新建黃土隧道開(kāi)挖及支護(hù)對(duì)既有隧道影響的數(shù)值模擬分析

楊 凱 戚 鐵

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢(xún)集團(tuán)有限公司太原設(shè)計(jì)院，山西太原 030013)

隨著我國(guó)交通建設(shè)事業(yè)特別是鐵路建設(shè)的快速發(fā)展[1]，新建隧道與既有隧道的設(shè)計(jì)距離變得越來(lái)越小。隧道開(kāi)挖后將引起圍巖應(yīng)力的重分布[2]，必然對(duì)既有隧道產(chǎn)生不利的影響，嚴(yán)重時(shí)可能引起既有隧道較大的變形或不均勻沉降，甚至襯砌結(jié)構(gòu)的開(kāi)裂、剝落，危及行車(chē)安全[3]。

目前，國(guó)內(nèi)許多學(xué)者對(duì)臨近既有隧道的施工進(jìn)行了研究。王清標(biāo)等[4]運(yùn)用FLAC 3D軟件分析了臺(tái)階法、CRD法及眼鏡法3種不同開(kāi)挖方式下既有隧道襯砌及周?chē)化B巖體的應(yīng)力-應(yīng)變規(guī)律；包德勇[5]采用ANSYS軟件模擬新建線路下穿高速公路的施工過(guò)程，得出了既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力及位移的變化規(guī)律；劉鎮(zhèn)[6]利用MIDAS/GTS軟件建模，分析新建盾構(gòu)隧道正交下穿施工對(duì)既有隧道沉降的影響；仇文革[7]等采用FLAC 3D軟件對(duì)深圳地鐵交叉隧道施工進(jìn)行模擬，計(jì)算相應(yīng)的應(yīng)力場(chǎng)及位移場(chǎng)；楊永波[8]等對(duì)鄰近既有隧道施工參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化分析；王劍晨[9]等利用經(jīng)驗(yàn)公式，分析淺埋暗挖施工對(duì)既有隧道的變形影響；黃德中[10]和李磊[11]等采用離心模擬、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、數(shù)值計(jì)算等方法對(duì)既有隧道的變形進(jìn)行了研究。但以往研究對(duì)黃土地區(qū)隧道開(kāi)挖及支護(hù)的分析較少，以下通過(guò)數(shù)值模擬的方法，對(duì)某黃土隧道開(kāi)挖支護(hù)進(jìn)行研究，探討合理的工法及支護(hù)方案，以期對(duì)類(lèi)似工程提供借鑒。

1 工程概況

擬建山西通昌能源集團(tuán)有限公司煤炭鐵路專(zhuān)用線安家莊隧道(簡(jiǎn)稱(chēng)“通昌隧道”)位于山西省興縣境內(nèi)，隧道全長(zhǎng)367.0 m，最大埋深約38.2 m，隧道形式為雙線漸變?yōu)閱尉€，洞口雙線段長(zhǎng)約40 m。通昌隧道位于瓦日鐵路和肖家洼煤礦鐵路專(zhuān)用線中間，如圖1、圖2所示。

圖1 新建隧道與既有隧道的位置關(guān)系

圖2 工程現(xiàn)場(chǎng)照片

既有肖家洼煤礦鐵路專(zhuān)用線安家莊隧道(簡(jiǎn)稱(chēng)“肖家洼隧道”)全長(zhǎng)908.27 m，設(shè)計(jì)為單線隧道，最大埋深約70.7 m，采用新奧法施工，其內(nèi)部為帶仰拱的襯砌結(jié)構(gòu)形式，受影響范圍內(nèi)為V級(jí)圍巖，二次襯砌拱墻厚40 cm，仰拱厚45 cm(均為C35鋼筋混凝土)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，既有肖家洼隧道襯砌完好，無(wú)病害。

