陳 忠

(德州黃河河務(wù)局，山東 德州 251100)

0 引 言

隨著我國(guó)交通建設(shè)的迅速發(fā)展，新建隧道越來(lái)越多。在有限的空間內(nèi)，難免會(huì)出現(xiàn)隧道交叉或穿越既有隧道的工程，由于山體隧洞一般采用爆破方法，因此很容易對(duì)既有隧道造成不利影響[1-2]。

針對(duì)新建隧洞可能對(duì)既有隧洞造成的影響，大量學(xué)者開(kāi)展了研究。劉立權(quán)等對(duì)比分析了公路隧道開(kāi)挖前后對(duì)下部既有隧洞的位移和應(yīng)力影響。張武基于數(shù)值模擬，研究了公路隧道開(kāi)挖對(duì)既有隧洞襯砌結(jié)構(gòu)位移和應(yīng)力的影響[3-4]。劉曉強(qiáng)等基于理論推導(dǎo)和利息及試驗(yàn)，對(duì)比分析了隧道穿越工況下既有管線(xiàn)隆沉變形的計(jì)算方法，并驗(yàn)證了方法的可靠性[5]。丁玉仁分析了了爆破開(kāi)挖振動(dòng)對(duì)既有襯砌結(jié)構(gòu)的影響[6]。這些研究均表明，新建隧道會(huì)對(duì)既有隧道產(chǎn)生一定的影響。

文章基于數(shù)值模擬方法，模擬了新建隧洞開(kāi)挖以及爆破荷載對(duì)既有隧洞的影響，獲得了了隧洞受力情況、變形特征以及隧洞襯砌動(dòng)力響應(yīng)。

1 工程概況

某水利工程隧洞項(xiàng)目主體主要包括引、排水隧洞，供、排水渠及對(duì)外交通等建筑物(圖1)，其中新建隧洞與既有隧洞方向垂直交叉，排水隧洞斷面形狀為拱形，隧洞寬11.5m，高7.4m，新建隧洞與既有隧洞圍巖最小厚度僅為6.5m。新建隧洞采用噴射C25鋼纖維混凝土，厚度為22cm，模筑采用C25 F50鋼筋混凝土，厚度為50cm，拱頂采用間距為0.5m，7根φ25mm的中空注漿錨桿，布置方式為梅花形，長(zhǎng)度為4.5m/6m，邊墻采用間距1m、φ25mm砂漿錨桿，長(zhǎng)度同上。底板采用φ25mm普通錨桿，間距2m，長(zhǎng)度4.5m，梅花形布設(shè)。支護(hù)方式為φ42注漿小導(dǎo)管超前護(hù)，長(zhǎng)度、間距及排距分別為4.5m、0.4m和2.4m。此外，既有引水隧洞內(nèi)徑3.16m，襯砌方式為噴射12cm的C25混凝土漿液。

圖1 排水隧洞和引水隧洞相互位置

由于到引水隧洞的運(yùn)營(yíng)會(huì)影響到市區(qū)的供水，二排水隧洞在施工過(guò)程中也會(huì)對(duì)引水隧洞產(chǎn)生較大影響，因此文章結(jié)合小斷面控制爆破開(kāi)挖放啊，基于數(shù)值模擬，考慮隧洞穿越引起的應(yīng)力重分布及寶珀振動(dòng)影響，分析新建和既有隧洞的動(dòng)力響應(yīng)及圍巖穩(wěn)定性，在此基礎(chǔ)上對(duì)實(shí)際方案進(jìn)行可行性論證，文章的研究對(duì)于相似工程具有實(shí)際指導(dǎo)意義。

2 施工方案

根據(jù)設(shè)計(jì)施工方案，排水隧洞與引水隧洞交叉處采用控制爆破法，長(zhǎng)度為前后各80m，開(kāi)挖順序?yàn)?，排水隧洞下游向上游開(kāi)挖。由于開(kāi)挖可能引起引水隧洞的不穩(wěn)定，因此文章提出采用，分層分塊小斷面爆破方法，該方法總共分4層，每塊開(kāi)挖斷面<5 m2。該方法可有效控制施工安全，具體開(kāi)挖順序見(jiàn)圖2。此外，為減小爆破振動(dòng)對(duì)引水隧洞的影響，文章采用淺孔鑿巖爆破，短進(jìn)尺多循環(huán)方法，開(kāi)挖規(guī)模為單循環(huán)進(jìn)尺2.0 m，最大單段起爆藥量4kg。

