第１期（总第１９９期） 文章编号：１００６—８１３９（２０１６）０１—００９—０３ 山西水利科技 ９ 东山供水工程隧洞穿公路段稳定研究 张 亮 （山西省水利水电勘测设计研究院山西太原０３００２４） 摘 要：东山工程９＃隧洞与和汾高速公路交叉，交叉段围岩情况不良，地下水位较高，文中运用 土力学理论初算公路与隧洞的相互作用，并在地质工作基础上，建立有限元模型进行计算，考虑隧洞 喷锚支护，得出计算结果：在隧洞深埋的情况下，公路与隧洞相互影响较小，印证了初算结论。为保证 隧洞开挖安全进行，根据计算结果，给出具体开挖支护建议。 关键词：隧洞；公路；交叉段；有限元 中图分类号：ＴＶ５５４ 文献标识码：Ｂ Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｔｈｅ Ｔｕｎｎｅｌ—－ｈｉｇｈｗａｙ Ｉｎｔｅｒｓｅｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｄｏｎｇｓｈａｎ Ｗａｔｅｒ Ｓｕｐｐｌｙ Ｐｒｏｊｅｃｔ ＺＨＡＮＧ Ｌｉａｎｇ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｎｏ．９ ｔｕｎｎｅｌ ｏｆ ｔｈｅ Ｄｏｎｇｓｈａｎ Ｗａｔｅｒ Ｓｕｐｐｌｙ Ｐｒｏｊｅｃｔ ｉｎｔｅｒｓｅｃｔｓ ｗｉｔｈ ｔｈｅ Ｈｅｆｅｎ Ｈｉｇｈｗａｙ．Ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｏｃｋ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｓｅｃｔｉｏｎ ｉｓ ｐｏｏｒ，ａｎｄ ｔｈｅ ｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒ ｌｅｖｅｌ ｉｓ ｈｉｇｈ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｔｈｅ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｈｉｇｈｗａｙ ａｎｄ ｔｈｅ ｔｕｎｎｅｌ ｗａｓ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｓｏｉｌ ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ｔｈｅｏｒｙ ｐｒｅｌｉｍｉｎａｒｙ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｗｏｒｋｓａ ＦＥＭ ，ｍｏｄｅｌ ｗａｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｂｏｌｔｉｎｇ ａｎｄ ｓｈｏｔｃｒｅｔｅ ｏｆ ｔｈｅ ｔｕｎｎｅｌ ｔｏ ｃａｌｃｕｌａｔｅ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｔｕｎｎｅｌ ０ｎ ｈｉｇｈｗａｙ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｔｕｎｎｅｌ ｏｎ ｈｉｇｈｗａｙ ｃａｎ ｂｅ ｉｇｎｏｒｅｄ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｔｕｎｎｅｌ ｉｓ ｄｅｅｐｌｙ ｂｕｒｉｅｄｗｈｉｃｈ ，ｃｏｎｆｉｒｍｓ ｔｈｅ ｅａｒｌｙ ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎ．Ｔｏ ｅｎｓｕｒｅ ｔｈｅ ｓａｆｅｔｙ ｏｆ ｔｕｎｎｅｌ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ，ｓｏｍｅ ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ ｓｕｇｇｅｓｔｉｏｎｓ ａｒｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ． ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｔｕｎｎｅｌ；ｈｉｇｈｗａｙ；ｉｎｔｅｒｓｅｃｔｉｏｎ；ＦＥＭ １项目背景 山西省东山供水工程是大水网建设的骨干工程， ９＃隧洞第五标段靠近云竹水库，为无压输水隧洞，隧 洞采用马蹄形断面，净断面下半侧拱及底拱半径尺 ＝ ３．