鄰近既有隧道的新建隧道穩(wěn)定性控制對(duì)策研究

張 帆,袁文山,蘇逢彬,張 玉

(1.北京首都國(guó)際機(jī)場(chǎng)股份有限公司,北京 100621； 2.山東東岳國(guó)際經(jīng)貿(mào)合作股份有限公司, 濟(jì)南 250011； 3.山東省冶金設(shè)計(jì)院股份有限公司,濟(jì)南 250101)

近年來(lái)，隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，大量既有的鐵路單線隧道需要修建復(fù)線，復(fù)線隧道的修建有可能對(duì)既有隧道造成較大影響，因此研究既有隧道條件下新建隧道的穩(wěn)定性控制問(wèn)題十分必要。

國(guó)內(nèi)學(xué)者在從爆破震動(dòng)對(duì)既有隧道的襯砌及中夾巖柱影響[1-5]、新建隧道的施工參數(shù)優(yōu)化[6-8]等方面進(jìn)行了研究。采用數(shù)值模擬的方法，從新建隧道與既有隧道之間的合理巖柱的留設(shè)、新建隧道的施工方法以及支護(hù)方式等方面，研究新平風(fēng)嶺隧道在鄰近既有平風(fēng)嶺隧道條件下的穩(wěn)定性控制對(duì)策問(wèn)題。

1 工程概況

新平風(fēng)嶺隧道位于山西省古交市，該段為黃土丘陵地貌，主要形態(tài)有黃土梁，山峰相連，沖溝發(fā)育，多呈“V”字形，地面高程990～1 100 m，最大相對(duì)高差110 m。

既有平風(fēng)嶺隧道初期支護(hù)采用23 cm厚的噴射混凝土，二次襯砌采用45 cm厚的素混凝土支護(hù)。隧道寬6.74 m，高9.10 m，為單線隧道。

新平風(fēng)嶺隧道起止里程DIK48+689～DIK49+565，為全長(zhǎng)1 009 m的單線隧道，最大深埋約87 m。全隧道分Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ三種級(jí)別圍巖。

不良地質(zhì)與特殊巖土情況如下。

新平風(fēng)嶺隧道進(jìn)、出口端山坡坡度較陡，偏壓嚴(yán)重，基巖裸露，巖性為砂巖夾頁(yè)巖，巖體受節(jié)理切割，風(fēng)化較嚴(yán)重，山坡上有零星危巖落石。隧道頂部砂質(zhì)黃土覆蓋，結(jié)構(gòu)疏松，垂直節(jié)理較發(fā)育，具有濕陷性。

2 控制對(duì)策分析

采用大型有限差分軟件FLAC3D，針對(duì)新平風(fēng)嶺隧道地質(zhì)條件較差的Ⅴ級(jí)圍巖、偏壓嚴(yán)重的洞口段，分別從新建隧道與既有隧道之間留設(shè)巖柱尺寸、新建隧道施工方法以及新建隧道支護(hù)方案方面進(jìn)行分析，確定最終的隧道穩(wěn)定性控制對(duì)策。

2.1 模型建立

根據(jù)已有的野外勘察地質(zhì)報(bào)告，本次研究的模型計(jì)算范圍在垂直于隧道軸向方向長(zhǎng)85 m，隧道軸向方向取70 m，高程較大處一側(cè)取57 m，較低處一側(cè)取20 m。研究不同間距模型時(shí)，模型網(wǎng)格單元和節(jié)點(diǎn)數(shù)目差值控制在5%以內(nèi)，對(duì)計(jì)算影響較小。該模型側(cè)面限制水平移動(dòng)，底部固定，模型上表面為自由邊界。材料破壞符合Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則，砂漿錨桿、超前小導(dǎo)管均采用全長(zhǎng)粘結(jié)式Cable單元模擬。計(jì)算采用的不同圍巖級(jí)別的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

2.2 中夾巖柱留設(shè)尺寸分析

針對(duì)新建的新平風(fēng)嶺隧道與既有的平風(fēng)嶺隧道的位置關(guān)系，均采用23 cm厚噴射混凝土情況下二者之間的間距為D(6.74 m)、8 m、1.5D(10.11 m)3種方案進(jìn)行數(shù)值模擬對(duì)比分析，從而確定合理的中夾巖柱的尺寸。3種方案模擬的位移場(chǎng)及塑性區(qū)如圖1、圖2所示。

表1 計(jì)算采用的圍巖物理力學(xué)參數(shù)

