公路隧道下穿过水隧洞施工控制技术研究
邓 凯 姬同旭
(1.贵州省地质矿产勘查开发局111地质大队 贵阳 550081; 2.贵州地质工程勘察设计研究院有限公司 贵阳 550081; 3.贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司 贵阳 550081)
随着我国高速公路的快速发展，越来越多的隧道路段不可避免地出现下穿既有隧道的情况，而新建隧道下穿既有隧道，由于隧道复杂的受力特点导致的施工难度大大增加。目前新建隧道施工下穿既有隧道的立体交叉形式主要有正交和斜交两种情况。新建隧道近距离下穿既有隧道时，特别是新建隧道开挖至既有隧道附近时，在较大程度上会导致既有隧道发生隆沉现象。如果新建隧道开挖过程中发生失稳情况会给既有隧道的安全运营造成一定影响。然而由于现行规范对高速公路隧道变形有着严格要求，因此如何使新建隧道在施工过程中顺利穿越既有隧道并且不影响其安全运营是个难题。下穿既有隧道工程的主要难点在于如何减少新建隧道的施工对既有隧道的影响。新建隧道的开挖可对围岩体产生扰动，被扰动围岩体因变形引起外力条件的变化，既有隧道将有可能发生沉降、断面变形甚至塌方等情况。
下穿既有隧道工程施工中，保证既有隧道的安全运营是工程施工的难点和目标，将对既有隧道的影响降到最小是下穿工程施工的最优目标。而实现安全穿越的前提是充分认识既有隧道由于新建隧道施工而引起的变形规律、应力和应变变化规律，从而采取有效施工措施，而目前这方面的研究还存在很多空白。下穿工程必然会对既有结构产生一定的影响，因此需针对下穿工程的各项施工及措施制定控制指标，并制定相应的沉降控制标准和规范。由于结构物形式千差万别，施工方法及措施也会有所差别，沉降标准也随之改变。目前，国内这方面的相关技术规定较少，大部分处于研究探索阶段，系统性的施工及沉降控制标准的研究尚未完善，给设计和施工带来诸多不便。鉴于此，本文以某高速郑家湾隧道下穿既有过水隧洞为依托工程，开展公路隧道下穿过水隧洞施工控制技术研究，结合现行规范要求，得出下穿既有隧道施工过程中不同阶段的施工进尺速度，可为后续工程提供技术参考。
郑家湾隧道为某高速公路上的分离式中隧道，右幅桩号为K1+645～K2+450，长度为805m，最大埋深约为186m。进出口端地形相对较缓，均采用削竹式洞门。出口段有一地方发电引水隧洞在拟建郑家湾隧道上部穿过，郑家湾隧道顶高程与过水隧洞底板设计高差约为5m，属于近接隧道。隧洞断面尺寸2.2m×3.0m，进出口水头差为10m。高速公路隧道与过水隧洞平面轴线交角约为90°,图1。场区覆盖层为残坡积层(Qel+dl)黏土、崩塌堆积层(Qc)块石土，下伏基岩为二叠系下统栖霞组—茅口组(P1q+m)灰岩、志留系中上统韩家店群(S2-3hn)粉砂质泥岩，下穿段为Ⅲ级围岩。由于该段隧道下穿部分工程属于近接隧道工程，下穿高速公路隧道的施工会对过水隧洞的运营产生影响；
同时由于过水隧洞的存在也增加了下穿隧道的施工难度。为规避施工中存在的安全风险，以较少工程投资和缩短工期，需对下穿隧道工程进行施工控制研究。
图1 郑家湾隧道与过水隧洞平面位置关系图
根据圣维南原理，一般来说隧道开挖对位移的影响范围为距隧道中心3～5倍开挖宽度[1]。因此，根据设计资料，模型长80m、横向宽度50m、高50m，网格14198个，荷载为自重应力。为简化计算工序，本次模拟仅对郑家湾隧道右幅和过水隧洞进行建模，两隧道中心交点为模型中心点。模型如图2、图3所示，其中group1为基岩，group2为两隧道中间带(考虑隧道开挖的震动效应，对其岩体力学参数进行相应调整)[2]，group3为覆盖层，group4为过水隧洞(80m)，group5为郑家湾隧道右幅(50m)。岩土体力学参数如表1所示。
图2 隧道未开挖模型图
图3 两隧道位置关系图
表1 数值计算参数
