大連市石葵路西隧道施工對原隧道及民居影響的控制分析

于曉東，林興一

（1.大連市市政設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，遼寧 大連 116011；2.大連港口設(shè)計研究院有限公司,遼寧 大連 116001）

0 前言

隨著我國交通事業(yè)的不斷發(fā)展，在我國許多地區(qū)出現(xiàn)了間距突破規(guī)范要求的并行隧道。在新建隧道施工過程中如何保證既有隧道的安全運營成為施工和設(shè)計的又一個新的課題。除了施工過程中造成的襯砌背后回填不密實、襯砌厚度和襯砌強度不足等因素外，新建隧道的開挖也成為既有隧道病害繼續(xù)發(fā)展的重要誘因。隧道的開挖過程實際就是圍巖應(yīng)力調(diào)整和重分布的過程，與單一隧道開挖不同，近距相鄰隧道的開挖，使得地應(yīng)力場的重新分布變得十分復(fù)雜，因此既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響也難以描述，最大應(yīng)力值出現(xiàn)的位置需要計算才能得以確定。由于影響相鄰隧道的因素很多，如圍巖的地質(zhì)條件、隧道斷面尺寸、埋置深度，還有隧道襯砌參數(shù)、爆破施工用藥以及施工方法等，而這些因素的影響難以定量確定，工程中大多根據(jù)經(jīng)驗，通過工程類比來分析確定。針對近距離隧道開挖應(yīng)力分布的這些特點，通過加固薄弱點調(diào)整不利應(yīng)力分布，提高整體穩(wěn)定性的研究對設(shè)計、施工以及保證既有隧道的安全運營都具有十分重要的意義。

1 新建隧道開挖對既有隧道的作用機理分析

新建隧道施工會對近距離相鄰隧道產(chǎn)生一種“拉伸”作用，使得襯砌結(jié)構(gòu)向開挖側(cè)產(chǎn)生位移，同時造成圍巖和襯砌結(jié)構(gòu)的應(yīng)力重分布。

平行于地表無限大的均勻彈塑性巖體，在同一水平深度上，巖體自重產(chǎn)生的垂直壓力是相同的。在巖體中開挖一條平行于地表的水平隧道，隧道上方一定厚度的巖體向下產(chǎn)生變形，其剛度相對變小。開挖前，隧道上方的巖體壓力大部分沿著剛度大的隧道兩側(cè)巖體向下傳遞；隧道開挖并支護后，經(jīng)過長時間的應(yīng)力重分布，剛度較高的隧道襯砌結(jié)構(gòu)承受大于隧道兩側(cè)圍巖的地壓力。巖體壓力傳遞方向上的量值與圍巖和襯砌結(jié)構(gòu)的剛度有關(guān)，剛度越大承受的壓力值越大，相反，剛度小壓力值也小，這便是介質(zhì)中應(yīng)力傳遞的途徑。同樣地，在鄰近隧道的地層中開挖雙線隧道，使得新建隧道周圍圍巖的剛度降低，地壓力的傳遞方向傾向于剛度較高的既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)和基本未受開挖影響的另一側(cè)既有隧道圍巖。于是，新建隧道開挖后的既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)承受了比新建隧道開挖前平衡狀態(tài)下更大的上部壓力，下部地層反力也隨上部地壓力的變化而改變，新建隧道側(cè)的松動圍巖由于剛度降低只能傳遞小部分的地層反力，其余的大部分則轉(zhuǎn)移到既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)和遠(yuǎn)離新建隧道側(cè)圍巖中去。

