車行橫通道施工對既有隧道的影響

黃 平

中交一公局廈門工程有限公司，福建 廈門 361000

為保障長大隧道的安全運(yùn)營，保證事故發(fā)生時(shí)救援疏散的通暢，需在分離式雙洞隧道設(shè)置車行橫通道。車行橫通道開挖面積大，力學(xué)特征復(fù)雜，對隧道主洞影響較大，施工難度較大。因此，文章以某公路隧道工程為例，為保證施工過程中車行橫通道和主洞的安全，建立精細(xì)化三維數(shù)值模型，按照實(shí)際工況進(jìn)行分析。

1 工程概況及施工要點(diǎn)

某隧道全長1022m，左右洞呈分離式布置，右洞起止樁號為YK19+183～YK20+215，長1032m；左洞起止樁號為ZK19+179～ZK20+191，長1012m。車行橫通道左洞樁號為ZK19+440，右洞樁號為YK19+449，車行橫通道一側(cè)有另一人行橫通道，外輪廓距離人行橫通道外輪廓僅3m。施工橫通道需破壞原有主洞隧道的襯砌，且施工過程中不可避免會(huì)對圍巖產(chǎn)生擾動(dòng)。

車行橫通道采用上下臺階法施工，每循環(huán)進(jìn)尺為1榀工字鋼的間距。采用開挖臺車作為作業(yè)平臺，手持風(fēng)鉆鉆孔，楔形掏槽，光面爆破。根據(jù)現(xiàn)場情況，需增加一定的超前支護(hù)措施及鎖腳錨桿。Ⅴ級圍巖地段超前支護(hù)在貫通加固區(qū)域10～15m范圍內(nèi)采取加強(qiáng)措施，在滿足設(shè)計(jì)Φ50mm超前小導(dǎo)管33根，長度為5m，縱向間距為2.4m的情況下，適當(dāng)增加超前小導(dǎo)管數(shù)量。同時(shí)，需要提高超前小導(dǎo)管尾端與初期支護(hù)鋼拱架焊接強(qiáng)度，以增強(qiáng)整體剛度，發(fā)揮超前小導(dǎo)管最佳支護(hù)能力。在貫通加固區(qū)域10～15m范圍，Ⅴ級圍巖鎖腳錨桿采取加強(qiáng)措施，在滿足設(shè)計(jì)Φ22mm早強(qiáng)砂漿錨桿數(shù)量每榀4根、長度為3.5m的情況下，適當(dāng)增加長度，在接近貫通點(diǎn)10～15m時(shí)開始施作，必要時(shí)進(jìn)行加密設(shè)置。下導(dǎo)坑每榀鋼架底部增設(shè)2根，雙側(cè)設(shè)置。拱腰至鎖腳之間加密2根，雙側(cè)設(shè)置，長度為4m。上中下三臺階的鎖腳錨桿支護(hù)按照上中下臺階依次設(shè)置和加密。

2 數(shù)值模擬

采用有限元分析軟件MIDAS/GTS對車行橫通道的施工過程進(jìn)行模擬，模型以人行橫通道為核心區(qū)域，縱向取100m，橫向取70m，高110m，建立計(jì)算模型。巖土體采用德魯克-普拉格（DP準(zhǔn)則）模型；防護(hù)結(jié)構(gòu)采用彈性模型，相關(guān)計(jì)算參數(shù)如表1所示。計(jì)算主要考慮在隧道主洞已經(jīng)完成的情況下，隨著車行橫通道施工步驟的進(jìn)行，橫通道襯砌的變形、受力情況，以及對周圍已建成隧道襯砌的影響。橫通道每次開挖1.6m，隨挖隨支，共分為7個(gè)施工步驟。

表1 材料計(jì)算參數(shù)

3 模擬結(jié)果分析

車行橫通道洞身段、巖性接觸帶圍巖級別以Ⅴ級為主。文章重點(diǎn)分析車行橫通道圍巖壓力對橫通道本身及周邊已建成隧道襯砌結(jié)構(gòu)安全性的影響，并對車行橫通道重點(diǎn)區(qū)段代表性點(diǎn)位以及車行橫通道與隧道主洞交界面的安全性進(jìn)行驗(yàn)算。

3.1 變形量分析

橫通道位移量如圖1所示。由圖1可以看出，在進(jìn)行第1步、第2步施工步驟時(shí)，車行橫通道中部位置頂部有一定變形，當(dāng)進(jìn)行到第3步、第4步施工步驟時(shí)，開挖掌子面已經(jīng)到達(dá)車行橫通道中部附近，此時(shí)的頂部變形量最大，為3.1cm，已經(jīng)達(dá)到總變形量的63.7%。因?yàn)榇藭r(shí)車行橫通道的開挖進(jìn)行到中部附近，所以隨著車行橫通道內(nèi)巖體的開挖，周圍圍巖壓力得到釋放，圍巖向橫通道臨空面收縮，當(dāng)前位置位移最大。當(dāng)施作襯砌之后，橫通道繼續(xù)向前開挖，在第5～7步施工步驟施作時(shí)，中部位置襯砌拱頂位移變化較小，這是因?yàn)榇藭r(shí)橫通道襯砌已經(jīng)具有一定的承載能力，拱頂位置沉降繼續(xù)發(fā)展的趨勢較小。從第1步施工步驟開始，中間位置底部就開始呈現(xiàn)向上隆起的趨勢。在第3步施工步驟時(shí)，向上隆起已經(jīng)達(dá)到5cm，占總隆起量的91%。在第4步施工步驟完成以后，變形基本停止繼續(xù)發(fā)展，這是因?yàn)榇藭r(shí)中間位置襯砌已經(jīng)施作完成，對周邊圍巖的位移有一定的約束作用，能阻止圍巖的進(jìn)一步變形。

