一种增建隧道旁既有隧道安全性评估方法

本发明涉及隧道安全性评估，具体是一种增建隧道旁既有隧道安全性评估方法。

背景技术：

1、近年来，随着国内汽车保有量的逐年增高，部分高速公路交通量已提前达到饱和，甚至超越了原有的交通量预测，对既有道路进行拓宽已势在必行。在既有道路拓宽工程中，既有老隧道旁增建新隧道是隧道段扩建最常选用的方案，也是道路拓宽环节中面临的节点性工程。

2、由于受到用地限制，增建隧道和既有隧道间距离常常受到极大的限制，增建隧道与既有隧道经常以小净距隧道形式出现，增建隧道的(钻爆)开挖施工将不可避免地对既有隧道的围岩稳定、支护结构安全产生极大影响，尤其是当既有隧道在增建隧道施工期间需要保持营运状态时，合理、精准地开展针对既有隧道的安全性评估将至关重要。

3、截至目前，围绕增建隧道旁既有隧道的安全性评估方法，研究者们主要从静力、动力两个层面提出方法，主要包括采用静力法模拟开挖支护施工全过程的评估方法、采用动力法模拟钻爆施工全过程的方法；但是，现有评估方法未能充分考虑到既有隧道工程的支护结构病害且选用的评价指标较为单一、且割裂明显。

4、综上所述，为使增建隧道旁既有隧道安全性评估更合理、精准，亟需提出一种引入既有隧道支护结构特征，且能够实现静、动力分析有机融合的既有隧道安全性评估方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术在进行既有隧道安全性评估，由于对既有隧道支护结构病害考虑不足以及未能综合分析增建隧道施工中的静、动力开挖效应导致安全性评估合理性差、精准度不够的不足，提供了一种增建隧道旁既有隧道安全性评估方法，通过将支护结构病害引入计算模型，并有机叠合静、动力分析结果，可实现对既有隧道安全性的有效评估。

2、既有隧道在长期服役过程中，必然有支护结构病害的发生，且在支护结构病害发生后，原“围岩-支护”体系的应力场、位移场都会发生变化，这一点在目前的结构安全性分析评估中，多数未加以考虑或仅是采用降低支护结构性能进行等效模拟。

3、现有技术主要从静力、动力两个层面评估隧道的安全性，如在静力分析方法中常采用支护结构受力或围岩变形作为安全评估指标，而在动力分析方法中则主要以振速控制为核心，即使有现有技术同时采用了静力、动力分析，对二者的分析往往也是独立开展的。实际情况下，静、动力间必然存在相互影响，选用的评价指标未能将静力、动力分析有机结合，导致评价结果与实际情形存在割裂和差别。

4、本发明的目的主要通过以下技术方案实现：

5、一种增建隧道旁既有隧道安全性评估方法，包括以下步骤：

6、s1、获取隧址区地质数据和既有隧道支护结构数据并建立第一开挖支护模型；

7、通过获取既有隧道的地质勘探数据建立有限元模型，通过模型分析，能够准确评估地质风险和应力状态，直观的体现隧道内支护结构的变形趋势和稳定状态。

8、s2、获取既有隧道支护结构的病害特征数据，将获取的病害特征数据引入至所述第一开挖支护模型，计算既有隧道围岩的现存位移和支护结构的现存应力；

9、在增建隧道之前，既有隧道在长期服役过程中，支护结构会有风化、老化、承受水害、冻害等病害发生，且在支护结构病害发生后，原“围岩-支护”体系的应力场、位移场都会发生变化。

10、病害特征直接反映了隧道结构的健康状况和潜在风险。在第一开挖支护模型中引入病害特征数据，可以更直观、准确地评估隧道变形的程度和趋势，了解这些因素对隧道变形的影响方式和程度，也有助于提高隧道变形的预测和预警能力。本技术为使增建隧道时的既有隧道模型更贴近真实情况，使评估结果更准确，在第一开挖支护模型中引入病害特征，并计算出既有隧道的位移情况和支护应力，使得模型的数据更准确，更贴近现实情况。

