公路隧道上跨电站有压引水隧洞的结构影响分析

2022-06-19滕振楠吴聪田志宇陈行

四川建筑 2022年2期

滕振楠吴聪田志宇陈行

摘要：国道347线茂红路改建工程苦地瓜子隧道上跨柳坪电站引水隧洞，引水隧洞内压力水头高度22 m，两隧道空间净距28.12 m。在对公路隧道上跨方案的研究过程中，需要研判公路隧道施工对引水隧洞的影响。常规的荷载结构计算方法主要是基于塌落拱理论，没有考虑引水隧洞内的水压，无法作为研判依据。考虑到引水隧洞内水头壓力较大，文章基于有限元计算软件ABAQUS进行三维结构计算，通过提取计算结果中的轴力、弯矩，推导出结构的安全系数，进而评估结构的稳定性。文章中的设计方案在工程实践中得到了成功应用，希望能够为类似工程提供参考。

[作者简介]滕振楠（1989—），男，硕士，工程师，主要从事公路隧道设计方面的工作。

[通信作者]陈行（1993—），男，硕士，工程师，主要从事隧道设计方面的工作。

随着我国经济的快速增长，对交通的需求越来越大，公路的修建速度也相应增快。为了缩短公路里程，改善路线线形和交通运输条件，保护环境，山岭地区新建公路中隧道的数量和里程也逐步增大。

川西地区水电资源丰富，公路沿线布设多处水电站。既有道路升级改建过程中，隧道选线受电站结构物的限制越来越大，引水隧洞作为一种特殊的结构物，洞内往往有较高的水头压力，是影响隧道空间交叉安全距离的重要因素。

李辉[1]分析了上跨隧道与既有隧道的相互作用机理，结合数值模拟、监控量测，对下方既有隧道进行了位移和受力研究;梅东冬[2]结合兰渝铁路桐子林隧道上跨既有隧道项目，进行了隧道控制爆破施工技术专项研究;龚伦[3]结合云南白水江电站引水隧洞下穿内昆铁路手扒岩隧道项目，对既有铁路隧道受下穿引水隧洞施工的影响和铁路隧道结构安全对策进行了研究。

总之，探究空间交叉隧道的相互影响范围，优化隧道空间交叉段落的施工工艺显得尤为重要。

1 工程概况

国道347线茂红路改建工程苦地瓜子隧道上跨柳坪电站既有引水隧洞，引水隧道内压力水头高度22 m，两隧道空间净距为28.12 m。两隧道交叉位置具体情况详见图1、表1。

苦地瓜子隧道为时速60 km/h的双向行车单洞双车道二级公路[4]，隧道按新奥法原理进行洞身结构设计，即系统锚杆、喷混凝土、钢筋网、钢架组成初期支护与二次模筑砼相结合的复合式衬砌型式[5]。交叉口段苦地瓜子隧道衬砌结构详见表2、图2。

柳坪电站建成于2004～2009年间，为低闸引水式电站，引水隧洞全长10.67 km，洞室衬砌过流半径4.5 m，洞内水压高度为22 m[6]。交叉口段引水隧道衬砌结构详见表3、图3。

规范[7]规定：相邻隧洞之间的岩体厚度不宜小于2倍开挖洞径（或洞宽）。确因布置需要，经论证岩体厚度可适当减少，但不应小于1倍开挖洞径（或洞宽）。应保证运营期不发生渗透失稳和水力劈裂。

本项目，苦地瓜子隧道与既有引水隧洞道净距为28.12 m，大于2倍开挖洞径或洞宽的较大值（24.4 m），满足规范要求。介于本项目引水隧洞内水头压力较高，故考虑通过计算定量研判苦地瓜子隧道修建对引水隧洞的影响。

2 荷载结构法二维分析

根据规范[5]中关于隧道塌落拱高度的描述，塌落拱高度可经计算得出。

经计算，本项目引水隧洞塌落拱高度为5.58 m，两隧道净距28.12 m，远大于塌落拱高度。采用荷载结构法计算引水隧洞衬砌的内力和变形时，苦地瓜子隧道修建前后引水隧洞结构受力情况完全一致。

