水工隧洞下穿公路隧道引起的沉降分析

赵 刚，潘 燕

（1.贵州省六盘水市盘州市水务局，贵州 六盘水 553500；2.贵州省水利水电勘测设计研究院有限公司，贵阳 550002）

隧道工程因其便利性、距离短等优势，被广泛应用在地铁、公路、水工等工程中，同时隧道工程的兴建出现隧道与既有构建筑物交叉、 隧道与隧道交叉的情况，对既有构建筑物（隧道）的施工可能会引发不利影响。因此，针对隧道临近既有构建筑物（隧道）施工的问题，众多科研工作者开展了一系列研究，并取得了丰硕成果。 常张武［1］利用三维有限元软件PLAXIS 3D，建立公路隧道下穿既有水工隧洞的三维数值模型，模拟了新建公路隧道施工过程，分析了公路隧道施工引起临近水工隧道的变形规律， 评估了工程的安全性。 刘均红［2］基于临近铁路隧道的引水隧洞工程，通过数值模拟手段，分析了引水隧洞采取爆破施工对临近铁路隧道的影响， 并对相关影响因素进行了敏感参数分析。刘立权等［3］利用ABAQUS软件建立三维数值模型，模拟了过水隧洞施工全过程，以临近公路隧道的变形和周边地表沉降为指标，评估了过水隧洞施工的稳定性和安全性。 刘晓强等［4］以某临近地下管线的隧道工程为研究对象， 基于能量法建立了变分控制方程， 创新性的提出了一种理论法计算隧道穿越引起的临近管线的变形。 并通过现场监测结果和试验结果验证了该理论方法的正确性。 丁玉仁［5］以某下穿既有公路隧道的引水隧洞工程为背景， 获得了引水隧道爆破施工下临近高速公路隧道的动力响应， 分析了爆破施工对临近公路隧道的影响规律。 赵建华［6］以某三孔小净距隧洞为研究对象， 分析了三孔小净距隧洞不同施工顺序对既有铁路的影响，确立了本工程最合适的施工工序。

本文基于某临近既有公路隧道的水工隧洞工程为例，通过理论法、有限元法、现场监测法对水工隧洞施工引起的公路隧道变形进行研究。

1 工程概况

本文以某临近公路隧道的水工隧洞为研究对象，图1给出了水工隧洞与公路双线隧道的位置关系图。 水工隧洞为城门洞型， 完成后的断面尺寸约14m×14m，隧洞全长共3412.8m。 双线公路隧道为单向双车道的分离式隧道，左线隧道桩号为K10+340～K11+956，全长共1616m，右线隧道桩号为K10+335～K11+975，全长共1640m。 公路双线隧道的横断面面基约68.8m2。水工隧洞与公路隧道交接位置在公路隧道左线桩号K10+835，右线桩号K10+848，交接位置左右线隧道中心线间距40m，公路隧道路面距水工隧洞拱顶24.6m。

图1 水工隧洞与公路双线隧道的位置关系

水工隧洞与公路隧道交接位置围岩等级为Ⅲ类，其稳定性相对较好，水文地质条件也较好。 水工隧洞施工采用钻爆法，分为上中下三台阶施工。先开挖上台阶并支护，随后施工中下两台阶。水工隧洞横断面导洞划分如图2。

图2 水工隧洞横断面导洞划分

2 理论计算法

2.1 理论公式

理论计算模型如图3。

图3 理论计算模型

本文理论方法基于刘晓强［4］能力变分法，主要介绍关键步骤。 具体如下，土体竖向位移uz计算公式如下：

对上式进行展开并化解，可得矩阵表达式：

式中 ［Kp］为既有隧道刚度；［Ks］为土体刚度。 通过Matlab对上述公式进行变成计算，就可得到土体竖向位移uz。

2.2 理论计算结果分析

图4给出了理论计算获得的水工隧洞施工引起的公路隧道沉降曲线。 从图4可看出，水工隧洞引起的公路隧道变形沉降满足正态分布， 公路隧道的沉降峰值约2.35mm，发生在水工隧洞中心线位置。水工隧洞引起的公路隧道竖向位移在距水工隧洞中心线23m范围内主要表现为沉降，在该范围之外竖向位移主要表现为隆起。并且，水工隧洞引起的公路隧道竖向位移满足相关规范限值。

图4 水工隧洞施工引起的公路隧道沉降曲线

3 有限元法

3.1 三维模型和材料参数

根据地勘资料和设计方案， 利用ABAQUS有限元软件建立三维隧道模型，三维模型如图5。 三维模型尺寸为长度140m、宽度130m、高度330m，水工隧洞拱底距模型底部距离为60m。采用四面体单元划分三维模型网格，模型共有210587个单元，42820个节点。由于隧道掘进过程中，上方公路隧道不停止运营，因此车辆运行荷载亦会对隧洞施工过程中的稳定性造成影响。 通过在公路隧道下表面施加面荷载模拟车辆运行荷载。依据经验并考虑超载等情况，运行车辆荷载面荷载为20kPa/m2。 建模过程中，通过植入式桁架单元模拟锚杆结构， 实体单元模拟混凝土初期衬砌和二次衬砌，围岩也采用实体单元模拟。既有公路隧道和水工隧洞交接处围岩等级为Ⅲ类。

