公路隧道下穿過(guò)水隧洞施工控制技術(shù)研究

鄧 凱 姬同旭

(1.貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局111地質(zhì)大隊(duì) 貴陽(yáng) 550081; 2.貴州地質(zhì)工程勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司 貴陽(yáng) 550081; 3.貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司 貴陽(yáng) 550081)

0 引言

隨著我國(guó)高速公路的快速發(fā)展，越來(lái)越多的隧道路段不可避免地出現(xiàn)下穿既有隧道的情況，而新建隧道下穿既有隧道，由于隧道復(fù)雜的受力特點(diǎn)導(dǎo)致的施工難度大大增加。目前新建隧道施工下穿既有隧道的立體交叉形式主要有正交和斜交兩種情況。新建隧道近距離下穿既有隧道時(shí)，特別是新建隧道開(kāi)挖至既有隧道附近時(shí)，在較大程度上會(huì)導(dǎo)致既有隧道發(fā)生隆沉現(xiàn)象。如果新建隧道開(kāi)挖過(guò)程中發(fā)生失穩(wěn)情況會(huì)給既有隧道的安全運(yùn)營(yíng)造成一定影響。然而由于現(xiàn)行規(guī)范對(duì)高速公路隧道變形有著嚴(yán)格要求，因此如何使新建隧道在施工過(guò)程中順利穿越既有隧道并且不影響其安全運(yùn)營(yíng)是個(gè)難題。下穿既有隧道工程的主要難點(diǎn)在于如何減少新建隧道的施工對(duì)既有隧道的影響。新建隧道的開(kāi)挖可對(duì)圍巖體產(chǎn)生擾動(dòng)，被擾動(dòng)圍巖體因變形引起外力條件的變化，既有隧道將有可能發(fā)生沉降、斷面變形甚至塌方等情況。

下穿既有隧道工程施工中，保證既有隧道的安全運(yùn)營(yíng)是工程施工的難點(diǎn)和目標(biāo)，將對(duì)既有隧道的影響降到最小是下穿工程施工的最優(yōu)目標(biāo)。而實(shí)現(xiàn)安全穿越的前提是充分認(rèn)識(shí)既有隧道由于新建隧道施工而引起的變形規(guī)律、應(yīng)力和應(yīng)變變化規(guī)律，從而采取有效施工措施，而目前這方面的研究還存在很多空白。下穿工程必然會(huì)對(duì)既有結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的影響，因此需針對(duì)下穿工程的各項(xiàng)施工及措施制定控制指標(biāo)，并制定相應(yīng)的沉降控制標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。由于結(jié)構(gòu)物形式千差萬(wàn)別，施工方法及措施也會(huì)有所差別，沉降標(biāo)準(zhǔn)也隨之改變。目前，國(guó)內(nèi)這方面的相關(guān)技術(shù)規(guī)定較少，大部分處于研究探索階段，系統(tǒng)性的施工及沉降控制標(biāo)準(zhǔn)的研究尚未完善，給設(shè)計(jì)和施工帶來(lái)諸多不便。鑒于此，本文以某高速鄭家灣隧道下穿既有過(guò)水隧洞為依托工程，開(kāi)展公路隧道下穿過(guò)水隧洞施工控制技術(shù)研究，結(jié)合現(xiàn)行規(guī)范要求，得出下穿既有隧道施工過(guò)程中不同階段的施工進(jìn)尺速度，可為后續(xù)工程提供技術(shù)參考。

1 工程概況

鄭家灣隧道為某高速公路上的分離式中隧道，右幅樁號(hào)為K1+645～K2+450，長(zhǎng)度為805m，最大埋深約為186m。進(jìn)出口端地形相對(duì)較緩，均采用削竹式洞門(mén)。出口段有一地方發(fā)電引水隧洞在擬建鄭家灣隧道上部穿過(guò)，鄭家灣隧道頂高程與過(guò)水隧洞底板設(shè)計(jì)高差約為5m，屬于近接隧道。隧洞斷面尺寸2.2m×3.0m，進(jìn)出口水頭差為10m。高速公路隧道與過(guò)水隧洞平面軸線(xiàn)交角約為90°,圖1。場(chǎng)區(qū)覆蓋層為殘坡積層(Qel+dl)黏土、崩塌堆積層(Qc)塊石土，下伏基巖為二疊系下統(tǒng)棲霞組—茅口組(P1q+m)灰?guī)r、志留系中上統(tǒng)韓家店群(S2-3hn)粉砂質(zhì)泥巖，下穿段為Ⅲ級(jí)圍巖。由于該段隧道下穿部分工程屬于近接隧道工程，下穿高速公路隧道的施工會(huì)對(duì)過(guò)水隧洞的運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生影響；同時(shí)由于過(guò)水隧洞的存在也增加了下穿隧道的施工難度。為規(guī)避施工中存在的安全風(fēng)險(xiǎn)，以較少工程投資和縮短工期，需對(duì)下穿隧道工程進(jìn)行施工控制研究。

