供水隧洞在上穿公路隧道开挖作用下的稳定性研究

朱方敏， 蔡路军， 韩　芳， 吴　亮

(1.广东省水利电力勘测设计研究院， 广东 广州　510635；　2.武汉科技大学 理学院， 湖北 武汉　430065)

供水隧洞在上穿公路隧道开挖作用下的稳定性研究

朱方敏1， 蔡路军2， 韩芳2， 吴亮2

(1.广东省水利电力勘测设计研究院， 广东 广州510635；2.武汉科技大学 理学院， 湖北 武汉430065)

[摘要]东深供水沙湾隧洞已安全运行10余年，沙荷西路大望山公路隧道欲从其上方穿过，交叉段最小净距仅21.5 m，公路隧道开挖可能会对下方供水隧道的稳定性产生一定的影响。在分析供水隧洞初始状态的基础上，对上穿隧道开挖对供水隧洞的稳定性进行了数值模拟，得出供水隧洞围岩拉应力和压应力小幅增大，而供水隧洞衬砌应力呈现明显的增大趋势，最大拉应力由0.26 MPa增大到最大2.50 MPa，最大压应力由0.59 MPa增大到最大1.74 MPa，表明上穿隧道的开挖对供水隧洞衬砌产生了较大的附加应力，需采用特定的开挖工艺和加固措施，防止上穿隧道开挖引起供水隧洞的破坏。

[关键词]供水隧洞； 上穿隧道； 交叉隧道； 数值模拟； 稳定性

1工程背景

东深供水工程深圳段沙湾隧洞位于深圳水库北大望山，隧洞设计流量为73.3 m3/s，断面净宽6.8 m，净高7.9 m城门洞型式，洞底坡降比为1/3 500，隧洞长2 082.38 m，已安全运行10余年。深圳市沙荷西路大望山隧道欲在左线里程ZK0+500～ZK0+520、右线里程YK0+480～YK0+500处上方穿越东深供水沙湾隧洞，跨越段大望山公路隧道属Ⅳ围岩，不稳定；东深供水沙湾隧洞属Ⅴ类围岩，极不稳，岩体破碎或硬土状；平面上两者呈55°夹角。公路隧道左线开挖断面高约10.3 m，宽15.8 m，隧道底与供水隧洞顶部最小距离22.1 m；右线隧道底与供水隧洞净距21.5 m[1，2]。

东深供水隧洞是对港、深供水的生命线工程，须确保东深供水隧洞在大望山隧洞施工过程中的安全。文章在分析供水隧洞初始状态的基础上，对上穿公路隧道开挖对下方供水隧洞的影响进行数值模拟，分析隧道开挖引起的应力场变化及其对供水隧洞的影响，根据计算成果对供水隧洞衬砌结构的应力变化进行分析，就大望山隧道开挖对供水隧洞的安全影响进行评估，从而为供水隧洞的安全性提供必要的保障。

2计算模型与参数

根据地质参数以及东深供水改造工程的有关资料，建立跨越段的三维有限元模型，以供水隧洞走向为正南北向建模。模型范围：以交叉中心点沿水工隧道向北(南北方向)150 m，向南150 m，沿水工隧道中心线左、右线向外各约120 m，模型底部取供水隧洞洞底以下55 m。模型尺度：长×宽为300 m×240 m，高度根据实际地形图取值，数值分析采用ANSYS有限元分析软件进行，岩土采用实体SOLID45单元进行模拟，隧洞衬砌采用实体SOLID45单元进行模拟，单元数178 508个。

模型考虑了公路隧道与供水隧洞之间的空间位置关系，两种隧道交叉处高程的最小净间距为21.5 m，公路隧道轴线与供水隧洞轴线之间的夹角为55°。大望山隧道开挖有限元模型如图1所示。