在對近距離隧道的力學(xué)分析中可以得到，由于地層中存在剛度較高的既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)，新建隧道開挖并不會對遠(yuǎn)離新建隧道側(cè)圍巖的應(yīng)力狀態(tài)造成較大影響，從而既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)離新建隧道側(cè)圍巖側(cè)壓力的變化是由于隧道上部荷載的變化所引起的，由于上部荷載受新建隧道開挖影響而變大，所以既有隧道遠(yuǎn)離新建隧道側(cè)的側(cè)壓力增大。對于新建隧道側(cè)的圍巖來講，新建隧道的開挖打破了原來的應(yīng)力平衡狀態(tài)，巖體開挖造成新建隧道和既有隧道間的巖體產(chǎn)生應(yīng)力釋放并產(chǎn)生松動，中間巖體的豎向應(yīng)力增加，水平向應(yīng)力則急劇降低，造成既有隧道結(jié)構(gòu)在新建隧道側(cè)的荷載降低并提供了變形空間。

既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力變化均由于其所承受的荷載變化引起。新建隧道開挖會對圍巖的應(yīng)力分布的應(yīng)力傳遞造成不同程度的影響，但基本遵循使既有隧道結(jié)構(gòu)上部和遠(yuǎn)離新建隧道側(cè)荷載增大、新建隧道側(cè)荷載降低的規(guī)律。這樣就使既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)處于荷載不對稱的作用下，造成既有隧道結(jié)構(gòu)拱頂下沉并整體向新建隧道側(cè)移動，同時既有隧道右邊墻受上部荷載增大、新建隧道側(cè)荷載降低的影響，產(chǎn)生較大的變形。以上宏觀定性的力學(xué)分析結(jié)果，就是新建隧道施工對既有隧道產(chǎn)生“拉伸”作用的實質(zhì)，如圖1所示。

新建隧道開挖過程中圍巖的應(yīng)力釋放造成了對既有隧道結(jié)構(gòu)的“卸載”作用，這種作用越強，“拉伸”作用就會越明顯，而影響圍巖應(yīng)力釋放的就是新建隧道的開挖方式和支護時機。對比全斷面開挖和上下臺階法施工新建隧道，不難看出，上下臺階法施工對既有隧道產(chǎn)生的影響比全斷面開挖要小，可見開挖方式和支護時機也是影響新建隧道施工“拉伸”作用的重要因素。

可見，既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)的剛度和構(gòu)造缺陷程度、圍巖剛度以及開挖方式和支護時機是“拉伸”作用的主要影響因素。

在施工中造成有利于應(yīng)力傳遞的條件，降低上部地層應(yīng)力向既有隧道結(jié)構(gòu)傳遞的程度，有效地將作用在結(jié)構(gòu)體系上的作用轉(zhuǎn)移（或傳遞）到體系周圍的地層介質(zhì)中，同時充分發(fā)揮并加強巖體的自然承載能力，減少因新建隧道開挖造成的一側(cè)應(yīng)力釋放，是可以降低這種“拉伸”作用的。為達(dá)到上述目標(biāo)，在工程中可采取超前注漿加固、對中間巖體施加錨桿、分部開挖并及時支護等措施。

2 新建隧道開挖對缺陷隧道的影響

在某些條件下，既有隧道是安全的，但新建隧道的開挖會增加既有隧道病害的發(fā)生率，同時由于某些空洞或空洞組合的存在，既有隧道襯砌處于不利狀態(tài)。

2.1 既有隧道襯砌主應(yīng)力分析

首先考察拱頂背后存在空洞時新建隧道開挖的影響。表1、表2中分別列出了襯砌各截面第一、第三主應(yīng)力在無空洞、有空洞、有空洞且新建隧道開挖（空洞尺度0.5 m，1.0 m）各種情況下隨兩隧道間距的變化情況。

表1 既有隧道右側(cè)襯砌結(jié)構(gòu)第一主應(yīng)力（拱頂背后空洞）(單位：MPa)

表2 既有隧道右側(cè)襯砌結(jié)構(gòu)第三主應(yīng)力（拱頂背后空洞）(單位：MPa)