11、s3、获取增建隧道的支护结构数据，并结合既有隧道围岩的现存位移、所述支护结构的现存应力和所述病害特征数据建立第二开挖支护模型；

12、结合引入病害特征的第一开挖支护模型建立第二开挖支护模型，即所述第二开挖支护模型是同时包括既有隧道和增建隧道的模型，用于计算新建隧道的过程中对既有隧道围岩和支护结构稳定性的影响。

13、s4、对所述第二开挖支护模型做静力分析和动力分析；

14、对所述第二开挖支护模型进行静力计算和动力计算，分析静力和动力对既有隧道围岩和支护结构的影响。

15、在原有限元模型引入支护结构病害的基础上，引入新增隧道的相关数据，并分别做动力分析和静力分析，结合到原“围岩-支护”体系的应力场、位移场变化，使得最终的计算结果更准确。

16、s5、结合所述静力分析和所述动力分析，计算围岩振速、静动叠合位移、支护结构振速和静动叠合应力；

17、利用第二开挖支护模型做静力计算，并在所述静力计算的基础上做动力计算。计算既有隧道的围岩振速、位移、支护结构振速和应力，使得最终的结果充分体现动力作用、静力作用和二者相互作用对既有隧道的影响，从而确保计算数据的准确性，提高评估结果的准确度。

18、s6、预设围岩振速安全值、静动叠合位移安全值、支护结构振速安全值和静动叠合应力安全值，将所述围岩振速、静动叠合位移、支护结构振速和静动叠合应力与预设的围岩振速安全值、静动叠合位移安全值、支护结构振速安全值和静动叠合应力安全值做对比，根据对比结果判断既有隧道的安全性。

19、将围岩振速、静动叠合位移、支护结构振速和静动叠合应力作为既有隧道的安全评价指标，根据安全评价指标预设对应的安全值，将计算所得的安全评价指标与安全值做对比，当每个安全评价指标都小于对应的安全值时，说明新增隧道施工和既有隧道的使用对既有隧道的变形和振动不会影响既有隧道的正常使用。

20、其中，所述围岩振速和所述静动叠合位移为围岩的安全性评价指标，所述支护结构振速和静动叠合应力为支护结构的安全评价指标。

21、相较于现有技术，本发明结合既有隧道的病害特征，计算了既有隧道在截至新增隧道施工时的结构变形和应力变化。且在新增隧道施工的过程中，分别对既有隧道进行动力计算和静力计算，并将计算结果有机结合，从而还原新增隧道施工对既有隧道的动力和静力影响，得到隧道真实的变形数据，从而判断隧道的安全性。

22、更进一步的，所述步骤s2中，所述病害特征数据包括裂缝数据、空洞数据和厚度数据。

23、不同的病害类型，如裂缝、渗漏、腐蚀等，会导致隧道结构在不同程度上发生变形，本方案至少获取裂缝、空洞和厚度不足三种影响隧道结构和安全的主要的特征病害数据。

24、更进一步的，所述步骤s3中：所述第二开挖支护模型包括对增建隧道的爆破模拟，所述爆破模拟采用爆破荷载，用掏槽药量代表所述爆破荷载，所述掏槽药量的计算公式如下：

25、

26、

27、式中，p为掏槽药量，z为比例距离，其中，r为炮眼至荷载作用面的距离(m)；q为炮眼填药量(kg)。

28、首先，新增隧道开挖必然涉及爆破、清运、支护等过程，爆破开挖会引起地质体的变形，这会对既有隧道的稳定性产生一定的影响。地质体的变形会导致既有隧道的位移和应力集中，从而加剧既有隧道的沉降和变形，甚至可能导致隧道结构的破坏。其次，隧道爆破会产生大量的振动和声音。这种振动和声音不仅会影响既有隧道的稳定性，还可能加速既有隧道的老化和破损，降低其承载能力和使用寿命。

29、新增隧道爆破对既有隧道的影响程度还会受到多种因素的影响，如既有隧道的运营时间长短、结构材料的老化程度、环境腐蚀状况等。对于运营时间较长的隧道，由于结构材料的老化和环境腐蚀等因素的影响，其抵抗新增隧道爆破带来的影响的能力会相对较弱。