图1　大望山隧道开挖有限元模型Figure 1　The FEM model of tunnel excavation

模型约束在4个竖向侧面和底面均采用法向约束，荷载主要考虑重力荷载，主要分析大望山隧道开挖后，围岩应力重分布对下方东深供水沙湾隧洞的应力及变形影响情况。本交叉段地质情况从上到下分别为全风化带、强风化带、弱风化带和微风化带。衬砌混凝土结构参数按设计资料选取，其中鉴于供水隧洞运行十年时间，计算中未考虑锚杆加固区，故衬砌结构材料参数考虑一定的折减。选取的岩土层基本力学参数和衬砌模型参数如表1所示。隧洞二次衬砌结构采用实体SOLID45单元进行模拟。为简化计算，计算中各材料均采用线弹性材料(MAT_ELASTIC)[3-7]。

表1 计算模型主要物理力学性质Table1 Mechanicalparametersofmodel材料密度ρ/(g·cm-3)弹性模量E/MPa泊松比μ内聚力C/kPa内摩擦角φ/(°)覆盖层全风化1.90300.352520强风化岩2.103000.3510028中风化岩2.107000.3030030弱风化2.40100000.25110038公路隧道衬砌2.5280000.167供水隧洞衬砌C25混凝土2.45260000.17

3计算结果及分析

3.1初始状态

现行供水隧洞运行正常，其应力状态相对于后续的上方公路隧道开挖来说为初始应力状态。要考虑公路隧道开挖对其影响，首先需对供水隧洞初始应力状态进行分析，以便于比较隧道开挖前后供水隧洞的应力和变形状态。供水隧洞衬砌初始应力状态如图2、图3所示(图示单位Pa，拉应力为正值，压应力为负值，下同)。

从图2、图3可以看出： ①沙湾供水隧洞围岩初始应力状态大部分为压应力状态，围岩最大压应力出现在供水隧洞腰部偏下位置，约为6.92 MPa。最大拉应力S1相对较小，为0.46 MPa，出现在隧洞拱脚处。 ②沙湾供水隧洞衬砌在拱底出现拉应力，最大为0.26 MPa，出现在拱底角部，小主应力均为压应力，最大压应力为0.59 MPa，它们均小于衬砌的许用安全应力。 ③本次计算只考虑了衬砌的支护作用，此时衬砌应力都没有超过安全允许值。其实实际上，隧洞受到喷射混凝土、锚杆和衬砌的共同作用，其稳定性会更好，因此，沙湾隧洞初始状态是安全可靠，其运行是稳定的。

(a) 围岩初始应力S1　　　　(b) 围岩初始应力S3　　　　

Figure 2The initial stress S1 and S3 of water tunnel surrounding rock

(a) 衬砌初始应力S1　　　(b) 衬砌初始应力S3　　　

3.2公路隧道开挖的影响分析

大望山隧道开挖前，供水隧洞围岩中存在着初始地应力场，处于某个稳定的平衡状态，随着大望山隧道开挖，岩体原有的稳定平衡状态被打破，初始应力场重新分布，形成二次应力场，引起沙湾供水隧洞的应力和位移变化，影响供水隧洞的运行，大望山隧道的开挖对供水隧洞的稳定存在着影响。考虑极限情况，模拟隧道开挖成形后供水隧洞的应力及变形状态，分析大望山隧道对沙湾供水隧洞的影响。

3.2.1变形分析

变形情况如图4、图5所示(图示正值为向上，负值为向下，单位为m)。

通过比较有限元计算成果，在大望山隧道开挖后，隧道下方交叉位置围岩产生较大的向上变形，水平向变形很小，围岩向上变形最大约为12 mm，衬砌变形为0.14 mm。围岩变形较衬砌大得多，这是因为围岩岩性较差，隧道开挖引起的应力变化对其应变产生较大的敏感性，而衬砌因其弹模大，对应力的变化较不敏感。由于围岩变形较大时会产生较大的形变压力，因此，必须对其变形时行控制，可在隧道开挖过程中采用固结灌浆等方式对隧道进行加固，可减小对围岩的变形，从而改善衬砌作用状态。

