公路隧道上跨電站有壓引水隧洞的結(jié)構(gòu)影響分析

滕振楠 吳聰 田志宇 陳行

摘要：國(guó)道347線茂紅路改建工程苦地瓜子隧道上跨柳坪電站引水隧洞，引水隧洞內(nèi)壓力水頭高度22 m，兩隧道空間凈距28.12 m。在對(duì)公路隧道上跨方案的研究過程中，需要研判公路隧道施工對(duì)引水隧洞的影響。常規(guī)的荷載結(jié)構(gòu)計(jì)算方法主要是基于塌落拱理論，沒有考慮引水隧洞內(nèi)的水壓，無(wú)法作為研判依據(jù)?？紤]到引水隧洞內(nèi)水頭壓力較大，文章基于有限元計(jì)算軟件ABAQUS進(jìn)行三維結(jié)構(gòu)計(jì)算，通過提取計(jì)算結(jié)果中的軸力、彎矩，推導(dǎo)出結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)，進(jìn)而評(píng)估結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。文章中的設(shè)計(jì)方案在工程實(shí)踐中得到了成功應(yīng)用，希望能夠?yàn)轭愃乒こ烫峁﹨⒖肌?/p>

[作者簡(jiǎn)介]滕振楠（1989—），男，碩士，工程師，主要從事公路隧道設(shè)計(jì)方面的工作。

[通信作者]陳行（1993—），男，碩士，工程師，主要從事隧道設(shè)計(jì)方面的工作。

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)，對(duì)交通的需求越來越大，公路的修建速度也相應(yīng)增快。為了縮短公路里程，改善路線線形和交通運(yùn)輸條件，保護(hù)環(huán)境，山嶺地區(qū)新建公路中隧道的數(shù)量和里程也逐步增大。

川西地區(qū)水電資源豐富，公路沿線布設(shè)多處水電站。既有道路升級(jí)改建過程中，隧道選線受電站結(jié)構(gòu)物的限制越來越大，引水隧洞作為一種特殊的結(jié)構(gòu)物，洞內(nèi)往往有較高的水頭壓力，是影響隧道空間交叉安全距離的重要因素。

李輝[1]分析了上跨隧道與既有隧道的相互作用機(jī)理，結(jié)合數(shù)值模擬、監(jiān)控量測(cè)，對(duì)下方既有隧道進(jìn)行了位移和受力研究;梅東冬[2]結(jié)合蘭渝鐵路桐子林隧道上跨既有隧道項(xiàng)目，進(jìn)行了隧道控制爆破施工技術(shù)專項(xiàng)研究;龔倫[3]結(jié)合云南白水江電站引水隧洞下穿內(nèi)昆鐵路手扒巖隧道項(xiàng)目，對(duì)既有鐵路隧道受下穿引水隧洞施工的影響和鐵路隧道結(jié)構(gòu)安全對(duì)策進(jìn)行了研究。

總之，探究空間交叉隧道的相互影響范圍，優(yōu)化隧道空間交叉段落的施工工藝顯得尤為重要。

1 工程概況

國(guó)道347線茂紅路改建工程苦地瓜子隧道上跨柳坪電站既有引水隧洞，引水隧道內(nèi)壓力水頭高度22 m，兩隧道空間凈距為28.12 m。兩隧道交叉位置具體情況詳見圖1、表1。

苦地瓜子隧道為時(shí)速60 km/h的雙向行車單洞雙車道二級(jí)公路[4]，隧道按新奧法原理進(jìn)行洞身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，即系統(tǒng)錨桿、噴混凝土、鋼筋網(wǎng)、鋼架組成初期支護(hù)與二次模筑砼相結(jié)合的復(fù)合式襯砌型式[5]。交叉口段苦地瓜子隧道襯砌結(jié)構(gòu)詳見表2、圖2。

柳坪電站建成于2004～2009年間，為低閘引水式電站，引水隧洞全長(zhǎng)10.67 km，洞室襯砌過流半徑4.5 m，洞內(nèi)水壓高度為22 m[6]。交叉口段引水隧道襯砌結(jié)構(gòu)詳見表3、圖3。

