山體泄水渠開挖對鄰近隧道及橋梁影響研究

莊美琪楊東光吳熠文

(1． 深圳市水務工程建設管理中心，廣東深圳518040; 2． 湖南大學土木工程學院，湖南長沙410082)

0 引言

隨著我國基礎設施建設的發展，受地質、地形因素的限制，一些新建的基礎設施與原有的公路山體隧道距離較近，如在傍山隧道處開挖水渠、公路，修建水庫等[1]。由于新舊結構之間的距離較小，新修建的設施會對既有隧道產生相應的影響，使隧道發生變形，嚴重時可導致隧道襯砌開裂、漏水，威脅既有隧道的運營安全[2]。因此研究山體開挖對既有山體隧道的變形影響規律十分必要?，F有研究表明，山體開挖對既有山體隧道的變形規律存在影響[3,4]。

本文以深圳市大鵬新區壩光片區防洪(潮)排澇工程的大坑槽水工程為背景，根據地勘資料采用HSS模型及HB模型進行三維數值模擬計算。分析大坑槽水干流渠道開挖及人行天橋施工對葵壩隧道與鹽壩高速公路橋樁的影響，可為后續施工和類似項目提供參考。

1 工程概況

大坑槽水工程是壩光片區防洪(潮)排澇工程二標的一部分，干流經過葵壩隧道上方和鹽壩高速的3號,4號樁中間，泄水渠寬度為4.68 m，最大開挖深度為3.9 m，大坑槽水干流渠道采用機械開挖。新建人行天橋跨大坑槽水，位于葵壩隧道南側。大坑槽水泄水渠、葵壩隧道、鹽壩高速和人行橋的平面位置關系如圖1所示。

葵壩隧道全線采用雙向4車道市政道路標準，建筑限界寬為10 m，高為5 m。鹽壩高速橋跨徑布置為7×30 m共1聯，上部結構為預應力混凝土小箱梁，先簡支后結構連續；下部結構橋墩采用柱式墩、灌注樁基礎?？麎嗡淼来┰綐蛄簶痘凑涨稁r樁設計。

左線隧道從5號,6號橋墩之間穿過，右線隧道從4號,5號橋墩之間穿過。

大坑槽水工程經過葵壩隧道和鹽壩高速區域的山體邊坡地表被第四系覆蓋，履蓋層厚度較大，基巖受風化作用強烈，巖石較破碎，巖芯呈塊狀。大坑槽水工程區域地層主要為雜填土、漂石、全風化凝灰巖、強風化凝灰巖、弱風化凝灰巖等。泄水渠挖土層主要為漂石和全風化凝灰巖。

2 數值模型

2.1 模型介紹

為準確泄水渠開挖和人行橋施工對葵壩路隧道和鹽壩橋樁的影響程度，本報告采用有限元軟件PLAXIS 3D進行了數值分析，PLAXIS軟件是國際通用的巖土工程有限元軟件，具備強大的建模、分析功能，擁有非常全面的土本構模型，可以很好的進行巖土工程的分析。

葵壩隧道、泄水渠人行橋基礎、鹽壩高速橋樁和環壩路相對位置如圖2所示，模型尺寸為300 m×400 m×110 m，模型的尺寸能較好的消除邊界效應的影響。

2.2 本構模型與土層參數

本文采用PLAXIS 3D有限元軟件對項目進行二維數值模擬，土體采用小應變硬化土(HSS)模型[5]和霍克-布朗(HB)模型[6,7]模擬，根據現場取土后進行室內試驗確定場地內典型地層模型參數，其值如表1所示。