０ ｍ，上半侧拱及顶拱半径 ＝１．５ ｍ，二次衬砌厚度 为３００ ｍｍ，设计纵坡为１／２ ７００。 ９＃隧洞第五标段与和汾高速公路交叉一次，交叉 段斜穿和汾公路长约６０ ｍ（图１中公路坡脚Ａ点与 公路坡脚Ｂ点之间），隧洞与公路交叉角度约６０。。 交叉段为填方路基，穿越和汾高速公路处隧洞洞 顶距路面约４１．５ ｍ。施工单位从９＃隧洞９—１竖井由 西北至东南开挖。根据地质资料，该区域洞顶围岩主 图１ ９＃隧洞与和汾高速公路交叉示意图 收稿日期：２０１５—０７—２２ 修回日期：２０１６—０１—１３ 作者简介：张亮（１９８３－），男，工程师，２００７年武汉大学岩土工程专业硕士毕业，主要从事水利水电设计研究工作。 第１期（总第１９９期） 张亮：东山供水工程隧洞穿公路段稳定研究 表１围岩物理力学指标 围岩 洞体及洞底一泥岩 淤泥质黏土 弹性模量 ／（ｋＮ／ｍ ） ５．０￣１０６ ５ ０００ 泊松比 ０－３５ ０．２５ 容重 ／（ｋＮ／ｍ ） ２０ １９ 渗透系数ｋ （各项同性） ２．０ｘ１０。６ １．０），：１０－７ 粘聚力Ｃ ，（ｋＮ／ｍ ） ０ ３０ 摩擦角 ／（。） ３８ ３６ 卵石混合土 低液限黏土 人工填土 地表Ｃ２０混凝土 ５．０￣１０ ５ ０００ １０ ０００ ２．５￣１０６ ０．２５ Ｏ．２５ ０．４ ０．２ １９．５ １９ １９ ２４ ０．１ １．０￣１０－ｖ １．０×１０－５ １．０￣１０－９ ０ ３０ ２８ １ ０００ ４０ ３６ ３６ ４５ 表２隧洞拱顶最大位移值，ｍ。方向为垂直向下 工况 不施加喷锚支护 施加喷锚支护 ３．２地表位移分析 为验证洞体的开挖施工对公路地表的影响，利用 程序中生死单元的方法，将洞体单元取模型中隧洞洞 体单元不开挖作为工况，结果如表５所示。 表５地表位移值（方向为垂直向下） 、、、 无车道荷载 ０．Ｏ ０．Ｏ 有车道荷载 １．８２ｘ１０４ １．５９ｘ１０４ 考虑到实际围岩不可能如模型完整，局部坍落时有存 在，因而在围岩情况不良时进行一次支护是必须的。 并根据水工隧洞规范，隧洞洞周允许位移约为跨度值 的０．２％ ７．８ ｍｍ。 受力 洞体未开挖 洞体已开挖 工况＼ ／ｍｍ ０ ／ｍｍ ０ 无车道荷载 有车道荷载 ０．０２０ ３ ０．０２０ ３ 可得出，在有车道荷载作用时，计算所得拱顶位 移量在安全范围。 喷混凝土应力值计算结果见表３。 表３喷混凝土应力值 可以看出，在存在车道荷载的情况下，洞体开挖 之后，地表位移值无变化。因此可知，初算的推论是合 理的，隧洞开挖对地表没有影响。 ＼受力 最大拉应力 最大剪应力 工况＼ ／ＭＰａ ０．７７９ ０．７８８ ／ＭＰａ １．７２ １．７０ ４结论及建议 计算结果表明：在公路车道荷载的作用下，喷混 凝土与系统锚杆作为一次支护措施对围岩稳定充分 无车道荷载 有车道荷载 发挥了作用，隧洞围岩变形控制在微小范围，基本不 喷混凝土单元出现最大拉应力和剪应力的位置 位于隧洞侧墙中部，Ｃ２０混凝土轴心抗拉强度设计值 ＝１．１０ ＭＰａ，抗剪强度设计值ｆ￣－１．７６ ＭＰａ，可知喷混 凝土充分发挥了支护作用。 受公路荷载影响。同时，通过地表位移分析可知洞体 的开挖对公路地表也无影响，因此隧洞穿公路段是安 全的，印证了初算结论。 为确保隧洞施工期间及后期高速公路正常运行， 在原有隧洞衬砌结构基础上采取交叉段加强支护设 计，同时增加了交叉段加强支护长度，以增加交叉段 系统锚杆应力值计算结果见表４。 表４系统锚杆应力值 、、、 受力 最大拉应力 最大剪应力 工况＼ ，ＭＰａ ０．７７９ ０．７８８ ／ＭＰａ １．７２ １．７０ 开挖施工安全保证。 加强支护措施如下：隧洞拱顶设双排中４２超前 小导管注浆及１４＃工字钢拱架配合支护，底部视地基 情况挖深并进行片石夯填处理；拱顶及直墙设 ８钢 筋网（间距１５０￣１５０），喷Ｃ２０混凝土２００ ｍｍ厚。 无车道荷载 有车道荷载 按锚杆抗拉强度设计值２７０ ＭＰａ考虑，抗剪强度 设计值２６６ ＭＰａ考虑，远大于实际受拉和受剪荷载。 因此在避免围岩局部坍塌的情况下，可考虑减少锚杆 支护数量。 此外应做好隧洞测量工作，及时掌握隧洞围岩情 况；做好地表沉陷、顶拱下沉、周边位移等隧洞施工监 控工作；一次支护应及时，二次衬砌适时跟进；严格控 制施工中渗水的影响，及时采取措施引排水至洞外。