臨既有線黃土隧道不同施工工法的力學(xué)特征

霍曉斌 伏鵬宇 李福麗 李攀 楊凡杰

摘 要：針對(duì)目前臨既有線新建黃土隧道施工工法合理選擇的工程難點(diǎn)，本文在考慮既有隧道和新建隧道間距、隧道埋深等影響因素下，采用隧道洞壁最大變形、圍巖最大壓應(yīng)力以及掌子面附近圍巖損傷面積等評(píng)價(jià)指標(biāo)，計(jì)算分析了常用6種施工工法下臨既有線黃土隧道圍巖的力學(xué)特征。研究得到，埋深越大和間距越小時(shí)，不同施工工法的圍巖力學(xué)特性差異性越顯著，臨既有線新建黃土隧道施工工法的選取應(yīng)側(cè)重于圍巖力學(xué)特征的考慮;而埋深越小和間距越大時(shí)，不同施工工法的圍巖力學(xué)特性差異性越小，其施工工法的選取則應(yīng)更側(cè)重于施工成本的考慮。本文研究給臨既有線的黃土隧道工程施工工法的合理選擇提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論支撐。

關(guān)鍵詞：黃土隧道;臨既有線;施工工法;圍巖力學(xué)特征;數(shù)值計(jì)算

中圖分類號(hào)：U451 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）04-0141-03

0 引言

黃土在我國的中西部分布廣泛，約占全國陸地總面積的6.63%[1]。隨著我國交通工程的快速發(fā)展，黃土地區(qū)的隧道工程逐漸增多，其中出現(xiàn)了不少臨既有線的新建隧道工程。因臨近既有線路，導(dǎo)致新建隧道施工過程中圍巖及襯砌的應(yīng)力分布異常復(fù)雜，給新增隧道的設(shè)計(jì)和施工安全提出了重大挑戰(zhàn)。

隧道建設(shè)中施工工法的合理選取是確保工程安全施工的關(guān)鍵前提。為了確保臨既有線新建隧道工程的施工安全，國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)該類工程的施工工法開展了大量研究。如黃竹純[2]通過計(jì)算分析和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)研究了淺埋大斷面小間距黃土隧道的施工工藝、施工參數(shù)和變形規(guī)律，并優(yōu)化了支護(hù)參數(shù);譚忠盛等[3]以桃花峪隧道工程為背景，研究了大跨小間距黃土雙線隧道的施工技術(shù)要點(diǎn)與合理支護(hù)體系的;楊坤[4]采用數(shù)值方法，計(jì)算分析了CRD法和臺(tái)階法在變間距西施坡雙洞隧道施工中對(duì)圍巖的影響程度;高麗和高峰[5]采用有限元分析方法，研究了不同間距對(duì)兩相鄰黃土公路隧道地震反應(yīng)的影響規(guī)律;代樹林等[6]基于京福高速公路小凈距隧道，分析探討了小凈距隧道開挖方法和中巖柱加固技術(shù);桂鉻[7]以小凈距官?zèng)_隧道工程為依托，研究了淺埋軟弱圍巖小凈距隧道受力特性和施工技術(shù)對(duì)策;任明明[8]利用有限單元法計(jì)算分析了小凈距黃土隧道先行洞的超前開挖距離對(duì)圍巖變形的影響;王童[9]基于西安市地鐵四號(hào)線存車區(qū)間隧道，采用數(shù)值計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，研究了黃土地區(qū)的淺埋小凈距隧道施工過程中的力學(xué)特性和變形規(guī)律;石磊等[10]基于墩梁隧道采用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)方法，對(duì)比分析了雙側(cè)壁導(dǎo)坑、單側(cè)壁導(dǎo)坑和三臺(tái)階開挖施工工法在大斷面黃土隧道中的適用性?？梢?，現(xiàn)有研究工作主要針對(duì)小間距特定工程的施工工法及力學(xué)特性而展開，缺乏對(duì)臨既有線不同間距下黃土隧道施工工法力學(xué)特征的系統(tǒng)研究。

由于黃土隧道中施工工法的選取主要依據(jù)施工過程中圍巖及襯砌的應(yīng)力分布及變形等力學(xué)特征來確定[11]。而目前臨既有線的新建隧道施工工法的選擇主要依靠現(xiàn)場(chǎng)工程技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)判斷，具體工法缺乏相應(yīng)的評(píng)價(jià)理論。因此，有必要針對(duì)臨既有線不同間距下黃土隧道施工工法的力學(xué)特征展開系統(tǒng)研究，為施工工法的合理選擇提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論支撐。