图5 数值模型

微风化流纹岩和强-中等风化流纹岩的本构选择摩尔-库伦模型，初次衬砌、二次衬砌和锚杆结构本构选择弹性模型。 围岩和隧道结构的材料参数分别如表1和表2。

表1 围岩材料参数

表2 隧洞结构材料参数

3.2 施工步模拟

为了分析水工隧洞施工过程对既有公路隧道的影响，本次模拟三层开挖水工隧洞，具体施工步骤模拟如下：

除了水工隧洞锚杆外（围岩、既有隧道锚杆和衬砌、水工隧洞初期衬砌和二次衬砌、水工隧洞内部土体），其他网格均激活，设置围岩自重荷载并激活运行车辆荷载，设置约束，位移清零。

冻结水工隧洞上部分土体，同时设置荷载释放系数，分步释放围岩应力，荷载释放系数为0.5和0.25。

激活水工隧洞上部分锚杆和混凝土初衬， 同时设置实体单位参数模拟初衬混凝土属性。

冻结水工隧洞中间层土体， 同时设置荷载释放系数，分别为0.5和0.25。

激活水工隧洞中间部分锚杆和混凝土初衬，同时设置实体单位参数模拟初衬混凝土属性。

冻结水工隧洞下部分土体， 同时设置荷载释放系数，分别为0.5和0.25。

激活水工隧洞下部分锚杆和混凝土初衬， 同时设置实体单位参数模拟初衬混凝土属性。

激活二次衬砌实体单位， 改变其属性模拟二次衬砌。

3.3 数值模拟结果分析

图6给出了水工隧洞施工完成后公路隧道的竖向变形云图。从图中可以看出，随着距水工隧洞中心线的距离增大， 公路隧道的竖向变形迅速减小并逐渐趋于稳定。可见，水工隧洞施工对一定范围的公路隧道变形存在显著影响。

图6 水工隧洞施工完成后公路隧道的竖向变形云图

为了进一步研究水工隧洞施工对公路隧道变形的影响范围， 在公路隧道车辆运行方向上依次选择15个观测点（观测点为左右线隧道路面中点每隔10m选取），图7给出了左右线隧道拱顶竖向位移曲线。如图7所示，水工隧洞施工完成引起的公路隧道表面沉降符合peck曲线。 公路隧道沉降槽宽度约50m，左线隧道沉降峰值约2.66mm， 右线隧道沉降峰值约2.88mm，左右两线隧道沉降规律基本一致。进一步观察可知，在距水工隧洞中心线25m范围内，公路隧道路面沉降主要表现为沉降， 其变形规律基本符合正态分布。 而在距水工隧洞中心线25m范围外，公路隧道路面沉降主要表现为隆起， 且当距水工隧洞中心线超过30m时，隆起值趋于稳定，约0.14mm。

图7 左右线隧道拱顶竖向位移曲线

4 现场监测分析

4.1 监测方案

在公路隧道路面布置观测点， 在水工隧洞中心线布置1个观测点， 在距中心线8.2m处布置2个观测点，其余每隔20m布置一观测点，共布置7个观测点。左右两线布置原则一样，观测范围共96.4m。

4.2 监测结果分析

图8给出了公路隧道路面沉降的观测结果、理论结果和数值模拟结果的对比曲线。 从图8可看出，公路隧道左线沉降监测值略小于右线沉降监测值，其中左线隧道的累计沉降峰值约-2.75mm，右线隧道的累计沉降峰值约-2.98mm，两者均小于安全评估报告的限值（5mm）。 进一步观察可知，现场监测结果与数值结果及理论结果吻合较好， 在距水工隧洞中心线20m范围内，三者均满足正态分布。具体来说，公路隧道最大沉降的理论值约2.37mm， 左右线公路隧道的最大沉降的模拟值分别为2.66mm和2.88mm，公路隧道最大沉降的现场监测值约2.75mm和2.98mm。 可见， 现场监测结果的吻合很好地验证了数值模拟和理论计算的正确性。水工隧洞施工过程中，公路隧道在水工隧洞中心线20m范围内主要表现为下沉，在水工隧洞中心线处的沉降值最大。 从现场监测数据可以看出，在距水工隧洞中心线20～50m范围内，竖向变形主要表现为隆起， 隆起位移峰值出现在距右线隧道50m处，约1.64mm。

图8 公路隧道路面沉降的对比曲线

5 结语

（1）通过数值模拟计算，得到公路隧道变形沉降满足正态分布，其沉降峰值约2.35mm，说明变形部位在中心线周围。

（2）公路隧道竖向位移距水工隧洞中心线23m范围的变形状况为沉降，而在23m范围之外公路隧道竖向位移则为隆起状态。

（3）公路隧道竖向变形随距水工隧洞中心线距离增大，而迅速减小并逐渐趋于稳定。 变形规律符合正态分布，在水工隧洞中心线25m范围内，公路隧道路面沉降呈现沉降状态。 在水工隧洞中心线25～30m内，公路隧道路面沉降呈现隆起状态，在水工隧洞中心线超过30m时，隆起值约0.14mm，状态趋于稳定。

（4）公路隧道左线沉降监测值略小于右线沉降监测值， 左右线隧道的累计沉降峰值分别为-2.75mm和-2.98mm，并且均在安全评估报告限值（5mm）范围内。 在水工隧洞中心线20m范围内，公路隧道表现为下沉状态，并且沉降值最大。根据实际监测数据得出，距水工隧洞中心线20～50m内，竖向变形为隆起状态，其位移峰值约1.64mm，在右线隧道50m处。