针对本项目，塌落拱理论并未考虑引水隧洞洞内水压，故无法依此研判苦地瓜子隧道修建对引水隧洞的影响。

3 三维数值模拟

3.1 计算参数

结合本项目地勘成果[8]，计算围岩参数取用较好Ⅳ级围岩，计算所涉及的材料主要为岩土、支护结构（混凝土、钢筋），相应的材料参数参照规范[5]、细则[9]取值。

苦地瓜子隧道交叉口段施工方法为台阶法开挖，结合规范[5]给出的参考值以及工程经验，确定荷载释放系数见表4。

3.2 计算模型

本项目计算模型尺寸为200 m×70 m×140 m，模型上边界施加均布荷载来等效上部围岩的自重影响。计算模型图网格划分图详见图4，开挖示意图详见图5。

3.3 计算结果

3.3.1 苦地瓜子隧道施工对引水隧洞位移的影响

提取既有引水隧洞交叉口位置拱顶的位移，得到如图6所示。

从上图可以看出，既有引水隧洞拱顶在苦地瓜子隧道开挖卸荷影响下发生了上浮。苦地瓜子隧道施工断面距离交叉部位较远时，拱顶位移变化的速度较缓，随着距离的减小，引水隧洞上浮的速度逐渐增加，随后又慢慢减少。

3.3.2 苦地瓜子隧道施工对引水隧洞衬砌的影响

苦地瓜子隧道开挖到既有既有引水隧洞上部时引水隧洞衬砌应力、轴力、弯矩图如图7～图9所示。

提取不同施工阶段引水隧洞衬砌状态，详见表5。

从表5可知：苦地瓜子隧道开挖导致引水隧洞最大主应力减小了6.4 %，最小主应力基本无影响;苦地瓜子隧道施工过程中引水隧洞衬砌未出现拉力，始终保持受压状态，且衬砌压力最小值几乎不变，最大值减少了3.2 %;苦地瓜子隧道的开挖将引起引水隧洞最大正弯矩增大27.2 %，最大负弯矩增大50 %;当施工结束时，既有隧洞最大正弯矩减少了15.2 %，最大负弯矩增大52.9 %。

3.4 三维计算结论

（1）随着苦地瓜子隧道的开挖，既有引水隧洞由于上部围岩卸荷发生了上浮，最大位移量为1.18 mm。

（2）既有引水隧洞在苦地瓜子隧道的开挖过程中最大主应力的最值为0.47 MPa，发生在拱顶处，小于衬砌混凝土的极限抗压强度，因此苦地瓜子隧道的开挖对既有引水隧洞不会造成破坏。

（3）苦地瓜子隧道施工过程中，既有引水隧洞衬砌始终保持小偏心的状态，隧道整体环向的轴力均为压力。开挖时，引水隧洞衬砌压力最大值几乎不变，最小值有所增大;正弯矩先增大后減小，负弯矩先增大后稳定。

4 苦地瓜子隧道施工对引水隧洞衬砌安全系数的影响

结合规范[5]中关于钢筋混凝土结构安全系数的描述，计算引水隧洞交叉部位衬砌不同位置在各阶段的安全系数。

结合三维计算结果，求得引水隧洞安全系数详见表6。

从表6可以看出，苦地瓜子隧道的施工会导致引水隧洞结构安全系数相对减小但减少的比例不足5 %;苦地瓜子隧道施工全过程中，引水隧道衬砌结构最小安全系数均满足规范[5]中钢筋混凝土不小于2.0的要求。由此可知，在苦地瓜子隧道施工过程中，引水隧洞衬砌安全系数虽然有所降低，但仍然有足够的安全储备。

提取苦地瓜子隧道施工完成后，两隧道空间交叉位置正下方引水隧洞截面进行受力分析（图10）。

计算引水隧洞衬砌各单元安全系数，详见表7。

从表7中可以看出，引水隧道衬砌断面上迎着苦地瓜子隧道的开挖方向距离最近的16号单元安全系数最低，安全系数值为2.61;距离开挖断面最远的9号单元安全系数最高，安全系数值为6.02。

结合塌落拱理论，引水隧洞的围岩压力有5.58 m土压，小于隧道内22 m的水头压力，故16号单元上的围岩压力会首先得到释放，导致单元受力最大，故安全系数最低。