鑒于此，本文針對(duì)臨既有線的黃土隧道工程，考慮了新建隧道臨既有線間距和隧道埋深的影響，采用數(shù)值模擬方法，計(jì)算分析了不同施工工法下圍巖的力學(xué)特征，包括洞壁最大變形、最大壓應(yīng)力以及圍巖損傷面積。

1 計(jì)算分析方案

國內(nèi)黃土隧道常用的施工工法主要為全斷面法、臺(tái)階法、環(huán)形開挖留核心土法、中隔壁法（CD法）、交叉中壁法（CRD法）以及雙側(cè)壁導(dǎo)坑法等[12]。為了系統(tǒng)分析不同施工工法下臨既有線的黃土隧道工程的力學(xué)特性，考慮了影響隧道結(jié)構(gòu)受力的離既有線間距和隧道埋深兩個(gè)主要因素，具體計(jì)算方案如表1所示。由表可知，計(jì)算方案中共考慮施工工法、隧道埋深以及新建隧道臨既有線的間距三個(gè)因素，施工工法選取了黃土隧道常用的6種工法，在調(diào)研已有黃土隧道埋深的基礎(chǔ)上確定了兩種代表性的深度（100m和30m），在考慮常見黃土隧道（洞徑10m左右）開挖影響范圍的基礎(chǔ)上選取了3種典型間距2m（<1倍洞徑）、16m（1.5倍洞徑附近）以及30m（>2倍洞徑）。通過對(duì)各影響因素的排列組合，最終得到36種計(jì)算工況。

2 數(shù)值模型的建立

建立計(jì)算數(shù)值模型時(shí)，采用黃土隧道常用的馬蹄形斷面[13]。隧道開挖寬度為11.56m，開挖高度11.08m，初襯為25cm厚C25混凝土噴層，二襯為50cm厚C35鋼筋混凝土層。

數(shù)值計(jì)算共模擬了全斷面法、三臺(tái)階七步開挖法、環(huán)形開挖預(yù)留核心土法、中隔壁法（CD法）、交叉中壁法（CRD法）和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法共6種工法的開挖過程，各施工工法的施工工序，全斷面法分為2步開挖，首先開挖拱部和直墻開挖，然后開挖仰拱;環(huán)形開挖預(yù)留核心法分為5步開挖，三臺(tái)階七步開挖法、CD法以及CRD法均分為7步開挖，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法分為6步開挖;各工法的施工工序分布按照?qǐng)D中數(shù)字的順序進(jìn)行。施工過程模擬時(shí)，沿隧道軸向開挖步長取為0.6m，共計(jì)算10個(gè)開挖步，掌子面距仰拱施工距離為26m。

模型寬150m，沿軸向長150m，高160m，共包含203771個(gè)單元，35304個(gè)節(jié)點(diǎn)。模型兩側(cè)和底部施加法向約束，頂部為自由面，考慮自重應(yīng)力。模型中包括既有隧道和新建隧道，隧道的間距、埋深及開挖方式均按設(shè)計(jì)方案設(shè)定。

由于實(shí)際黃土隧道的埋深偏淺，計(jì)算時(shí)，土體采用M-C準(zhǔn)則，襯砌采用彈性模型。圍巖計(jì)算參數(shù)取為黃土的力學(xué)參數(shù)[13]，襯砌計(jì)算參數(shù)按黃土隧道常規(guī)設(shè)計(jì)值確定，具體計(jì)算參數(shù)見表2。

3 計(jì)算結(jié)果分析

為了合理評(píng)價(jià)不同施工工法下臨既有線的黃土隧道工程圍巖的力學(xué)特征，此處選取了隧道洞壁圍巖的最大位移、最大壓應(yīng)力以及損傷面積三個(gè)指標(biāo)?？紤]到不同開挖工法下底部的臺(tái)階形狀和高度均存在差異性，而部分工法開挖時(shí)，最大變形或應(yīng)力位于待挖臺(tái)階部位。為了實(shí)現(xiàn)不同工法間的比較，計(jì)算結(jié)果分析時(shí)主要針對(duì)隧道已開挖的洞壁，而不考慮待開挖的臺(tái)階部位。此外，為評(píng)估圍巖的損傷面積，引入了基于塑性剪應(yīng)變來反映材料變形破壞過程中損傷程度的指標(biāo)FAI，并取FAI>0.8為圍巖的損傷界定值[14]。

通過計(jì)算分析得到了不同施工方法下黃土隧道洞壁的最大位移、最大壓應(yīng)力以及掌子面附近圍巖損傷面積，不同工況下黃土隧道各工法施工過程中圍巖的最大變形;不同工況下黃土隧道各工法施工過程中圍巖的最大壓應(yīng)力;不同工況下黃土隧道各工法施工過程中圍巖的損傷面積。圖中工況1～6依次分別代表埋深100m和間距30m、埋深100m和間距16m、埋深100m和間距2m、埋深30m和間距30m、埋深30m和間距16m以及埋深30m和間距2m。