既有瓦日鐵路安家莊2號(hào)明洞全長(zhǎng)100 m，采用放坡明挖法施工，整體式襯砌，受影響范圍內(nèi)為Ⅴ級(jí)圍巖，拱墻、仰拱厚度均為70～80 cm(C35鋼筋混凝土)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，既有瓦日鐵路安家莊2號(hào)明洞襯砌完好，無(wú)病害。

2 工程地質(zhì)條件

根據(jù)調(diào)查及勘探，隧道處地質(zhì)條件較為簡(jiǎn)單。洞身上層為第四系上更新統(tǒng)坡風(fēng)積砂質(zhì)黃土(Q3dl+eol)，褐黃色，稍濕，稍密，結(jié)構(gòu)松散，具針狀孔隙，土質(zhì)較均勻，層厚10～25 m；洞身下層及路肩以下主要為第三系上新統(tǒng)(N2)粉質(zhì)黏土，褐黃-紅褐色，堅(jiān)硬-硬塑，以黏粒為主，土質(zhì)不均勻。

本次勘察鉆孔內(nèi)未見(jiàn)地下水，雨季新黃土與粉質(zhì)黏土分界處有少量層間滲水。

3 計(jì)算假定

(1)施工隧道期間，既有鐵路隧道結(jié)構(gòu)按照非震組合工況考慮。

(2)假定既有鐵路隧道與新建隧道間的土體符合變形協(xié)調(diào)原則[12]。

(3)隧道開(kāi)挖施工完畢后，應(yīng)立即施作邊坡防護(hù)。因此，可不考慮邊坡防護(hù)施工過(guò)程中巖土體隨時(shí)間的流變變形。

(4)將地層巖土體視為均質(zhì)各向同性材料，且其物理力學(xué)參數(shù)準(zhǔn)確可靠。

4 數(shù)值分析

新建通昌隧道與既有肖家洼隧道的間隔距離從進(jìn)口到出口逐漸增大，新建隧道進(jìn)口D12K0+570直至D12K0+650處(共計(jì)80 m)，兩隧道間距從1.1 m逐漸增大至10.1 m。 D12K0+570～D12K0+605段采用雙線斷面，隧道間隔最大處僅為4.0 m。

新建通昌隧道與既有瓦日2號(hào)明洞基本平行，間隔距離從新建隧道D12K0+585處的19.7 m逐漸增大至D12K0+685處的30.0 m。

計(jì)算選用的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 物理力學(xué)參數(shù)

4.1 支護(hù)方案的數(shù)值分析

為了減少通昌能源專(zhuān)用線隧道開(kāi)挖對(duì)既有瓦日鐵路明洞與肖家洼鐵路隧道的影響，考慮3種支護(hù)方案：①洞口D12K0+570～D12K0+605段拱頂180°范圍采用大管棚超前加固及拱腳斜拉樁支護(hù)，D12K0+605～D12K0+670采用隔離樁支護(hù)；②D12K0+570～D12K0+605段拱頂與直墻240°范圍采用大管棚超前加固，D12K0+605～D12K0+670采用隔離樁支護(hù)；③D12K0+570～D12K0+670段均采用隔離樁支護(hù)。

計(jì)算模型的范圍邊界如下。

模型范圍：里程D12K0+570～D12K0+690；

底部界面：從通昌能源專(zhuān)用線隧道向下延伸50 m；

左側(cè)邊界：從瓦日鐵路隧道左側(cè)邊墻向外約50 m；

右側(cè)邊界：從肖家洼鐵路隧道右側(cè)邊墻向外約50 m；

頂部界面：至地面高程。

采用快速有限差分軟件FLAC3D[13]進(jìn)行計(jì)算分析，通過(guò)Midas GTS[14]和ANSYS軟件輔助建立計(jì)算網(wǎng)格模型，導(dǎo)入到FLAC3D中。整個(gè)三維模型共有25 464個(gè)節(jié)點(diǎn)，124 296個(gè)單元。計(jì)算模型的上邊界地表按自由表面考慮，底部采用固定約束，四周的外邊界通過(guò)約束邊界面法向位移來(lái)實(shí)現(xiàn)。土體采用四節(jié)點(diǎn)四面體實(shí)體單元模擬，土體結(jié)構(gòu)計(jì)算采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型[15]。

