉降曲线见图10。坐标原点为双线隧道的中间分割线与供水隧洞的交点，可以发现，供水隧洞沉降曲线的两个波峰都在其与双线隧道的水平投影交叉点处，且随着距离两交叉点越远，供水隧洞的沉降越小。
图10 隧道开挖完成后供水隧洞沉降曲线
(3)供水隧洞受力分析
隧道施工过程中既有供水隧洞结构拱顶最小主应力曲线见图11。可以发现，每当隧道开挖穿过供水隧道下方，开挖隧道上方的供水隧洞段拱顶衬砌的最小主应力值会迅速增加。因此，当开挖左线时，最小主应力只有1个波谷；
而当左线开挖支护后，继续开挖右线时，最小主应力会有2个波谷。对比不同施工阶段最小主应力曲线，可以发现左线隧道开挖及中隔壁拆除，左线拱顶衬砌最小主应力一直是0；
而右线隧道开挖不同阶段衬砌最小主应力变化很小，且右线拱顶衬砌一直处于压应力状态，这是因为左线隧道与既有供水隧洞净距相比右线隧道更小，故左线开挖对其正上方供水隧洞的影响更大，造成左线对应的交叉投影位置供水隧洞衬砌最小主应力较右线大，即表现为左线接近0，右线受压。而右线隧道开挖不同阶段供水隧洞衬砌最小主应力变化很小，其原因为左线开挖已经造成应力释放，右线开挖为第二次应力释放，对供水隧洞影响减弱。
图11 供水隧洞衬砌最小主应力曲线
开挖支护过程中供水隧洞衬砌最小主应力极值为-19.9 MPa，小于C30混凝土的轴心抗压强度标准值20.1 MPa，满足要求。
区间隧道施工过程中既有供水隧洞结构拱顶最大主应力曲线见图12。由图12可知，区间隧道施工过程中，当隧道开挖穿过供水隧道下方，开挖隧道上方的供水隧洞段的最大主应力值会迅速增大，由压应力转变为拉应力。
图12 供水隧洞衬砌最大主应力曲线
当左线隧道开挖至与供水隧洞交叉投影位置时，既有供水隧洞拱顶衬砌的最大主应力极值为1.08 MPa；
当左线下穿段中隔壁拆除后，最大主应力极值为1.36 MPa；
当右线隧道开挖至与供水隧洞交叉投影位置时，最大主应力应力极值为1.40 MPa；
当右线下穿段中隔壁拆除后，最大主应力应力极值为1.42 MPa。隧道开挖施工过程中供水隧洞拱顶的最大主应力值均小于C30混凝土的轴心抗拉强度标准值2.01 MPa，满足要求。
依托黑白面将军山隧道工程，采用数值模拟的方法，研究双线隧道施工对上方既有供水隧洞沉降与受力的影响，验证开挖工法的可行性，主要结论如下。
(1)在下穿隧道开挖越靠近供水隧洞正下方的位置时，其沉降增长速率越快，在拆除隧道中隔壁后，供水隧洞底板与拱顶沉降均急剧增大，供水隧洞的底板沉降最大值为1.2 mm。
(2)左线开挖对后行开挖的右线线隧道正上方供水隧洞段的影响可以忽略不计，受隧道开挖影响较大的区域为距交叉投影中心0.75B(B为隧道跨度)范围以内。
(3)每当隧道开挖穿过供水隧道下方，开挖隧道上方的供水隧洞段的最小主应力值会迅速衰减。施工过程中隧洞衬砌最小主应力极值为-19.9 MPa，小于C30混凝土的轴心抗压强度标准值20.1 MPa，满足要求。
(4)区间隧道施工过程中，供水隧洞衬砌最大主应力极值为1.42 MPa，小于C30混凝土的轴心抗拉强度标准值2.01 MPa，验证了所用开挖工法可以保证隧道下穿施工不会对既有供水隧洞造成损害。
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