高地震區大跨徑隧道建設與既有引水隧洞交叉的影響分析

中圖分類號：U455.4文獻標識碼：ADOl：10.13282/j.cnki.wccst.2025.01.049

文章編號：1673-4874（2025）01-0166-04

0 引言

隨著我國基礎交通設施不斷發展，公路、鐵路、城市隧道的建設和運營越來越多，受地形、地質、周邊建筑等多種因素影響，不可避免地出現了許多上下交叉隧道形式的工程，這些工程相互之間存在不同程度的不利影響。劉明高等1通過實際監控量測數據，研究了市政隧道上跨既有鐵路隧道設計和施工采用的原則、方法與對策；張麗娟2探討了新建公路隧道上跨施工中的施工技術及管理思路；熊文亮3研究了新建公路隧道上跨既有鐵路隧道的安全影響。本文結合云南某項目，采用數值方法分析高地震區新建高速公路大跨徑隧道施工與既有引水隧洞的相互影響，對該工程的設計關鍵技術進行探討，以期對后續相似工程提供參考。

1工程概況

1.1 總體概況

云南某項目主線隧道為分離式中隧道，隧道全長720m ，雙向六車道，設計時速為 100k m ，地震動峰加速度為0.3g，反應譜特征周期為0.45s，抗震設防烈度為VII度。隧道區處于低山丘陵地貌區，新建隧道與既有引水隧洞交叉段范圍內地層主要為震旦系下統澄江組（Zac）砂巖、泥質砂巖。交叉段隧道洞身主要為中風化泥質砂巖，洞身圍巖為V級圍巖。該高速公路隧道主洞建筑限界為（單洞）：14.5m（寬）" （高）。交叉段隧道襯砌采用SF5a襯砌，初支采用29cm厚C25噴射混凝土、I22b cm鋼拱架，二次襯砌采用60cm厚C35鋼筋混凝土，主筋采用φ25mm@20cm 。既有引水隧洞全長3072m交叉段引水隧洞襯砌采用B_k1B_x1型襯砌，兩種襯砌斷面大小均一致，均采用50cm厚C30鋼筋混凝土襯砌，主筋采用φ16mm@20cm。交叉段引水隧洞結構斷面如圖1所示。

1.2 交叉段概況

1.2.1位置關系

新建高速公路隧道左右線與既有引水隧洞交叉角度約為 。引水隧洞于新建高速公路隧道下方斜交穿越，新建高速公路隧道左線交叉點處設計高程為1878.929m ，此處引水隧洞的設計高程為1843.59m，與引水隧洞毛洞頂凈間距約為27.5m；右線交叉點處設計高程為 ，此處引水隧洞的設計高程為1843.535m，與引水隧洞毛洞頂凈間距約28. 2m 。詳見圖2。

1.2.2交叉段工程地質

交叉段新建高速公路隧道洞身主要為中風化泥質砂巖，洞身圍巖均為V級圍巖。既有引水隧洞洞身為中風化砂巖。根據地勘報告，地層參數如表1所示。

2 交叉影響控制分析

上跨施工過程中對既有隧洞的控制主要是結構變形和內力兩方面。其中內力控制主要是驗算隧道斷面關鍵位置處的極限強度，結構變形控制主要是隧道自身的襯砌受彎構件的最大撓度。上跨施工引起的變形量和內力值都要嚴格限制在允許范圍內，避免對既有隧洞的結構和運營安全造成危害。

2.1 應力控制標準

混凝土和鋼筋混凝土結構中混凝土的極限強度應按照表2采用。

2.2 位移控制標準

根據《水工混凝土結構設計規范》（NB/T11011一2022），引水隧洞襯砌受彎構件的最大撓度應按荷載效應標準組合進行驗算，其計算值不應超過規定的撓度限值 為引水隧洞的計算跨度，取 4m） ，因此計算允許位移值為S_max=4000/250=16.0mm。考慮施工期間的安全性，建議取 70% 為：

2.3 交叉段評估分析

根據新建隧道和既有隧洞相對位置關系，通過建立三維有限元模型，分析公路隧道上跨開挖影響下引水隧洞的變形和受力變化。施工過程采用地層一結構模型進行模擬，計算范圍按左右邊界距隧道中心線距離 倍洞徑考慮，底部邊界距隧道底部的距離按 倍隧道高度考慮。最終建立的計算模型尺寸為 110m（長 × 寬 × 高），共劃分17萬個單元及8.9萬個節點。模型左、右邊界、下部邊界以及前、后面均施加法向約束，模型上表面為自由邊界。為簡化計算，將地層視為單一各向同性的均質地層，公路隧道、引水隧洞圍巖、二次襯砌采用實體單元模擬，引水隧洞襯砌采用板單元模擬，圍巖采用摩爾一庫侖本構模型，支護單元采用彈性本構模型。計算模型如圖3、圖4所示，計算參數如表3所示。