圖1 不同方案位移場(chǎng)分布

圖3 不同施工工法位移矢量場(chǎng)分布

由圖1、圖2可以看出，在新建隧道開(kāi)挖后，中夾巖柱厚度不同時(shí)，新建隧道對(duì)既有隧道的影響程度也差異較大。當(dāng)中夾巖柱厚度為1.5D時(shí)，新建隧道的開(kāi)挖對(duì)既有隧道的位移場(chǎng)和塑性區(qū)都不產(chǎn)生影響；當(dāng)中夾巖柱厚度為8 m時(shí)，新建隧道對(duì)既有隧道產(chǎn)生部分影響，但影響甚微，如果施加二次襯砌后，變形和塑性區(qū)能夠得到有效的控制；當(dāng)中夾巖柱厚度為D時(shí)，新建隧道對(duì)既有隧道產(chǎn)生很大的影響，既有隧道二次襯砌產(chǎn)生較大的變形，嚴(yán)重影響既有隧道的建筑限界，通過(guò)塑性區(qū)可以看出，既有隧道的中夾巖柱側(cè)的破壞也較為嚴(yán)重，主要表現(xiàn)為剪切和拉伸破壞。

根據(jù)模擬結(jié)果，確定中夾巖柱的厚度為8 m時(shí)較為合適，能夠滿足既有隧道的穩(wěn)定性要求，又不致使新建隧道處于嚴(yán)重的偏壓狀態(tài)下。

2.3 施工方案對(duì)比分析

在已確定的中夾巖柱厚度為8 m基礎(chǔ)上，針對(duì)新平風(fēng)嶺隧道洞口段圍巖條件比較差、隧道處于偏壓狀態(tài)的情況，施工工法的合適與否直接影響到新建及既有隧道的穩(wěn)定性，為此，對(duì)新平風(fēng)嶺隧道分別采用全斷面法、臺(tái)階法和單側(cè)壁導(dǎo)坑法3種施工工法進(jìn)行對(duì)比分析，分析結(jié)果如圖3、圖4和表2所示。

圖4 不同施工工法塑性區(qū)分布

通過(guò)模擬結(jié)果可以看出，3種工法的開(kāi)挖初期支護(hù)后均呈現(xiàn)出新建隧道中夾巖柱側(cè)及右上拱頂處的變形，且塑性區(qū)的拉剪破壞主要發(fā)生在這2個(gè)區(qū)域，其中中夾巖柱側(cè)以剪切破壞為主，右上拱頂處以拉破壞為主。采用全斷面法圍巖變形較大，說(shuō)明初期支護(hù)無(wú)法與圍巖行程有效地耦合，導(dǎo)致后期的二次襯砌受力和變形較大；臺(tái)階法雖然較全斷面法對(duì)圍巖的控制效果好，但仍不能滿足隧道的穩(wěn)定性要求；單側(cè)壁導(dǎo)坑法無(wú)論從初期支護(hù)的效果、塑性區(qū)的控制范圍以及二次襯砌的變形方面，都較前2種方案要好，且能夠滿足隧道變形和穩(wěn)定性的要求，因此，采用單側(cè)壁導(dǎo)坑法施工適合于新平風(fēng)嶺隧道的實(shí)際情況。

表2 不同施工工法的模擬對(duì)比

2.4 支護(hù)方案分析

針對(duì)新建平風(fēng)嶺隧道與已有隧道間距相對(duì)較小、新建隧道又處于偏壓狀態(tài)，新建隧道和既有隧道之間的圍巖受到開(kāi)挖引起的應(yīng)力集中及施工、爆破擾動(dòng)的影響，圍巖較為破碎，為進(jìn)一步減小新建隧道對(duì)既有隧道的影響、減小本隧道建設(shè)期間的施工難度，采用超前小導(dǎo)管加固中夾巖柱的方案對(duì)圍巖進(jìn)行預(yù)加固、初期支護(hù)采用系統(tǒng)錨桿+噴射混凝土、二次襯砌采用45 cm厚的混凝土支護(hù)的方案，具體支護(hù)參數(shù)如下：

(1)從新建隧道左側(cè)向既有線隧道沿與隧道成45°方向設(shè)置φ42 mm、L=4.5 m的超前注漿小導(dǎo)管，梅花狀布置，縱向2排的搭接長(zhǎng)度為1.2 m，環(huán)向×縱向=0.5 m×2.0 m，小導(dǎo)管注漿采用1∶1水泥漿液，注漿壓力采用0.5～1.0 MPa；