開(kāi)挖隧道管棚和隔離樁支護(hù)采用FLAC3D結(jié)構(gòu)單元中的樁單元模擬，既有隧道襯砌采用殼單元模擬。3種支護(hù)方案的支護(hù)結(jié)構(gòu)如圖3～圖5所示。

圖3 支護(hù)方案1的支護(hù)結(jié)構(gòu)模型

圖4 支護(hù)方案2的支護(hù)結(jié)構(gòu)模型

圖5 支護(hù)方案3的支護(hù)結(jié)構(gòu)模型

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，隧道變形及應(yīng)力變化主要發(fā)生在拱頂及拱墻連接處，選取隧道拱頂、左拱腰、右拱腰、左側(cè)墻、右側(cè)墻、拱底共6個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)作為研究對(duì)象，按順序依次編號(hào)。其中，瓦日鐵路明洞關(guān)鍵點(diǎn)編號(hào)為Z01～Z06，肖家洼鐵路隧道關(guān)鍵點(diǎn)編號(hào)為Y01～Y06，通昌能源專(zhuān)用線隧道關(guān)鍵點(diǎn)編號(hào)為T(mén)01～T04(如圖6)。

圖6 隧道關(guān)鍵點(diǎn)布置

(1)支護(hù)方案①計(jì)算

整體模型最終總位移、塑性區(qū)及應(yīng)力云圖如圖7～圖9所示，關(guān)鍵點(diǎn)位移情況如表2所示。

圖7 整體模型總位移

圖8 整體模型塑性區(qū)分布

圖9 整體模型豎直應(yīng)力

最大總位移出現(xiàn)在通昌能源專(zhuān)用線隧道拱底(約為80 mm)。

表2 D12K0+605段既有隧道關(guān)鍵點(diǎn)位移對(duì)比 mm

注：水平方向位移以邊坡外部指向內(nèi)部為正，垂直方向位移以向上為正。

(2)支護(hù)方案②計(jì)算

整體模型最終總位移、塑性區(qū)及應(yīng)力云圖如圖10～圖12所示，關(guān)鍵點(diǎn)位移情況如表3所示。

圖10 整體模型總位移

圖11 整體模型塑性區(qū)分布

圖12 整體模型豎直應(yīng)力

最大總位移出現(xiàn)在通昌能源專(zhuān)用線隧道拱底(約為78 mm)。

表3 D12K0+610段既有隧道關(guān)鍵點(diǎn)位移對(duì)比 mm

注：水平方向位移以邊坡外部指向內(nèi)部為正，垂直方向位移以向上為正。

(3)支護(hù)方案③計(jì)算

整體模型最終總位移、塑性區(qū)及應(yīng)力云圖如圖13～圖15所示，關(guān)鍵點(diǎn)位移情況如表4所示。

圖13 整體模型總位移

圖14 整體模型塑性區(qū)分布

圖15 整體模型豎直應(yīng)力

最大總位移出現(xiàn)在通昌能源專(zhuān)用線隧道拱底(約為89 mm)。

表4 D12K0+610段既有隧道關(guān)鍵點(diǎn)位移對(duì)比 mm

注：水平方向位移以邊坡外部指向內(nèi)部為正，垂直方向位移以向上為正。

4.2 對(duì)比分析

3種支護(hù)方案對(duì)應(yīng)的整體模型中，引既有隧道的應(yīng)力范圍為200～600 kPa，最大應(yīng)力均出現(xiàn)在肖家洼隧道的仰拱處。塑性區(qū)主要分布在通昌隧道下臺(tái)階靠近肖家洼隧道一側(cè)的仰拱處。