(a) 围岩初始变形UX　　　(b) 围岩初始变形UZ　　　

Figure 4The initial deformation UX and UZ of water tunnel surrounding rock

(a) 衬砌初始变形UX　　　　(b) 衬砌初始变形UZ　　　　

Figure 5The initial deformation UX and UZ of water tunnel lining

公路隧道开挖对衬砌的变形影响较小，因此，评估上穿隧道开挖对下方供水隧洞的稳定影响，应主要从衬砌的应力状态进行分析。

3.2.2应力分析

3.2.2.1供水隧洞衬砌整体应力分析

隧道开挖后供水隧洞衬砌应力如图6、图7所示。

根据计算并通过与供水隧洞衬砌初始应力图的对比，可以得出以下结论：

①大望山隧道开挖后，供水隧洞衬砌应力呈现明显的增大趋势，最大拉应力由0.26 MPa增大到最大2.72 MPa，最大压应力由0.59 MPa增大到最大1.74 MPa，说明隧道的开挖对供水隧洞衬砌产生了较大的附加应力。不符合规范中的C25混凝土1.78 MPa的标准抗拉强度，因此，隧道一次快速成形是不合理的，为了确保供水隧洞的安全，应该对隧道进行分步开挖，减小隧道开挖对供水隧洞的影响。 ②在大望山隧道与供水隧洞交叉段出现应力集中带，最大应力出现在衬砌内侧。

3.2.2.2供水隧洞围岩应力分析

图8为大望山隧道开挖后供水隧洞应力图。

(a) 衬砌大主应力S1　　　　(b) 衬砌小主应力S3　　　　

Figure 6The maximum principal stress S1 and the minimum principal stress S3 of water tunnel lining

(a) 衬砌应力SX　　　　

(b) 衬砌应力SY　　　　(c) 衬砌应力SZ　　　　

Figure 7The x-direction stress SX，the y-direction stress SY and the z-direction stress SZ of water tunnel lining

(a) 围岩大主应力S1　　　(b) 围岩小主应力S3　　　

Figure 8The maximum principal stress S1 and the minimum principal stress S3 of water tunnel surrounding rock

通过图8并比较图2，可以得出：

大望山隧道开挖前，供水隧洞围岩的应力状态基本为受压状态，最大压应力出现在隧洞腰部偏下位置，约为6.92 MPa；最大拉应力约为0.46 MPa，出现在隧洞拱脚处。公路隧道开挖使得供水隧洞围岩拉应力和压应力均略微增大，最大压应力为6.95 MPa，最大拉应力为0.57 MPa，位置不变。应力增幅较小，隧道开挖不会造成供水隧洞围岩破坏。

3.2.3结果分析

通过上述变形和应力结果比较分析，可以得出如下结论：

① 大望山隧道开挖使得供水隧洞围岩拉应力和压应力均略微增大，最大压应力由6.92 MPa增大到6.95 MPa，最大拉应力由0.46 MPa增大到0.57 MPa，最大应力出现位置不变，应力增幅较小，可见隧道开挖不会造成供水隧洞围岩破坏。

② 大望山隧道开挖后，隧道下方交叉位置围岩产生较大的向上变形，水平向变形很小。围岩向上变形最大约为12 mm，围岩变形对隧道开挖较敏感。隧道开挖对衬砌的位移增量变化很小，衬砌变形敏感性较低。采用隧道固结灌浆方法，可减小供水隧洞围岩变形，减小对衬砌的形变压力，建议在隧道开挖过程中应采用固结灌浆对隧道进行加固，从而改善供水隧洞衬砌的应力状态。

③ 大望山隧道开挖后，供水隧洞衬砌应力呈现明显的增大趋势，最大拉应力由0.26 MPa增大到最大2.50 MPa，最大压应力由0.59 MPa增大到最大1.74 MPa，说明隧道的开挖对供水隧洞衬砌产生了较大的附加应力。

④ 在大望山隧道与供水隧洞交叉段出现应力集中带，最大应力出现在衬砌内侧。

⑤ 在大望山隧道一次开挖成形过程中，供水隧洞衬砌最终大主应力也达到了1.90 MPa，SZ为1.77 MPa，不符合规范中的C25混凝土1.78 MPa的抗拉强度标准值和1.23的抗拉强度设计值，因此，隧道一次快速开挖成形是不合理的，为了加强供水隧洞安全，应该对隧道进行分步开挖，减小隧道开挖对供水隧洞的影响。