各施工工法中，全斷面法開挖的洞壁變形最大，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖的洞壁變形最小。各工法開挖的洞壁變形排序?yàn)椋喝珨嗝娣?預(yù)留核心土法>三臺(tái)階七步開挖法>CD法>CRD法>雙側(cè)壁導(dǎo)坑法。各計(jì)算工況中，埋深越大，隧道洞壁變形越大，如工況1（埋深100m和間距30m）時(shí)，全斷面法開挖下洞壁最大變形為26.1mm，而工況4（埋深30m和間距30m）時(shí)，全斷面法開挖下洞壁最大變形為11.6mm;隧道間距越小，洞壁變形也越大，如工況3（埋深100m和間距2m）時(shí)，全斷面法開挖下洞壁最大變形為27.9mm，大于了工況1（埋深100m和間距30m）時(shí)，全斷面法開挖下洞壁的最大變形。

各施工工法開挖下圍巖的最大壓應(yīng)力與隧道埋深、間距有關(guān)。埋深100m時(shí)，全斷面法開挖的隧道圍巖壓應(yīng)力最大，CRD法開挖的隧道圍巖壓應(yīng)力最小。埋深100m時(shí)，各工法開挖的圍巖壓應(yīng)力排序?yàn)椋喝_(tái)階七步開挖法>預(yù)留核心土法>CD法>全斷面法>雙側(cè)壁導(dǎo)坑法>CRD法。埋深30m時(shí)，三臺(tái)階七步開挖法開挖的隧道圍巖壓應(yīng)力最大，CD法開挖的隧道圍巖壓應(yīng)力最小。埋深30m時(shí)，各工法開挖的圍巖壓應(yīng)力排序?yàn)椋喝_(tái)階七步開挖法>雙側(cè)壁導(dǎo)坑法>預(yù)留核心土法>全斷面法>CRD法>CD法。相對(duì)而言，埋深較大和間距較小時(shí)，各工法開挖的圍巖壓力差異性也較大，如在工況3（埋深100m和間距2m）下，三臺(tái)階七步開挖法對(duì)應(yīng)的圍巖最大壓應(yīng)力為40.98MPa，CRD法對(duì)應(yīng)的圍巖最大壓應(yīng)力為20.24MPa;而埋深較淺時(shí)，各工法開挖的圍巖壓力差異性也較小，圍巖最大壓應(yīng)力在6.64～14.87MPa。

各施工工法開挖下掌子面附近圍巖的損傷面積（FAI>0.8的面積）與隧道埋深、間距有關(guān)。埋深100m時(shí)，全斷面法開挖的圍巖損傷面積最大，CD法開挖的圍巖損傷面積最小。埋深100m時(shí)，除了預(yù)留核心土法在工法3（埋深100m和間距2m）時(shí)圍巖損傷面積偏小外，整體上各工法開挖的圍巖損傷面積排序?yàn)椋喝珨嗝娣?雙側(cè)壁導(dǎo)坑法>CRD法>預(yù)留核心土法>三臺(tái)階七步開挖法>CD法。埋深30m時(shí)，全斷面法開挖的圍巖損傷面積最大，其余工法開挖下圍巖損傷面積的差異性不大。此處，在工況3（埋深100m和間距2m）下，大部分工法開挖的圍巖損傷面積小于工況1和工況2，主要原因是工況3下圍巖的損傷面積受限于隧道的間距，由此導(dǎo)致隧道間圍巖的損傷程度更為嚴(yán)重。

相對(duì)而言，埋深較大時(shí)，各工法開挖的圍巖損傷面積差異性也較大，如在工況2（埋深100m和間距16m）下，全斷面法掌子面附近的圍巖損傷面積為191.27m2，CD法掌子面附近的圍巖損傷面積為28.94m2;埋深較淺時(shí)，各工法開挖的圍巖壓力差異性也較小，圍巖損傷面積在0.02～23.85m2。

4 結(jié)語

為了給臨既有線的黃土隧道工程施工工法的合理選擇提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論支撐，本文在考慮隧道間距和埋深等影響因素基礎(chǔ)上，采用隧道洞壁最大變形、圍巖最大壓應(yīng)力以及掌子面附近圍巖損傷面積等指標(biāo)，計(jì)算分析了不同施工工法下臨既有線的黃土隧道圍巖的力學(xué)特征。具體包括如下內(nèi)容：