3種支護(hù)方案對(duì)應(yīng)的整體模型最大總位移分別為80.3 mm、77.8 mm和89.2 mm，均出現(xiàn)在新建隧道里程D12K0+605和D12K0+610處。3種支護(hù)方案對(duì)應(yīng)肖家洼鐵路隧道最大水平位移分別為0.257 mm、0.345 mm、0.326 mm，分別出現(xiàn)在里程D12K0+600、D12K0+590、D12K0+575處；最大豎直位移分別為0.083 mm、0.117 mm、0.071 mm，分別出現(xiàn)在里程D12K0+610、D12K0+575、D12K0+590處。3種支護(hù)方案對(duì)應(yīng)瓦日鐵路隧道最大水平位移分別為0.513 mm、0.325 mm、1.148 mm，出現(xiàn)在里程D12K0+610、D12K0+610、D12K0+605處；最大豎直位移分別為0.510 mm、0.350 mm、0.851 mm，分別出現(xiàn)在里程D12K0+610、D12K0+610、D12K0+605處。由以上分析可知，管棚對(duì)控制新建隧道和既有隧道的變形效果較好，但是新建隧道與肖家洼隧道間距過(guò)小，管棚施工存在較大難度。因此，實(shí)際采用的支護(hù)方案為②和③，即在新建隧道周?chē)糠质褂霉芘镏ёo(hù)，在新建隧道與肖家洼隧道之間采用隔離樁支護(hù)。

4.3 臺(tái)階法數(shù)值分析

選取D12K0+615斷面，在未采取任何支護(hù)形式的情況下，分析上下臺(tái)階法施工對(duì)既有隧道的影響。

建立的網(wǎng)格模型如圖16所示。計(jì)算模型尺寸約為142 m×1 m×64 m，模型共計(jì)10 579個(gè)單元體，21 318個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)。模型邊界同前述。

圖16 隧道施工計(jì)算模型

當(dāng)采用上下臺(tái)階法[8]開(kāi)挖通昌能源專(zhuān)用線隧道時(shí)，上臺(tái)階高度約為5 m，下臺(tái)階約4.5 m，得到模型塑性區(qū)如圖17所示。

圖17 臺(tái)階法開(kāi)挖隧道塑性區(qū)分布

提取既有瓦日鐵路安家莊隧道2號(hào)明洞與肖家洼鐵路隧道關(guān)鍵點(diǎn)的水平和豎直位移值，得到如表5所示的計(jì)算結(jié)果。

表5 對(duì)應(yīng)關(guān)鍵點(diǎn)位移 mm

通昌隧道臺(tái)階法開(kāi)挖后，引起瓦日鐵路明洞水平最大位移和豎直最大位移分別為0.80 mm和0.56 mm，引起肖家洼鐵路隧道的水平最大位移和豎直最大位移分別為1.83 mm和1.90 mm，整體最大位移為0.97 mm和2.56 mm(均位于拱頂處)。由此可見(jiàn)，采用臺(tái)階法施工時(shí)，會(huì)對(duì)既有隧道產(chǎn)生擾動(dòng)，但總位移較小。

5 結(jié)論

數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明：采用臺(tái)階法施工[16]時(shí)，會(huì)對(duì)既有隧道產(chǎn)生擾動(dòng)，引起既有隧道的最大位移均出現(xiàn)在拱頂處，實(shí)際施工中應(yīng)注意控制施工步距；新建隧道采用不同的支護(hù)措施時(shí)，最大應(yīng)力均出現(xiàn)在距離最近的肖家洼隧道的仰拱處，塑性區(qū)主要分布在下臺(tái)階靠近肖家洼隧道一側(cè)的仰拱處，塑性區(qū)不貫通，不會(huì)引起塑性破壞。管棚超前支護(hù)對(duì)既有隧道和新建隧道的變形控制效果明顯，若管棚施工困難，可采用隔離樁的防護(hù)方式。