規(guī)范[7]規(guī)定：相鄰隧洞之間的巖體厚度不宜小于2倍開挖洞徑（或洞寬）。確因布置需要，經(jīng)論證巖體厚度可適當(dāng)減少，但不應(yīng)小于1倍開挖洞徑（或洞寬）。應(yīng)保證運(yùn)營(yíng)期不發(fā)生滲透失穩(wěn)和水力劈裂。

本項(xiàng)目，苦地瓜子隧道與既有引水隧洞道凈距為28.12 m，大于2倍開挖洞徑或洞寬的較大值（24.4 m），滿足規(guī)范要求。介于本項(xiàng)目引水隧洞內(nèi)水頭壓力較高，故考慮通過計(jì)算定量研判苦地瓜子隧道修建對(duì)引水隧洞的影響。

2 荷載結(jié)構(gòu)法二維分析

根據(jù)規(guī)范[5]中關(guān)于隧道塌落拱高度的描述，塌落拱高度可經(jīng)計(jì)算得出。

經(jīng)計(jì)算，本項(xiàng)目引水隧洞塌落拱高度為5.58 m，兩隧道凈距28.12 m，遠(yuǎn)大于塌落拱高度。采用荷載結(jié)構(gòu)法計(jì)算引水隧洞襯砌的內(nèi)力和變形時(shí)，苦地瓜子隧道修建前后引水隧洞結(jié)構(gòu)受力情況完全一致。

針對(duì)本項(xiàng)目，塌落拱理論并未考慮引水隧洞洞內(nèi)水壓，故無(wú)法依此研判苦地瓜子隧道修建對(duì)引水隧洞的影響。

3 三維數(shù)值模擬

3.1 計(jì)算參數(shù)

結(jié)合本項(xiàng)目地勘成果[8]，計(jì)算圍巖參數(shù)取用較好Ⅳ級(jí)圍巖，計(jì)算所涉及的材料主要為巖土、支護(hù)結(jié)構(gòu)（混凝土、鋼筋），相應(yīng)的材料參數(shù)參照規(guī)范[5]、細(xì)則[9]取值。

苦地瓜子隧道交叉口段施工方法為臺(tái)階法開挖，結(jié)合規(guī)范[5]給出的參考值以及工程經(jīng)驗(yàn)，確定荷載釋放系數(shù)見表4。

3.2 計(jì)算模型

本項(xiàng)目計(jì)算模型尺寸為200 m×70 m×140 m，模型上邊界施加均布荷載來等效上部圍巖的自重影響。計(jì)算模型圖網(wǎng)格劃分圖詳見圖4，開挖示意圖詳見圖5。

3.3 計(jì)算結(jié)果

3.3.1 苦地瓜子隧道施工對(duì)引水隧洞位移的影響

提取既有引水隧洞交叉口位置拱頂?shù)奈灰?，得到如圖6所示。

從上圖可以看出，既有引水隧洞拱頂在苦地瓜子隧道開挖卸荷影響下發(fā)生了上浮?？嗟毓献铀淼朗┕嗝婢嚯x交叉部位較遠(yuǎn)時(shí)，拱頂位移變化的速度較緩，隨著距離的減小，引水隧洞上浮的速度逐漸增加，隨后又慢慢減少。

3.3.2 苦地瓜子隧道施工對(duì)引水隧洞襯砌的影響

苦地瓜子隧道開挖到既有既有引水隧洞上部時(shí)引水隧洞襯砌應(yīng)力、軸力、彎矩圖如圖7～圖9所示。

提取不同施工階段引水隧洞襯砌狀態(tài)，詳見表5。

從表5可知：苦地瓜子隧道開挖導(dǎo)致引水隧洞最大主應(yīng)力減小了6.4 %，最小主應(yīng)力基本無(wú)影響;苦地瓜子隧道施工過程中引水隧洞襯砌未出現(xiàn)拉力，始終保持受壓狀態(tài)，且襯砌壓力最小值幾乎不變，最大值減少了3.2 %;苦地瓜子隧道的開挖將引起引水隧洞最大正彎矩增大27.2 %，最大負(fù)彎矩增大50 %;當(dāng)施工結(jié)束時(shí)，既有隧洞最大正彎矩減少了15.2 %，最大負(fù)彎矩增大52.9 %。