(2)開(kāi)挖后施作φ22 mm、L=3.5 m的系統(tǒng)砂漿錨桿，徑向設(shè)置，環(huán)向×縱向=1.0 m×2.0 m；

(3)噴射混凝土采用C25的網(wǎng)噴混凝土；鋼筋網(wǎng)直徑為φ8 mm，網(wǎng)孔大小200 mm×200 mm；

(4)在拱、墻部位施加格柵鋼架，間距1.2 m；

(5)二次襯砌采用C25的混凝土，厚度45 cm，仰拱采用C20的混凝土填充。

針對(duì)以上支護(hù)參數(shù)，采用數(shù)值模擬進(jìn)行了新建隧道穩(wěn)定性分析，模擬結(jié)果如圖5、圖6所示?？梢钥闯?，采用此種支護(hù)方案后，隧道的變形得到有效的控制，經(jīng)超前小導(dǎo)管逐漸加固后，隧道周邊的圍巖的殘余強(qiáng)度得到有效提高，系統(tǒng)錨桿與圍巖達(dá)到耦合支護(hù)狀態(tài)，有效減少了施加于二次襯砌上的作用力。從圖6可以看出，二次襯砌彎矩在拱墻部位較小，但在隧道的2個(gè)底角部位較大，因此，在底角部位加大二次襯砌混凝土的支護(hù)厚度是必要的。

圖5 二次襯砌位移分布

圖6 二次襯砌彎矩圖

通過(guò)以上分析可以看出，采用超前小導(dǎo)管+系統(tǒng)錨桿+噴射混凝土+格柵鋼架+45 cm厚二次襯砌支護(hù)方案能有效地控制隧道變形，滿足隧道穩(wěn)定性和使用要求。

3 結(jié)論

從新建隧道與既有隧道之間的合理巖柱的留設(shè)、新建隧道的施工方法以及支護(hù)方式方面分析了鄰近既有隧道條件下的新平風(fēng)嶺隧道穩(wěn)定性控制對(duì)策，得出如下結(jié)論：

(1)從位移場(chǎng)、塑性區(qū)方面對(duì)中夾巖柱厚度分別為1.5D(10.11 m)、8 m、D(6.74 m)3種方案進(jìn)行了對(duì)比，確定了中夾巖柱的最優(yōu)厚度為8 m；

(2)從初期支護(hù)變形、中夾塑性區(qū)分布以及二次襯砌位移收斂方面對(duì)新建隧道分別采用全斷面法、臺(tái)階法和單側(cè)壁導(dǎo)坑法3種施工工法進(jìn)行了對(duì)比分析，得出了單側(cè)壁導(dǎo)坑法能夠滿足新建隧道的各項(xiàng)要求；

(3)對(duì)超前小導(dǎo)管+系統(tǒng)錨桿+噴射混凝土+格柵鋼架+45 cm厚二次襯砌支護(hù)方案進(jìn)行了模擬分析，論證了其在新平風(fēng)嶺隧道的應(yīng)用的可行性。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際應(yīng)用，本文提出的鄰近既有隧道的新建隧道的一體化穩(wěn)定性控制對(duì)策滿足新建隧道及既有隧道的穩(wěn)定性以及使用要求，說(shuō)明此種穩(wěn)定性控制對(duì)策是可行的。

[1] 楊永波，劉明貴，張國(guó)華，李祺.鄰近既有隧道的新建大斷面隧道施工參數(shù)優(yōu)化分析[J].巖土力學(xué)，2010，31(4)：1217-1226．

[2] 畢繼紅，鐘建輝.鄰近隧道爆破振動(dòng)對(duì)既有隧道影響的研究[J].工程爆破，2004，10(4)：69-73．

[3] 吳亮，鐘冬望.不同布置條件下鄰近隧道掘進(jìn)爆破對(duì)既有隧道的影響[J].煤炭學(xué)報(bào)，2009，34(10)：1339-1343.

[4] 代勇，周建春.天坪嶺隧道爆破振動(dòng)對(duì)既有隧道襯砌受力影響監(jiān)測(cè)分析[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2011(11)：97-100.

[5] 林從謀，蔡麗光，蔣麗麗.小凈距隧道爆破中夾巖累積損傷測(cè)試研究[C]∥第九屆全國(guó)沖擊動(dòng)力學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議論文集，2009:304-307.

[6] 王起才，趙侃，展宏躍.新建隧道施工對(duì)鄰近既有隧道結(jié)構(gòu)安全性影響分析[J].鐵道建筑技術(shù)，2010(3)：83-86．

[7] 方勇，何川.平行盾構(gòu)隧道施工對(duì)既有隧道影響的數(shù)值分析[J].巖土力學(xué)，2007，28(7)：1402-1406．

[8] 王曉梅，石文慧，程瑤.新建隧道施工對(duì)鄰近既有隧道的影響及對(duì)策[J].鐵道建筑，2010(7)：80-83.