2.3.1開挖計算模擬過程

第一步：模型自重應力下進行地應力平衡，計算達到平衡后進行位移清零。

第二步：開挖引水隧洞并激活引水隧洞支護單元。

第三步：進行公路隧道開挖，先施工左線、再施工右線，左右線掌子面前后間距約為30m。掌子面開挖后依次激活初支和二次襯砌支護單元，計算達到當前開挖平衡狀態后進入下一開挖循環，直至整個模型計算完成。

2.3.2數值分析計算成果

2.3.2.1公路隧道開挖對引水隧洞的影響分析

由圖5、圖6可知，在公路隧道開挖影響下，引水隧洞襯砌出現不同程度上浮變形。公路隧道開挖前，公路隧道左右洞與引水隧洞的兩處交叉點位置，拱頂沉降位移均為 ；公路隧道開挖后，影響范圍內引水隧洞拱頂上浮位移約為 ；公路隧道開挖卸荷后，引水隧洞襯砌拱頂沉降變形與上浮變形疊加后，轉變為微小的上浮變形 +0.13m m 。因此可知，在公路隧道開挖影響下，引水隧洞襯砌出現不同程度上浮變形，最大上浮值為 ，發生在與公路隧道垂直重疊位置。

通過分析公路隧道開挖后引水隧洞襯砌位移云圖，可知上浮變形大小由垂直重疊位置向兩側逐漸減小，重疊影響區域為 ，總體變形較小。因此，在公路隧道開挖作用下，既有隧洞結構上浮界限最大值為 ，小于計算充許位移值11.2mm，在安全范圍內。

通過選取引水隧洞襯砌最大上浮截面拱頂和拱底中部的彎矩和軸力，按破損階段法驗算其安全系數。

由表4可知，在公路隧道上跨引水隧洞開挖的卸載作用下，引水隧洞襯砌應力所受影響較小，最大壓應力在卸荷作用下隨開挖逐漸減小，最大壓應力由11.96MPa變化為11.35 MPa ，開挖前后均明顯小于材料的極限強度 22.5MPa ，結構強度在安全范圍內。引水隧洞襯砌結構綜合安全系數均滿足規范中鋼筋混凝土 ？2.0 的要求，且隧道施工過程中，引水隧洞襯砌安全系數仍然有足夠的安全儲備，在公路隧道開挖影響下引水隧洞結構滿足安全要求。

2.3.2.2既有引水隧洞對公路隧道的影響分析

由圖7、圖8可知，公路隧道二襯最大變形為10.9mm ，發生在仰拱位置，拱頂最大下沉位移為 ，明顯小于規范要求的 17000/400=42.5m m ；根據公路隧道襯砌最大主應力云圖可知，襯砌的最大拉應力為0.96 ，主要發生在拱頂和仰拱區域；最大壓應力為 ，主要發生在邊墻區域；C35混凝土的極限抗拉強度為 ，極限抗壓強度為26.3 ，公路隧道襯砌內力明顯小于材料的極限強度，結構強度在安全范圍內。

3結語

文章結合云南高地震區某新建大跨徑公路隧道上跨既有引水隧洞工程實例，提出新建公路隧道的支護參數，對隧道上跨引水隧洞的結構變形和內力進行模擬分析，得出以下結論：

（1）進行隧道上跨引水隧洞施工時，在隧道開挖的卸載作用下，引水隧洞襯砌應力及變形所受影響較小，引水隧洞最大變形值為1.54mm、最大應力為11.96 ，均符合控制標準，滿足結構安全。

（2）新建公路隧道施工期二襯最大變形值為 ，拱頂最大下沉位移為 ，最大拉應力為 ，最大壓應力為19. 7MPa ，襯砌變形及受力均滿足規范要求，工程所采用的設計方案合理可行，可為今后地下類似交叉工程提供借鑒和參考。

參考文獻

[1]劉明高，李建林.道路隧道上跨既有鐵路隧道安全分析與對策[J].市政技術，2020（1）：56-59，103.

[2]張麗娟.上跨隧道建設對既有公路隧道結構的影響分析[J」居舍，2021（10）：168-169.

[3]熊文亮.黃土公路隧道上跨既有鐵路隧道安全性影響分析[J].工程技術研究，2018（13）：1-4.