圖2 開(kāi)挖順序

3 有限元模擬

3.1 基本假設(shè)

為計(jì)算方便，文章做了以下合理假定：①不考慮地下水作用；②圍巖體假定位為各向同性、連續(xù)的理想彈塑性材料；③隧洞與圍巖緊密接觸；④?chē)鷰r與混凝土以及混凝土與二次襯砌滿(mǎn)足變形協(xié)調(diào)；⑤新建排水隧洞開(kāi)挖前位移為0。

3.2 幾何模型與網(wǎng)格劃分

文章數(shù)值計(jì)算模型見(jiàn)圖3。其中襯砌單元采用殼單元，巖體采用實(shí)體單元，錨桿采用桁架單元。為了計(jì)算速度更快，網(wǎng)格劃分時(shí)，在隧洞周?chē)M(jìn)行加密，遠(yuǎn)離隧洞位置，網(wǎng)格交稀疏。

(a)整體模型 (b)隧洞相對(duì)位置

3.3 計(jì)算參數(shù)

參考目前研究?jī)?nèi)容，文章采用的材料本構(gòu)模型以及各材料的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。值得注意的是，模型的x軸與新建隧洞平行，y軸與既有隧洞平行，z軸豎直向上。

文章材料本構(gòu)模型及力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。在模型中，x平行于新建隧洞方向，y平行于既有隧洞方向，z豎直向上。

表1 材料本構(gòu)模型參數(shù)

3.4 隧洞開(kāi)挖靜力分析

研究表明，通常隧洞開(kāi)挖后圍巖應(yīng)力是隨時(shí)間緩慢進(jìn)行的。為了反映該過(guò)程更精確的模擬新建隧洞對(duì)既有隧洞的影響，文章在數(shù)值模擬中，按比例對(duì)施工荷載進(jìn)行釋放，其中開(kāi)挖、初期支護(hù)和二襯階段的比例分別為50%、25%、25%。

施工步驟模擬如下：①激活圍巖、初砌、二砌以及新建隧洞，在此基礎(chǔ)上，添加自重和約束，清零位移；②分別對(duì)新建隧洞上層開(kāi)挖土體、中部開(kāi)挖土體以及下部開(kāi)挖土體進(jìn)行鈍化，荷載釋放系數(shù)均取為0.5、0.25；③激活隧洞噴射混凝土和錨桿，并改變噴射混凝土屬性，模擬初次襯砌形成；④激活滯后二次襯砌，并改變屬性模擬二次襯砌形成。

3.5 隧道爆破模擬

文章對(duì)隧洞爆破模擬采用黏性邊界理論，通過(guò)曲面彈簧建立邊界條件，在此基礎(chǔ)上添加時(shí)程函數(shù)對(duì)沖擊荷載進(jìn)行模擬。分別得到各個(gè)分塊爆破施工導(dǎo)致的下方既有引水隧洞振動(dòng)速度，驗(yàn)證其是否滿(mǎn)足安全規(guī)程。此過(guò)程中，需做以下合理假設(shè)：①爆破荷載為均布荷載并垂直作用在隧洞壁；②計(jì)算時(shí)長(zhǎng)取0.2 s。

根據(jù)公式，在計(jì)算爆破壓力時(shí)，相關(guān)參數(shù)取值為：爆破荷載系數(shù)為16337，爆破速度為3000 m/s，裝藥直徑為33 mm，裝藥孔直徑為41 mm，火藥重度為12.2 kN/m3。

4 模擬結(jié)果與分析

4.1 新建排水隧洞圍巖變形及應(yīng)力分布

圖4為新建隧洞開(kāi)挖后圍巖的豎向位移云圖結(jié)果，結(jié)果表明，新建隧洞會(huì)對(duì)既有隧洞產(chǎn)生影響，即使既有隧洞圍巖向內(nèi)發(fā)生變形，其中拱頂變形最大，最大的豎向和水平位移分別為23.1mm和1.90mm。綜合來(lái)看，圍巖變形較小，此外模擬結(jié)果表明，圍巖最大的壓應(yīng)力和最大拉應(yīng)力分別為7.21MPa和0.36MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其極限承載力，結(jié)果是安全可靠的。