從表1、表2中可以看出，襯砌背后空洞以及新建隧道開挖對襯砌截面的第三主應(yīng)力影響較大，對第一主應(yīng)力的影響較小，除了空洞所在位置的襯砌截面外，其他截面的第一主應(yīng)力均無明顯變化。圖2中繪出了拱頂背后存在不同空洞尺度時不同間距隧道開挖造成的既有隧道襯砌右側(cè)各截面的第三主應(yīng)力變化曲線。由曲線可以看出，拱頂背后存在空洞時新建隧道開挖對拱頂截面影響較大，但由于未開挖前空洞的存在造成襯砌結(jié)構(gòu)的外擴使得襯砌第三主應(yīng)力增大、第一主應(yīng)力減少，開挖新建近距離隧道會造成既有隧道上部圍巖壓力增加并使拱頂有下沉的趨勢，而拱頂背后空洞的存在部分抵消了這種作用，故而新建隧道的開挖所產(chǎn)生的“拉伸”作用在某種程度上使得既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)相對安全。

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圖2中截面1表示背后空洞尺度為0.5 m，截面2表示背后空洞尺度為1.0m，以下同。

不同間距的新建隧道開挖的影響也不相同。從表2中可以看出，當(dāng)間距小于0.5D時，拱頂1.0 m空洞的存在使得襯砌拱頂截面的第三主應(yīng)力增加了50%，當(dāng)開挖新建隧道時又使得邊墻截面第三主應(yīng)力增加了55%；當(dāng)間距在0.5D～1.0D時，結(jié)構(gòu)在新建隧道開挖階段的第三主應(yīng)力最大增加量為35%；當(dāng)間距在1.0D～1.5D時，結(jié)構(gòu)在新建隧道開挖階段的第三主應(yīng)力最大增加量為11%；當(dāng)間距在1.5D～2.0D時，結(jié)構(gòu)在新建隧道開挖階段的第三主應(yīng)力最大增加量為5%；當(dāng)間距大于2.0D時，結(jié)構(gòu)在新建隧道開挖階段的第三主應(yīng)力最大增加量為2%。可見，隧道間距越大，新建隧道開挖的“拉伸”作用造成的應(yīng)力變化在總體應(yīng)力變化中所占的比例越小。

從圖2中亦可看出，在隧道間距較小時，邊墻截面受到的影響較大。在這種情況下，與隧道開挖的影響相比較，空洞的影響很小，故而新建隧道開挖是影響既有隧道襯砌主應(yīng)力的主要因素。隨著間距的增大，空洞和新建隧道開挖共同作用，使得各截面的主應(yīng)力增量不盡相同。當(dāng)間距較大時，隧道開挖的影響逐漸減弱，空洞的存在對結(jié)構(gòu)的影響起主要作用。同時，由圖表中得到，當(dāng)距離較近時襯砌拱頂背后空洞的存在對邊墻和拱頂截面主應(yīng)力影響較大，距離稍遠(yuǎn)時對拱肩截面的影響超過了對其他兩截面的影響程度。

從上面的分析中可以得知，新建隧道開挖對既有隧道起到了一種“拉伸”作用，使得既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)拱頂下沉，右邊墻向外擴張。這種“拉伸”作用與襯砌背后空洞一樣都是由于卸載和應(yīng)力傳遞而導(dǎo)致襯砌結(jié)構(gòu)的荷載重分布，造成了主應(yīng)力增大并可能致使結(jié)構(gòu)破壞。所以，新建隧道開挖只有在襯砌產(chǎn)生相同的變形趨勢情況下才對襯砌背后空洞的影響起到輔助作用造成既有隧道襯砌主應(yīng)力的不利變化。

2.2 既有隧道凈空變化

同時考察了隧道襯砌背后存在空洞情況下新建隧道施工對既有隧道凈空的影響，結(jié)果表明：除了空洞所在位置的襯砌有較小的變形外，結(jié)構(gòu)其他部位的變形量與既有隧道不存在缺陷情況下沒有明顯的區(qū)別。可以認(rèn)為，在隧道襯砌背后空洞存在的情況下開挖新建隧道的結(jié)構(gòu)變形量主要是由隧道開挖造成的，僅在空洞所在位置的襯砌結(jié)構(gòu)變形量稍有差異。