3.4 三維計(jì)算結(jié)論

（1）隨著苦地瓜子隧道的開挖，既有引水隧洞由于上部圍巖卸荷發(fā)生了上浮，最大位移量為1.18 mm。

（2）既有引水隧洞在苦地瓜子隧道的開挖過程中最大主應(yīng)力的最值為0.47 MPa，發(fā)生在拱頂處，小于襯砌混凝土的極限抗壓強(qiáng)度，因此苦地瓜子隧道的開挖對(duì)既有引水隧洞不會(huì)造成破壞。

（3）苦地瓜子隧道施工過程中，既有引水隧洞襯砌始終保持小偏心的狀態(tài)，隧道整體環(huán)向的軸力均為壓力。開挖時(shí)，引水隧洞襯砌壓力最大值幾乎不變，最小值有所增大;正彎矩先增大后減小，負(fù)彎矩先增大后穩(wěn)定。

4 苦地瓜子隧道施工對(duì)引水隧洞襯砌安全系數(shù)的影響

結(jié)合規(guī)范[5]中關(guān)于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)安全系數(shù)的描述，計(jì)算引水隧洞交叉部位襯砌不同位置在各階段的安全系數(shù)。

結(jié)合三維計(jì)算結(jié)果，求得引水隧洞安全系數(shù)詳見表6。

從表6可以看出，苦地瓜子隧道的施工會(huì)導(dǎo)致引水隧洞結(jié)構(gòu)安全系數(shù)相對(duì)減小但減少的比例不足5 %;苦地瓜子隧道施工全過程中，引水隧道襯砌結(jié)構(gòu)最小安全系數(shù)均滿足規(guī)范[5]中鋼筋混凝土不小于2.0的要求。由此可知，在苦地瓜子隧道施工過程中，引水隧洞襯砌安全系數(shù)雖然有所降低，但仍然有足夠的安全儲(chǔ)備。

提取苦地瓜子隧道施工完成后，兩隧道空間交叉位置正下方引水隧洞截面進(jìn)行受力分析（圖10）。

計(jì)算引水隧洞襯砌各單元安全系數(shù)，詳見表7。

從表7中可以看出，引水隧道襯砌斷面上迎著苦地瓜子隧道的開挖方向距離最近的16號(hào)單元安全系數(shù)最低，安全系數(shù)值為2.61;距離開挖斷面最遠(yuǎn)的9號(hào)單元安全系數(shù)最高，安全系數(shù)值為6.02。

結(jié)合塌落拱理論，引水隧洞的圍巖壓力有5.58 m土壓，小于隧道內(nèi)22 m的水頭壓力，故16號(hào)單元上的圍巖壓力會(huì)首先得到釋放，導(dǎo)致單元受力最大，故安全系數(shù)最低。

6 結(jié)論

（1）苦地瓜子隧道的施工對(duì)引水隧洞的影響較小。苦地瓜子隧道開挖過程中，引水隧洞結(jié)構(gòu)安全系數(shù)滿足規(guī)范要求。

（2）在加強(qiáng)施工控制的基礎(chǔ)上可以保證交叉口段的施工安全。

參考文獻(xiàn)

[1] 李輝. 上跨隧道對(duì)既有隧道的變形影響及控制研究[D].重慶：重慶交通大學(xué).2014.

[2] 梅東冬，王維高. 蘭渝鐵路桐子林隧道上跨既有隧道控制爆破施工技術(shù)[J]. 現(xiàn)代隧道技術(shù). 2011（2）：145-152.

[3] 龔倫，仇文革. 既有鐵路隧道受下穿引水隧洞近接施工影響預(yù)測(cè)[J]. 中國(guó)鐵道科學(xué). 2007（4）：29-33.

[4] 四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司.G347線茂縣兩河口至紅原壤口段公路提升改建工程兩階段施工圖設(shè)計(jì)文件 [R].2019.02.

[5] 公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范 第一冊(cè) 土建工程： JTG 3370.1-2018[S].

[6] 國(guó)家電力公司成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.柳坪水電站工程施工圖設(shè)計(jì)[R].2005.01.

[7] 有壓引水隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范： DLT-5195-2004[S].

[8] 四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司.G347線茂縣兩河口至紅原壤口段公路提升改建工程苦地瓜子隧道工程地質(zhì)詳勘報(bào)告 [R].2019.02.

[9] 公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則： JTG/T D70-2010[S]. 北京：人民交通出版社， 2018.

[10] 爆破安全規(guī)程： GB 6722-2014[S].