圖1 鄭家灣隧道與過(guò)水隧洞平面位置關(guān)系圖

2 模型建立及參數(shù)選取

根據(jù)圣維南原理，一般來(lái)說(shuō)隧道開(kāi)挖對(duì)位移的影響范圍為距隧道中心3～5倍開(kāi)挖寬度[1]。因此，根據(jù)設(shè)計(jì)資料，模型長(zhǎng)80m、橫向?qū)挾?0m、高50m，網(wǎng)格14198個(gè)，荷載為自重應(yīng)力。為簡(jiǎn)化計(jì)算工序，本次模擬僅對(duì)鄭家灣隧道右幅和過(guò)水隧洞進(jìn)行建模，兩隧道中心交點(diǎn)為模型中心點(diǎn)。模型如圖2、圖3所示，其中g(shù)roup1為基巖，group2為兩隧道中間帶(考慮隧道開(kāi)挖的震動(dòng)效應(yīng)，對(duì)其巖體力學(xué)參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整)[2]，group3為覆蓋層，group4為過(guò)水隧洞(80m)，group5為鄭家灣隧道右幅(50m)。巖土體力學(xué)參數(shù)如表1所示。

圖2 隧道未開(kāi)挖模型圖

圖3 兩隧道位置關(guān)系圖

表1 數(shù)值計(jì)算參數(shù)

3 鄭家灣隧道開(kāi)挖及其模擬結(jié)果分析

重點(diǎn)研究鄭家灣下穿過(guò)水隧道施工過(guò)程中，過(guò)水隧洞與鄭家灣隧道的變形情況。針對(duì)在建鄭家灣隧道下穿過(guò)水隧洞施工，為控制地層沉降及既有過(guò)水隧洞的變形，控制開(kāi)挖進(jìn)度為2m/d，共計(jì)25步開(kāi)挖，在FLAC3D中通過(guò)model-null實(shí)現(xiàn)[3]。模擬時(shí)過(guò)水隧洞考慮有水和無(wú)水兩種工況，開(kāi)挖過(guò)程中在兩隧道拱頂、仰拱處共設(shè)置4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其坐標(biāo)點(diǎn)分別為(80，25，27.5)(80，25，25.5)(80，25，19.5)(80，25，14.5)。模擬過(guò)程中對(duì)每一步開(kāi)挖后兩隧道的監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如圖4～7所示。

從圖4、圖5以及圖6可知，鄭家灣隧道拱頂在無(wú)水工況下的最大位移為11.92mm，在有水工況下的最大位移為17.88mm。鄭家灣隧道的開(kāi)挖必然會(huì)引起其隧道本身和過(guò)水隧洞的沉降，并且隨著開(kāi)挖進(jìn)尺的增大，影響也逐步增大。鄭家灣隧道掌子面距過(guò)水隧洞10m之前，過(guò)水隧洞的存在對(duì)鄭家灣隧道施工開(kāi)挖帶來(lái)的沉降影響較小；當(dāng)鄭家灣隧道掌子面與過(guò)水隧洞的距離小于10m時(shí)，鄭家灣隧道受過(guò)水隧洞的影響較大；但當(dāng)鄭家灣隧道掌子面通過(guò)過(guò)水隧洞10m后，過(guò)水隧洞對(duì)鄭家灣隧道的影響逐步較小。

圖5 有水工況隧道開(kāi)挖Z向位移

圖6 不同工況下鄭家灣隧道監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移變化

由圖7可知，鄭家灣隧道的開(kāi)挖對(duì)過(guò)水隧洞也帶來(lái)一定影響，隨著開(kāi)挖的進(jìn)行，過(guò)水隧洞監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降規(guī)律和鄭家灣隧道的沉降規(guī)律類(lèi)似。當(dāng)過(guò)水隧洞處于無(wú)水工況時(shí)沉降值滿(mǎn)足規(guī)范要求，而當(dāng)過(guò)水隧洞處于有水工況時(shí)，仰拱處的沉降值超過(guò)規(guī)范要求。因此，為保證隧道施工安全，建議在鄭家灣隧道開(kāi)挖過(guò)程中，過(guò)水隧洞應(yīng)處于停水狀態(tài)。