表1 土層計算參數

2.3 相關結構參數

葵壩隧道襯砌在PLAXIS 3D中用Shell單元模擬，襯砌厚度為二襯厚度，相關參數取值見表2。

表2 葵壩隧道襯砌參數

人行橋基礎為鋼筋混凝土基礎，在PLAXIS 3D中用實體單元模擬，相關參數取值見表3。

表3 人行橋基礎參數

鹽壩高速橋樁為鋼筋混凝土樁，在PLAXIS 3D中用Embedded beams單元模擬，相關參數取值見表4所示。

表4 鹽壩高速橋樁參數

3 數值計算結果分析

人行橋施工和泄水渠開挖穩定后，本文對數值模擬計算的葵壩隧道和鹽壩高速橋樁的變形及內力進行提取分析。X表示與隧道垂直方向，Y表示隧道往洞門方向，uz表示隧道豎直方向的變形，ux表示隧道垂直方向的變形，uy表示隧道往洞門方向的變形，M2作用在YZ平面內的附加彎矩，M3作用在XZ平面內的附加彎矩。

從圖3～圖5中可以看出，隧道的豎向變形在0 mm～0.5 mm，豎向變形較大區域出現在泄水渠開挖下方的區域，其中最大豎向變形為0.5 mm。隧道的X方向水平變形在-0.1 mm～0.2 mm，較大區域出現在靠近洞口處，變形方向朝泄水渠開挖處，X方向最大水平位移為0.2 mm。隧道的Y方向水平變形均不足0.03 mm，說明泄水渠的開挖對隧道的Y方向水平變形基本沒有影響。

隧道的豎向變形和X方向水平變形主要是因為隧道右側泄水渠開挖引起的回彈變形。遠離泄水渠開挖區域隧道的變形和附加彎矩越來越小，在距離泄水渠開挖區域40 m之外豎向變形很小，基本不受影響。

為分析橋樁最危險情況，分別選取變形及附加彎矩最大的樁進行分析。樁的最大豎向變形出現在泄水渠經過第三排橋樁的區域，從圖6可以看出，樁體最大豎向變形為0.8 mm，且樁體上部變形略小于下部，樁體被拉伸。

樁的X方向水平變形較大區域出現在泄水渠開挖經過的第三排橋樁區域，最大變形為0.6 mm，樁的Y方向水平變形較大區域出現在泄水渠開挖的區域，最大變形為0.5 mm，如圖7，圖8所示，樁的水平變形隨深度逐漸增大，但變形均不大，且遠離泄水渠開挖處變形越來越小，在距離泄水渠30 m外變形很小，基本不受影響。

樁的YZ平面內附加彎矩最大區域出現在一、二、三排樁靠近泄水渠南北開挖區域，M2最大值為42 kN·m。樁的XZ平面內附加彎矩最大區域出現在靠近泄水渠東西開挖區域的第三排樁，M3最大值為92 kN·m。如圖9，圖10所示，樁的彎矩極值位置與水平變形的反彎點一致，滿足變形規律。

大坑槽水工程開挖及人行橋施工引起葵壩隧道和鹽壩高速橋樁最大變形和最大附加彎矩結果如表5所示。

表5 最大變形及附加彎矩結果

4 結語

本文對深圳市大鵬新區壩光片區防洪(潮)排澇工程的大坑槽水工程進行三維數值模擬計算，分析大坑槽水干流渠道開挖及人行天橋施工對葵壩隧道與鹽壩高速公路橋樁的影響，獲得以下結論：

1)數值計算結果顯示正常施工條件下，葵壩隧道最大水平變形和豎向變形分別為0.5 mm和0.2 mm，變形十分微小，說明大坑槽水工程施工對葵壩隧道影響十分微小，不影響葵壩隧道的正常運營。

2)在設計和施工時應做好地面和揭露巖體的防排水措施，并加強和原有引排水措施的銜接，防止地面水和地下水向下滲透、富集，從而對隧道排水系統產生不利影響。

3)合理安排開挖次序，盡量縮短開挖暴露時間，避開汛期施工，以免順層導水危害隧道。

4)施工前應對葵壩隧道、鹽壩高速橋樁以及周邊環境制定針對性的監測方案和風險應急預案，一旦出現險情要做到早發現、早處理。通過監測，及時優化、調整施工參數，做到動態信息化施工。