⑥ 上述成果按两洞竖向间距最小21.5 m计算所得，满足供水隧洞围岩不破坏的安全要求，但不满足供水隧洞衬砌结构承载力要求。欲满足供水隧洞围岩和衬砌结构的安全条件，可通过改进隧道开挖方式、加固方法或增大两洞竖向间距等方法实现。

4结论

① 既有供水隧洞运行稳定，初始状态安全。但在其上开挖公路隧道，是个复杂的施工过程，新建隧道会改变既有隧洞的受力状态，会影响其稳定性。

② 当上穿公路隧道一次开挖成形时，供水隧洞围岩拉应力和压应力均小幅增大，页供水隧洞衬砌应力呈现明显的增大趋势，最大拉应力由0.26 MPa增大到最大2.50 MPa，最大压应力由0.59 MPa增大到最大1.74 MPa，说明隧道的开挖对供水隧洞衬砌产生了较大的附加应力。

③ 隧道下方交叉位置围岩产生较大的向上变形，水平向变形很小，围岩变形对隧道开挖较为敏感。而隧道开挖对衬砌的位移增量变化很小，衬砌变形敏感性较低。

④ 上穿隧道的开挖会对下方供水隧洞的稳定产生影响，但通过采用小进尺开挖、加强支护、减小爆破药量等施工工艺，减小隧道开挖对供水隧洞衬砌结构的影响，同时加强供水隧洞衬砌的监测，可确保供水隧洞安全。

[参考文献]

[1]广东省水利电力勘测设计研究院.深圳市龙岗区沙荷路西段跨东深供水沙湾隧洞安全影响评价研究[R].广州：广东省水利电力勘测设计研究院，2013.

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[4]刘传利，漆泰岳，谭代明，等.近接隧道施工工序的数值模拟研究[J].隧道建设，2009，29(1)：50-53.

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[7]HSIN YU LOW，HONG HAO.Reliability analysis of reinforced concrete slabs under explosive loading[J].Structural Safety，2001，23：157-178.

Research on Stability of Water Supply Tunnel under the Effect of Upper Crossing Tunnel Excavation

ZHU Fangmin1， CAI Lujun2， WU Liang2， HAN Fang2

(1.Guangdong Hydropower Planning & Design Institute， Guangzhou， Guangdong 510635， China；2.Science College， Wuhan University of Science and Technology， Wuhan， Hubei 430065， China)

[Abstract]Shawan water supply tunnel has working safely for more than 10 years in Dongjiang-Shenzhen Water Project.The highway tunnel in Dawang Mountain on Shahe west road will cross over it.The minimum clear distance of the tunnel intersection is only 21.5 meters，which the tunnel excavation has a certain effect on the stability of the water supply tunnel.Based on the analysis of the initial state of the water supply tunnel，the stability of the water supply tunnel is studied by numerical simulation.The tensile stress and compressive stress of surrounding rock of the water supply tunnel are increased slightly，but the stress of the water supply tunnel lining shows an obviously increasing trend.The maximum tensile stress increases from 0.26 MPa to the maximum 2.50 MPa，the maximum compressive stress increases from 0.59 MPa to the maximum 1.74 MPa，which shows that the upper crossing tunnel excavation has a additional stress on the lining of the water supply tunnel.To prevent the damage of the water supply tunnel which caused by the upper crossing tunnel excavation，some specific excavation process and reinforcement measures are required.

[Key words]water supply tunnel； upper crossing tunnel； crossing tunnel； numerical simulation； stability

[中图分类号]U 455.6

[文献标识码]A

[文章编号]1674-0610(2016)01-0188-05

[作者简介]朱方敏(1976-)，男，湖北黄陂人，博士，高级工程师，主要从事水工建筑物及岩土工程的设计与科研工作。

[基金项目]湖北省教育厅重点基金项目(D20151105)；湖北省教育厅重点基金项目(2014CFB822)。

[收稿日期]2014-10-09