圖4 新建隧洞圍巖豎向位移云圖

4.2 新建排水隧洞襯砌變形分析

圖5匯總了新建排水隧洞襯砌變形圖，結(jié)果表明，拱頂襯砌發(fā)生一定的沉降，沉降值為8.61mm，而拱底也產(chǎn)生23.2mm的隆起。根據(jù)圖5表明，最大沉降和隆起均發(fā)生在新建隧洞與既有隧洞交叉位置處，因此在施工時(shí)應(yīng)注意，交叉位置處的變形，應(yīng)采取一定的控制措施。

圖5 新建排水隧洞拱頂和拱底隆起曲線(xiàn)圖

4.3 既有隧洞襯砌應(yīng)力及變形

繪制出了新建隧洞開(kāi)挖完成后既有隧洞的豎向位移曲線(xiàn)和水平位移曲線(xiàn)見(jiàn)圖6。結(jié)果表明，新建隧洞和既有隧洞在交叉位置處的豎向和水平位移達(dá)到最大值，此外，既有隧洞拱頂發(fā)生一定的隆起。隆起量為6.3mm，既有隧洞拱腰發(fā)生水平位移，位移量為0.76mm，說(shuō)明，新建隧洞開(kāi)挖對(duì)既有隧洞變形影響比較小，可以忽略。另外，既有隧洞變形較大的范圍發(fā)生在交叉位置前后15m范圍內(nèi)，而變形較小范圍約在交叉位置前后15-35m范圍內(nèi)。

圖6 既有引水隧洞豎向及水平向位移曲線(xiàn)

有限元獲取得到了新建隧洞開(kāi)挖后既有隧洞的應(yīng)力、軸力、彎矩和剪力，結(jié)果表明，既有隧洞最大壓應(yīng)力為30MPa，小于其極限承載力；最大軸力和剪力為3618和14.0kN，最大彎矩為11.5kN·m，證明滿(mǎn)足安全要求。以上結(jié)果表明，新建隧洞對(duì)既有隧洞有一定影響，但滿(mǎn)足安全要求，在施工中可通過(guò)控制新建隧洞圍巖變形減小影響范圍。

4.4 爆破施工引起的襯砌應(yīng)力及變形

文章截取了典型分塊1、4、6和8為研究對(duì)象，提取出各分塊爆破導(dǎo)致的既有隧洞在不同時(shí)間段質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度曲線(xiàn)以及各分塊爆破引起的個(gè)測(cè)點(diǎn)最大質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度見(jiàn)圖7和表2。結(jié)果表明，8號(hào)分塊引起的既有隧洞各測(cè)點(diǎn)最大振動(dòng)速度>1、4和6。此外既有隧洞產(chǎn)生的振動(dòng)速度最大位置位于拱頂處，最小位置位于拱底處。最后，8號(hào)分塊爆破隊(duì)既有隧洞產(chǎn)生的影響最大，其中拱頂、拱底以及拱腰最大質(zhì)點(diǎn)速度分別為0.59 cm/s、0.43 cm/s和0.25cm/s。滿(mǎn)足爆破影響水工隧洞質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度要求。

圖7 分塊8爆破時(shí)既有隧洞質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度曲線(xiàn)

表2 各分塊爆破引起的各測(cè)點(diǎn)最大質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度

5 結(jié) 論

文章基于數(shù)值模擬方法，模擬了新建隧洞開(kāi)挖以及爆破荷載對(duì)既有隧洞的影響，獲得了了隧洞受力情況、變形特征以及隧洞襯砌動(dòng)力響應(yīng)，得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1)新建隧洞施工及圍巖變形對(duì)下方既有隧洞會(huì)產(chǎn)生一定的影響，但滿(mǎn)足既有隧洞結(jié)構(gòu)安全要求，通過(guò)施工中控制新建隧洞圍巖變形，可以減輕對(duì)既有隧洞的影響。

2)有限元數(shù)值模擬結(jié)果表明，文章提出的層分塊小斷面控制爆破方法能夠有效降低對(duì)新建大斷面隧洞上穿對(duì)既有隧洞的影響，分析結(jié)果表明爆破引起的最大質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度滿(mǎn)足爆破安全規(guī)程規(guī)定，所提方法能夠確保既有隧洞的結(jié)構(gòu)安全。