3 近距離隧道實例分析

大連市石葵路西新隧道工程由石峰街與石葵路交叉點為起點，經(jīng)80 m陰道、30 m明洞、265 m暗洞及155.5 m東引道至大連市巾幗房屋開發(fā)公司結(jié)束，全長530.5 m。隧道北側(cè)緊鄰既有隧道，而且既有隧道支護狀況較差；另一側(cè)緊鄰七層磚混結(jié)構(gòu)住宅樓，垂直方向距離只有8 m左右；既有隧道與南側(cè)建筑物間距離僅32m。工程情況見圖3。

3.1 既有隧道健全度評價

在新隧道設(shè)計過程中，為了充分掌握既有隧道襯砌情況及其背后圍巖的超挖回填情況，首先對其進(jìn)行了無損檢測。

依據(jù)檢測目的及隧道狀況，分別在拱頂、左右拱腳、左右邊墻上部及左右邊墻下部共7處布置了檢測線。詳細(xì)的測線位置及編號如圖4所示。

檢測結(jié)果表明，部分地段拱頂部位存在小范圍空洞（0.3～0.5 m）；拱頂襯砌結(jié)構(gòu)實測厚度占設(shè)計厚度2/3左右的地段約為70%，邊墻部位實測厚度與設(shè)計厚度符合較好；隧道出口端（西端）拱部有10處裂縫，所有裂縫均貫穿拱部（見圖5），雖無漏水現(xiàn)象，但有腐蝕痕跡。

可見，既有隧道健全度較好，雖然其襯砌背后存在空洞，但空洞尺度不大且存在空洞的部位沒有明顯的病害發(fā)生；大部分拱頂襯砌厚度僅占設(shè)計厚度的2/3，但從病害發(fā)生的情況來看，襯砌厚度能夠滿足承載力要求；隧道西側(cè)洞口段存在多條裂縫，其中兩條為縱向裂紋，其余裂縫產(chǎn)生時間較長，且沒有繼續(xù)發(fā)展的趨勢。

3.2 隧道距離的選擇

考慮到既有隧道結(jié)構(gòu)的健全度情況和南側(cè)建筑物的安全，對不同距離情況下隧道開挖進(jìn)行了比較，決定兩隧道間距為12m。

3.3 隧道穩(wěn)定性檢算

新建隧道開挖面寬度為12.48 m，與既有隧道間距為12m，既有隧道位于受開挖影響的一倍洞徑之內(nèi)，且既有隧道為直墻拱結(jié)構(gòu)，受力狀態(tài)比較復(fù)雜，給隧道施工帶來較大的困難。因此有必要對既有隧道的受力狀況進(jìn)行數(shù)值計算，以便為技術(shù)設(shè)計和隧道施工提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)。

（1）結(jié)構(gòu)計算模型

計算時采用平面應(yīng)變的模式，根據(jù)隧道周圍的實際情況，確定了石葵路西隧道開挖過程的有限元計算模型，如圖6所示。模型上邊界取地表，左側(cè)取15 m，右側(cè)取30 m（包括建筑物基礎(chǔ)），下邊界取20m。其中左右邊界水平約束，下邊界豎向約束，地表為自由面；建筑物荷載取150 kPa；采用DP材料計算結(jié)構(gòu)在開挖過程中的彈塑性非線性變形特征，共劃分1 606個單元。計算參數(shù)見表3，其中既有隧道拱頂襯砌厚度取實測厚度，即設(shè)計厚度的2/3。

（2）計算結(jié)果及分析

通過對進(jìn)口端鄰近建筑物段隧道上下臺階法開挖的有限元分析，計算得到隧道結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)和非線性變形特性。有限元計算結(jié)果主要包括既有隧道彎矩、軸力、隧道洞周位移以及建筑物基礎(chǔ)的不均勻沉降，其結(jié)果如下。

