新建高速公路隧道上跨既有引水隧洞安全性分析与评价

王希宝，袁 松，陈文宇，张 生

(1.四川省交通勘察设计研究院有限公司 成都市 610017；2.四川省公路规划勘察设计研究院有限公司 成都市 610041)

1 工程概况

根据设计方案，某高速公路扩容项目K线顾家山隧道上跨穿越既有栖云山引水隧洞。顾家山隧道为分离式隧道，单洞四车道，线间距30m，开挖净距约24.8m。隧道建筑限界19.0×5.0m[1]，开挖轮廓线净宽约22.2m。

人民渠栖云山隧洞为城门洞型，底净宽7.0m，净高3.5m[2]。浆砌条石衬砌厚度为0.5m。顾家山隧道于栖云山隧洞上方斜交穿越，右线交叉桩号K70+950，左线交叉桩号K70+970，交叉角度44°。交叉处左线设计高程585.55m，栖云山隧洞洞底高程约540m，垂直净距约34m。

栖云山隧洞每年大小春季节通水，冬歇期检修。隧洞洞身段浆砌条石衬砌基本完好。为确保高速公路隧道设计方案可行，需评估隧道施工及建成后对人民渠安全性的影响。新建隧道上跨既有隧道爆破振动分析常采用理论分析法和数值分析法[3-5]。

2 计算模型

2.1 模型的建立

空间模型完全按照实际尺寸建模，尽可能少做简化处理。为了评估新建成绵扩容隧道穿越对既有的引水隧洞的影响，建立三维模型如图1、图2所示。模型长×宽×高为330m×30m×(左150m，右210m)，新建左隧道埋深约为63m，右隧道埋深约为70m。扩容隧道与引水隧洞高差约为36.5m。边界条件为：四周方向施加水平约束，下边界施加垂直约束，地表为自由面。

图1 左线交叉处横剖面模型

图2 空间有限元模型示意图

2.2 参数的选取

根据初勘地质资料[2]，地层以砂岩为主，模型地层及结构有关参数如表1所示。

表1 模型计算参数

2.3 计算工况

针对成绵扩容隧道穿越既有引水隧洞，左右洞前后推进可能存在施工情况，梳理确定了四种施工工况，如表2所示。

表2 施工方案设计

2.4 计算结果分析

2.4.1应力

既有状态下引水隧洞衬砌应力状态见图3(a)，四种开挖支护工况(高速隧道)下引水隧洞衬砌应力状态见图3(b)～图3(e)。

图3 不同工况下引水隧洞的最大主应力云图

根据结构材料的技术指标确定的应力控制标准见表3。各工况结构最小主应力计算结果见表4。

表3 结构应力控制标准

表4 各工况下结构最小主应力计算结果(单位：MPa)

由计算结果可以得出以下结论：

(1)顾家山隧道施工通过前后，栖云山隧洞衬砌受力均小于结构应力控制标准。总体来看，顾家山隧道开挖将导致既有隧洞衬砌受力略有改善。

(2)顾家山隧道施工时，左洞超前有助于降低下方隧洞的衬砌应力，同时隧道衬砌本身的应力也较小。

2.4.2位移

新建隧道四种施工工况下引水隧洞衬砌沉降如图4(a)～图4(d)。

图4 不同工况下引水隧洞的沉降云图

各工况下栖云山隧洞最大竖向位移计算结果见表5。

表5 衬砌拱顶最大竖直位移计算结果(单位：mm)

位移计算结果表明：

(1)新建隧道开挖后，引水隧洞与衬砌受力状态得到改善的同时，其拱顶位移表现为向上(回弹)。

(2)新建隧道的开挖顺序对既有引水隧洞位移计算结果差异较小，总体上看，仍然是左洞超前引水隧洞衬砌的位移较小。

2.5 计算结论

顾家山隧道位于人民渠栖云山隧洞上方，顾家山隧道的开挖将改变栖云山隧洞周边应力场，导致既有栖云山隧洞衬砌结构受力状态得到改善，表现为衬砌内力极值降低，拱顶下沉减少。总体来看，顾家山隧道开挖不会对下方既有人民渠栖云山隧洞造成不利影响，同时顾家山隧道本身衬砌结构受力也在允许值范围内。

3 引水隧洞结构爆破振动安全性评价

3.1 分析思路

顾家山隧道施工过程中，由于爆破开挖的影响，可能会对引水隧洞结构造成影响。此处根据文献[6]中的相关振动速度限值来进行炸药量的反算，得到合理的爆破用药量，避免对引水隧洞的结构造成影响。

3.2 爆破安全判定依据

美国、德国等西方国家的地震和爆破安全相应规范中已经将频率列入评价体系当中。根据文献[6]中交通隧道的振速限值按不同频率范围分别作出了相应的要求，如表6所示。

表6 爆破振动安全允许标准(部分)

3.3 爆破计算

采用业内认可的萨道夫斯基提出的衰减经验公式：

(1)

式中：Q—炸药量，kg；

R—炸源至测点间距离，m，取40m(隧道中心)；

m—药量指数，m=1/3或1/2；

k、a—与爆破点地形、地质有关的系数和衰减指数，不同岩性k、a值如表7。

表7 爆区不同岩性的k、a值

从表6可看出，一般水工隧道的安全允许质点振动振速为7～15cm/s。由于既有引水隧道为浆砌结构，从安全角度考虑，取低值为v=7cm/s。计算k、a取值(软岩)为k=300、a=1.9、m=1/2，依据文献[6]，由式(1)可推算出：Qmax=30.66kg。

3.4 爆破计算结论

根据计算结果，在施工中通过选择合适的开挖工法，严格控制单次爆破装药量不大于30kg，可基本避免爆破振动影响下方既有隧洞。

4 结论

(1)有限元数值计算方法是分析评估新建隧道上跨既有隧道(洞)影响的可行方法，本例从控制隧道变形角度考虑，建议左洞施工超前掘进，左右洞间距100m以上。

(2)通过取文献[6]所规定范围内的交通隧道(引水隧洞)安全允许质点振动振速值来反算出成绵扩容隧道施工过程中所允许的最大用药量为30.66kg。

(3)为进一步保证在隧道施工过程中引水隧洞的结构安全，在施工到达引水隧道上方时，可采用增加台阶步数或缩短进尺等方式，进一步减少爆破装药量从而减轻爆破振动。