圖7 不同工況下過(guò)水隧道監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移變化

4 鄭家灣隧道下穿段最優(yōu)進(jìn)尺模擬分析

施工速度是新建隧道下穿施工影響既有隧道沉降變形的直接因素。為了從最大程度上節(jié)約工期同時(shí)保證施工安全，需對(duì)下穿段隧道開(kāi)挖的施工速度進(jìn)行優(yōu)化[5-10]。新建隧道施工速度不同時(shí)，對(duì)既有隧道的影響會(huì)有所不同。由前面分析可知，由于過(guò)水隧洞的存在，新建隧道下穿既有過(guò)水隧洞施工時(shí)，鄭家灣隧道掌子面距過(guò)水隧洞10m時(shí)(前后間距20m)，鄭家灣隧道受影響較大。本節(jié)在實(shí)際工程的基礎(chǔ)上，將鄭家灣隧道按受影響程度的大小分為2個(gè)部分(Part1：鄭家灣隧道進(jìn)尺15～35m影響程度較大部分；Part2：其余分段影響程度較小部分)，就不同施工速度進(jìn)行三維數(shù)值模擬分析，按1.5m/d、2m/d、2.5m/d、3m/d，四種不同工況下進(jìn)行模擬如圖8～圖11和表2～表3所示，研究施工速度對(duì)下穿工程施工的影響程度，分析出在類(lèi)似工況下新建隧道下穿既有隧道的合理施工速度。

圖8 1.5m/d進(jìn)尺隧道監(jiān)測(cè)點(diǎn)3、4Z向位移

圖9 2m/d進(jìn)尺隧道監(jiān)測(cè)點(diǎn)3、4Z向位移

圖10 2.5m/d進(jìn)尺隧道監(jiān)測(cè)點(diǎn)3、4Z向位移

圖11 3m/d進(jìn)尺隧道監(jiān)測(cè)點(diǎn)3、4Z向位移

表2 Part1不同施工速度工況下隧道拱頂位移

表3 Part2不同施工速度工況下隧道拱頂位移

從以上分析來(lái)看，隨著開(kāi)挖進(jìn)尺的加快，下穿隧洞施工時(shí)，隧道的拱頂位移呈增大趨勢(shì)。Part1：結(jié)合表2，當(dāng)開(kāi)挖進(jìn)尺為1.5m/d、2m/d時(shí)，下穿隧洞拱頂沉降變化較?。划?dāng)開(kāi)挖進(jìn)尺增大至2.5m/d、3m/d時(shí)，下穿隧道拱頂沉降變化較大，且當(dāng)開(kāi)挖進(jìn)尺為3m/d時(shí)，隧道拱頂沉降為17.08mm，不滿(mǎn)足規(guī)范要求。因此，建議鄭家灣隧道在進(jìn)行Part1部分施工時(shí)隧道的開(kāi)挖進(jìn)尺不應(yīng)大于2.5m。Part2：結(jié)合表3可知，當(dāng)鄭家灣隧道在進(jìn)行Part2部分施工時(shí)隧道的開(kāi)挖進(jìn)尺不應(yīng)大于3m。

5 結(jié)論

本文采用數(shù)值模擬方法開(kāi)展鄭家灣下穿過(guò)水隧洞施工控制研究，主要結(jié)論如下：

(1)鄭家灣隧道施工過(guò)程中，給過(guò)水隧洞拱頂沉降帶來(lái)的影響較小，而對(duì)過(guò)水隧洞的仰拱沉降影響較大且當(dāng)處于有水工況時(shí)，拱頂沉降超過(guò)規(guī)范允許值，因此建議鄭家灣隧道施工過(guò)程中，過(guò)水隧洞應(yīng)處于停水狀態(tài)。

(2)由于過(guò)水隧洞的存在，鄭家灣隧道下穿施工時(shí)，鄭家灣隧道監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降呈規(guī)律性分布，當(dāng)鄭家灣隧道掌子面與過(guò)水隧洞相距10m范圍內(nèi)時(shí)，鄭家灣隧道受到的影響較大。

(3)隨著開(kāi)挖進(jìn)尺的增大，隧道拱頂沉降值呈增大趨勢(shì)。當(dāng)鄭家灣隧道掌子面距離過(guò)水隧洞小于10m時(shí)，建議新建隧道每天的施工進(jìn)尺不大于2.5m。當(dāng)鄭家灣隧道開(kāi)挖其他分段時(shí)，建議每天的開(kāi)挖進(jìn)尺不大于3m。