圖6 石葵路西隧道有限元計算模型局部(未顯示約束及建筑物荷載)

表3 有限元計算的圍巖物理力學(xué)參數(shù)

（3）建筑物基礎(chǔ)及隧道洞周位移

比較建筑物基礎(chǔ)沉降的計算結(jié)果，得到其傾斜率，如表4所示,而對洞周位移則從既有隧道和新建隧道兩方面進(jìn)行考察，如表5所示。

表4 建筑物基礎(chǔ)不均勻沉降量

表5 洞周絕對位移(單位：mm)

從表4可以看出，隧道下部開挖后,建筑物基礎(chǔ)最大沉降1.42mm，傾斜率為0.05‰，滿足設(shè)計要求。

新建隧道開挖主要影響既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)右邊墻部分，該部位的位移值是整個襯砌截面中最大的。從表5可以看出，既有隧道右邊墻位移為1.11mm，受新建隧道開挖的影響較小；新建隧道合計的收斂位移分別為水平3.03mm、豎向7.87mm，其中拱頂下沉4.84 mm，滿足設(shè)計要求。

（4）既有隧道結(jié)構(gòu)的軸力及彎矩

新建隧道開挖過程中采用3 cm厚C20噴射混凝土作為柔性支護，計算僅僅考察既有隧道結(jié)構(gòu)的軸力和彎矩，如圖7、圖8所示，其最大值分別為軸力893.6 kN、彎矩18.1 kN·m。

4 工程實例分析結(jié)論

大連市石葵路西隧道工程是在既有隧道支護較差的情況下近距離開挖新建隧道，周邊還有多座建筑物在影響范圍之內(nèi)，既有隧道和周邊建筑的安全是施工中重點注意的問題。通過對模擬施工開挖及襯砌過程，研究了既有隧道在施工過程中的受力及變形特點，結(jié)合現(xiàn)場量測結(jié)果，得出以下基本結(jié)論和認(rèn)識：

（1）由于采取了上下臺階法施工新隧道，雖然兩隧道間距較小，既有隧道受開挖影響不十分明顯，說明采取多步開挖并及時支護對于既有隧道的安全是十分必要的；

（2）數(shù)值計算結(jié)果與實測結(jié)果吻合得較好，說明用數(shù)值模擬進(jìn)行研究并作出影響預(yù)測具有很高的參考價值，但計算參數(shù)的選取十分重要；

（3）采用預(yù)裂爆破對于控制既有隧道受爆破影響的振動速度是有效的，在Ⅳ級圍巖距離為12 m的條件下單預(yù)裂段爆破藥量為6.3 kg既有隧道結(jié)構(gòu)是安全的。

5 結(jié)語

通過以上案例分析，掌握了近距離隧道開挖過程中圍巖與既有隧道結(jié)構(gòu)的力學(xué)特征和相互影響程度，既保證了隧道施工的順利進(jìn)行，又保證了既有隧道及周邊建筑物的安全，并降低了工程造價。對于近距離隧道的施工問題，國內(nèi)外進(jìn)行了多方面的探討和研究，但對近距離隧道的力學(xué)機理還沒有系統(tǒng)的闡述，對鄰近既有隧道的研究還不夠充分。因此，在遇到類似的工程時往往還要重新進(jìn)行論證和對策研究。盲目設(shè)計施工，將造成安全問題。所以，作為一名隧道設(shè)計工作者在實際工程中要不斷總結(jié)，對近距離隧道的圍巖及支護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行綜合評價，對隧道合理施工方法的確定等問題進(jìn)行系統(tǒng)的研究和總結(jié)，提出適用的圍巖及支護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性判定標(biāo)準(zhǔn)和相應(yīng)對策，以解決設(shè)計和施工中的問題，保證工程的安全可靠性、技術(shù)先進(jìn)性和經(jīng)濟合理性。