30、本技术根据既有隧道新增隧道之前的病害特征与运营情况、地质情况建立了第一开挖支护模型，并算得了既有隧道的变形情况。结合上述信息在第二开挖模型中进行爆破模拟，用掏槽药量模拟增建隧道开挖过程中的动爆破荷载，用动爆破荷载作为模型参数带入第二开挖支护模型，计算增建隧道开挖过程中爆破作用对既有隧道的影响。

31、更进一步的，所述步骤s4中：利用动弹性模量和动泊松比为所述动力分析的过程赋值；

32、所述动弹性模量的计算公式为：

33、所述动弹性模量的计算公式为：μd＝0.8μs；

34、式中，ed为动弹性模量，es为静弹性模量，μd为动泊松比，μs为静泊松比。

35、建立既有隧道和增建隧道的有限元模型之后，用动弹性模量和动泊松比为第二开挖支护模型的动力分析赋值，确定既有隧道的变形能力，从而计算增建隧道施工作用中既有隧道的变形情况。

36、更进一步的，在所述步骤s4中：对所述第二开挖支护模型进行静力分析并结合模拟增建隧道施工过程中既有隧道支护结构受力情况和/或围岩变形情况建立静力分析模型；

37、对所述第二开挖支护模型进行动力分析并结合模拟增建隧道施工过程中既有隧道受震动产生的变形情况建立动力分析模型。

38、模拟增建隧道施工全过程中既有隧道在静力荷载作用下的支护结构受力或围岩变形情况，研究增建隧道产生的静力对既有隧道结构的强度、刚度和稳定性的影响，从而判断增建隧道对旁边的既有隧道产生的静力影响。

39、对所述第二开挖支护模型进行动力计算，模拟增建隧道施工过程中既有隧道因动力荷载产生震动的过程，研究增建隧道过程中、既有隧道自身营运而产生的动力对既有隧道围岩和支护结构的振速与受力的影响，从而判断动力对增建隧道对旁边的既有隧道的安全性的影响。

40、更进一步的，所述步骤s5中：采用所述静力分析模型计算得到既有隧道的围岩位移和第一支护结构应力；

41、采用所述动力分析模型计算得到既有隧道的围岩振幅、围岩振速、第二支护结构应力，支护结构振速。

42、具体的，利用静力分析模型计算既有隧道受静力干扰产生的变形数据和结构应力，利用动力分析模型计算既有隧道的振动数据和结构应力。

43、更进一步的，所述静动叠合位移采用所述隧道围岩位移与所述隧道围岩振幅的和；静动叠合应力采用所述第一支护结构应力和第二支护结构应力的和。

44、将动力导致的位移与静力导致的位移结合，算得既有隧道受动力与静力干扰产生的全部位移。将动力干扰导致的支护结构应力与静力干扰导致的支护结构应力结合，算得既有隧道受动、静力产生的支护结构应力。

45、更进一步的，在所述步骤s6中：对比所述围岩振速与所述围岩振速的安全值、所述支护结构振速与所述支护结构振速的安全值、所述静动叠合位移与所述静动叠合位移的安全值、所述静动叠合应力与所述静动叠合应力的安全值；

46、若同时满足所述围岩振速小于所述围岩振速的安全值、所述支护结构振速小于所述支护结构振速的安全值、所述静动叠合位移小于所述静动叠合位移的安全值、所述静动叠合应力小于所述静动叠合应力的安全值，则判定为安全，否则，判定为不安全。

47、将全部指标与对应的安全值做对比，若全部指标均低于预设的安全值，则既有隧道围岩与支护结构均安全，若有某一项/几项指标不低于安全值，则既有隧道存在安全风险。

48、综上所述，本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

49、1、在第一开挖支护模型中引入病害特征，结合引入病害特征的第一开挖支护模型建立第二开挖支护模型和第三开挖支护模型，充分考虑既有隧道使用过程中的病害特征对既有隧道围岩和支护结构产生的影响，和病害特征对围岩和支护结构应力场和位移场影响，使得最终算得的参数更可靠。

50、2、所述第二开挖支护模型为三维静力开挖支护模型，所述第三开挖支护模型为三维动力开挖模型，分别研究增建隧道开挖对既有隧道产生的静力影响和动力影响，并结合静力分析与动力分析研究增建隧道对既有隧道围岩和支护结构振速、位移、应力的影响，从而判断增建隧道过程中，既有隧道是否有安全。