（1）各計(jì)算工況中，埋深越大和隧道間距越小時(shí)，隧道洞壁變形越大。對(duì)比各施工工法時(shí)，全斷面法開挖的洞壁變形最大，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖的洞壁變形最小。按照洞壁變形的工法排序?yàn)椋喝珨嗝娣?預(yù)留核心土法>三臺(tái)階七步開挖法>CD法>CRD法>雙側(cè)壁導(dǎo)坑法。

（2）各施工工法下隧道圍巖的最大壓應(yīng)力與隧道埋深、間距有關(guān)。埋深較大和間距較小時(shí)，各工法開挖的圍巖壓力差異性也較大;反之，埋深較淺和間距較大時(shí)，各工法開挖的圍巖壓力差異性也較小。埋深較大時(shí)（埋深100m），按照圍巖壓應(yīng)力的各工法排序?yàn)椋喝_(tái)階七步開挖法>預(yù)留核心土法>CD法>全斷面法>雙側(cè)壁導(dǎo)坑法>CRD法。

（3）各施工工法開挖下掌子面附近圍巖的損傷面積同樣與隧道埋深有關(guān)。與圍巖壓應(yīng)力類似，埋深較大時(shí)，各工法開挖的圍巖損傷面積差異性也較大，而埋深較淺時(shí)，各工法開挖的圍巖壓力差異性也較小。埋深較大時(shí)（埋深100m），按照圍巖損傷面積的各工法排序?yàn)椋喝珨嗝娣?雙側(cè)壁導(dǎo)坑法>CRD法>預(yù)留核心土法>三臺(tái)階七步開挖法>CD法。

（4）由上可知，埋深越大和間距越小時(shí)，各施工工法開挖下，圍巖力學(xué)特性的差異性越顯著;反之，各施工工法開挖下，圍巖力學(xué)特性的差異性越小。因此，埋深較大和間距較小時(shí)，黃土隧道施工工法的選取應(yīng)首先考慮圍巖的力學(xué)特性，然后兼顧施工成本;而埋深較淺和間距較大時(shí)，由施工工法導(dǎo)致的圍巖力學(xué)差異性不大，在保證施工安全的工程措施下，施工工法的選取應(yīng)更側(cè)重于施工成本的考慮。

參考文獻(xiàn)

[1] 王小軍.黃土地區(qū)高速鐵路建設(shè)中的重大工程地質(zhì)問題研究[D].蘭州大學(xué)，2008.

[2] 黃竹純.黃土地區(qū)小凈距地鐵隧道施工動(dòng)態(tài)分析及二次襯砌優(yōu)化研究[D].西安：西安建筑科技大學(xué)，2017.

[3] 譚忠盛，孟德鑫，石新棟，等.大跨小間距黃土隧道支護(hù)體系及施工方法研究[J].中國公路學(xué)報(bào)，2015，28（11）：82-89.

[4] 楊坤.施工方法對(duì)變間距雙洞隧道圍巖影響程度研究[D].西安：西安工業(yè)大學(xué)，2016.

[5] 高麗，高峰.不同間距對(duì)兩相鄰黃土公路隧道地震反應(yīng)的影響[J].石河子大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2007，25（6）：112-114.

[6] 代樹林，佴磊，門妮.小凈距隧道開挖方法和中巖柱加固技術(shù)探討[J].探礦工程（巖土鉆掘工程），2007，34（4）：60-61.

[7] 桂鉻.淺埋軟弱圍巖小凈距隧道施工技術(shù)與受力特征研究[D].長沙：中南大學(xué)，2008.

[8] 任明明.開挖方式對(duì)小凈距黃土隧道圍巖變形影響研究[D].鄭州：鄭州大學(xué)，2012.

[9] 王童.黃土地區(qū)淺埋大跨小凈距隧道施工優(yōu)化及變形控制研究[D].西安：西安建筑科技大學(xué)，2017.

[10] 石磊，侯小軍，武進(jìn)廣.大斷面黃土隧道施工工法研究[J].隧道建設(shè)，2012，32（Sup.1）：8-13.

[11] 昝文博，劉丹，汪靜，李振珂.基于安全度的大斷面黃土隧道施工方法對(duì)比分析[J].公路交通技術(shù)，2018，34（S1）：160-164.

[12] 張英才，胡國偉，辛振省.大斷面黃土隧道開挖工法對(duì)比分析與選擇[J].鐵道工程學(xué)報(bào)，2010，27（3）：87-92.

[13] 周杰，羅軍鏹，楊凡杰，等.安家莊隧道施工對(duì)相鄰已營運(yùn)隧道安全性的評(píng)估[J].土工基礎(chǔ)，2018，32（02）：146-150.

[14] Zhang，CQ，Zhou，H，F(xiàn)eng，XT. An index for estimating the stability of brittle surrounding rock mass： FAI and its engineering application.Rock Mechanics and Rock Engineering，2011，44（4）：401-414.