重点研究郑家湾下穿过水隧道施工过程中，过水隧洞与郑家湾隧道的变形情况。针对在建郑家湾隧道下穿过水隧洞施工，为控制地层沉降及既有过水隧洞的变形，控制开挖进度为2m/d，共计25步开挖，在FLAC3D中通过model-null实现[3]。模拟时过水隧洞考虑有水和无水两种工况，开挖过程中在两隧道拱顶、仰拱处共设置4个监测点，其坐标点分别为(80，25，27.5)(80，25，25.5)(80，25，19.5)(80，25，14.5)。模拟过程中对每一步开挖后两隧道的监测点沉降进行监测，如图4～7所示。
从图4、图5以及图6可知，郑家湾隧道拱顶在无水工况下的最大位移为11.92mm，在有水工况下的最大位移为17.88mm。郑家湾隧道的开挖必然会引起其隧道本身和过水隧洞的沉降，并且随着开挖进尺的增大，影响也逐步增大。郑家湾隧道掌子面距过水隧洞10m之前，过水隧洞的存在对郑家湾隧道施工开挖带来的沉降影响较小；
当郑家湾隧道掌子面与过水隧洞的距离小于10m时，郑家湾隧道受过水隧洞的影响较大；
但当郑家湾隧道掌子面通过过水隧洞10m后，过水隧洞对郑家湾隧道的影响逐步较小。
图5 有水工况隧道开挖Z向位移
图6 不同工况下郑家湾隧道监测点位移变化
由图7可知，郑家湾隧道的开挖对过水隧洞也带来一定影响，随着开挖的进行，过水隧洞监测点的沉降规律和郑家湾隧道的沉降规律类似。当过水隧洞处于无水工况时沉降值满足规范要求，而当过水隧洞处于有水工况时，仰拱处的沉降值超过规范要求。因此，为保证隧道施工安全，建议在郑家湾隧道开挖过程中，过水隧洞应处于停水状态。
图7 不同工况下过水隧道监测点位移变化
施工速度是新建隧道下穿施工影响既有隧道沉降变形的直接因素。为了从最大程度上节约工期同时保证施工安全，需对下穿段隧道开挖的施工速度进行优化[5-10]。新建隧道施工速度不同时，对既有隧道的影响会有所不同。由前面分析可知，由于过水隧洞的存在，新建隧道下穿既有过水隧洞施工时，郑家湾隧道掌子面距过水隧洞10m时(前后间距20m)，郑家湾隧道受影响较大。本节在实际工程的基础上，将郑家湾隧道按受影响程度的大小分为2个部分(Part1：郑家湾隧道进尺15～35m影响程度较大部分；
Part2：其余分段影响程度较小部分)，就不同施工速度进行三维数值模拟分析，按1.5m/d、2m/d、2.5m/d、3m/d，四种不同工况下进行模拟如图8～图11和表2～表3所示，研究施工速度对下穿工程施工的影响程度，分析出在类似工况下新建隧道下穿既有隧道的合理施工速度。
图8 1.5m/d进尺隧道监测点3、4Z向位移
图9 2m/d进尺隧道监测点3、4Z向位移
图10 2.5m/d进尺隧道监测点3、4Z向位移
图11 3m/d进尺隧道监测点3、4Z向位移
表2 Part1不同施工速度工况下隧道拱顶位移
表3 Part2不同施工速度工况下隧道拱顶位移
从以上分析来看，随着开挖进尺的加快，下穿隧洞施工时，隧道的拱顶位移呈增大趋势。Part1：结合表2，当开挖进尺为1.5m/d、2m/d时，下穿隧洞拱顶沉降变化较小；
当开挖进尺增大至2.5m/d、3m/d时，下穿隧道拱顶沉降变化较大，且当开挖进尺为3m/d时，隧道拱顶沉降为17.08mm，不满足规范要求。因此，建议郑家湾隧道在进行Part1部分施工时隧道的开挖进尺不应大于2.5m。Part2：结合表3可知，当郑家湾隧道在进行Part2部分施工时隧道的开挖进尺不应大于3m。
本文采用数值模拟方法开展郑家湾下穿过水隧洞施工控制研究，主要结论如下：
(1)郑家湾隧道施工过程中，给过水隧洞拱顶沉降带来的影响较小，而对过水隧洞的仰拱沉降影响较大且当处于有水工况时，拱顶沉降超过规范允许值，因此建议郑家湾隧道施工过程中，过水隧洞应处于停水状态。
(2)由于过水隧洞的存在，郑家湾隧道下穿施工时，郑家湾隧道监测点沉降呈规律性分布，当郑家湾隧道掌子面与过水隧洞相距10m范围内时，郑家湾隧道受到的影响较大。
(3)随着开挖进尺的增大，隧道拱顶沉降值呈增大趋势。当郑家湾隧道掌子面距离过水隧洞小于10m时，建议新建隧道每天的施工进尺不大于2.5m。当郑家湾隧道开挖其他分段时，建议每天的开挖进尺不大于3m。
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