圖1 橫通道位移量

隧道位移如圖2所示。由圖2可以看出，由于車行橫通道從隧道右洞向隧道左洞開挖，施工對隧道右洞的影響大于隧道左洞。隧道主洞拱頂下沉量最大值為-12.9mm，拱底隆起量最大值為17.3mm，均位于車行橫通道與右洞的交界處。車行橫通道開挖到中間段時(shí)，隧道右洞變形已經(jīng)趨于穩(wěn)定，這是因?yàn)殡S著開挖面的推進(jìn)，車行橫通道已開挖斷面襯砌及時(shí)支護(hù)，對隧道右洞影響越來越小。最后開挖至隧道左洞時(shí)，隧道左洞拱頂變形量為-3.4mm，拱底變形量為6.9mm，可見隧道左洞襯砌拆除對臨近隧道左洞圍巖擾動(dòng)較大。

圖2 隧道位移

3.2 安全系數(shù)檢驗(yàn)

根據(jù)規(guī)范，深埋隧道中的整體式襯砌、淺埋隧道中的整體或復(fù)合式襯砌及明洞襯砌等應(yīng)采用荷載結(jié)構(gòu)法計(jì)算。深埋隧道中復(fù)合式襯砌的二次襯砌也可采用荷載結(jié)構(gòu)法計(jì)算。文章采用荷載結(jié)構(gòu)法，對車行橫通道初期支護(hù)和二次襯砌的內(nèi)力進(jìn)行驗(yàn)算。橫通道圍巖級別為V級圍巖，采取初期支護(hù)分擔(dān)釋放荷載比例為30%，二次襯砌分擔(dān)釋放荷載比例為70%。

車行橫通道的初期支護(hù)為矩形混凝土構(gòu)件，二次襯砌為鋼筋混凝土矩形構(gòu)件，根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTG/T D70—2010）采用荷載結(jié)構(gòu)法進(jìn)行安全系數(shù)驗(yàn)算。選取代表性點(diǎn)位，計(jì)算安全系數(shù)。經(jīng)計(jì)算，初期支護(hù)安全系數(shù)最小值為3.35（位于仰拱）、最大值為23.59（位于拱腰），二次襯砌安全系數(shù)最小值為6.57（位于墻底）、最大值為45.12（位于拱頂），所選取代表性點(diǎn)位的安全系數(shù)驗(yàn)算均大于規(guī)范要求，車行橫通道整體結(jié)構(gòu)安全性處于可接受水平。

車行橫通道與主洞交界處開挖面大，受力復(fù)雜，施工風(fēng)險(xiǎn)較大，現(xiàn)對交界面處隧道主洞的初期支護(hù)和二次襯砌進(jìn)行安全系數(shù)計(jì)算。隧道主洞的初期支護(hù)為矩形混凝土構(gòu)件，二次襯砌為鋼筋混凝土矩形構(gòu)件，根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTG/T D70—2010）采用荷載結(jié)構(gòu)法進(jìn)行安全系數(shù)計(jì)算。經(jīng)計(jì)算，初期支護(hù)安全系數(shù)最小值為0.52（位于仰拱）、最大值為9.45（位于拱腰），二次襯砌安全系數(shù)最小值為3.57（位于拱腰）、最大值為18.19（位于拱頂），由計(jì)算結(jié)果可知，除了仰拱部位，所選取代表性點(diǎn)位的安全系數(shù)均大于規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)整體較為安全，仰拱部位應(yīng)進(jìn)一步結(jié)合現(xiàn)場情況采取一定的加強(qiáng)措施，確保施工安全。

4 結(jié)論

根據(jù)工程隧道地質(zhì)勘查報(bào)告及設(shè)計(jì)資料等，采用數(shù)值模擬方法對車行橫通道開挖工程中的力學(xué)行為特征進(jìn)行分析，并對車行橫通道施工完成后的初期支護(hù)和二次襯砌安全系數(shù)進(jìn)行驗(yàn)算，得出以下結(jié)論：

（1）開挖過程中，在到達(dá)預(yù)定斷面前，該斷面頂部位置已經(jīng)開始呈現(xiàn)下沉趨勢；待開挖該斷面時(shí)，沉降達(dá)到最大，占該位置總沉降的63.7%，繼續(xù)向前開挖，拱頂?shù)南鲁邻厔葺^小。

（2）開挖步驟開始后，中部斷面底部就已經(jīng)呈現(xiàn)隆起趨勢，開挖斷面達(dá)到中部斷面時(shí)，底部的隆起已經(jīng)達(dá)到總隆起量的91%，施作車行橫通道襯砌后，拱底基本不再隆起。

（3）最后開挖至隧道左洞時(shí)，隧道左洞拱頂變形量為-3.4mm，拱底變形量為6.9mm，隧道左洞襯砌拆除對臨近隧道左洞圍巖擾動(dòng)較大。

（4）車行橫通道全部施工完成后，選取車行橫通道代表性點(diǎn)位進(jìn)行安全系數(shù)驗(yàn)算，結(jié)果均符合規(guī)范要求，整體安全性處于可接受水平。對車行橫通道與隧道主洞交界處隧道主洞的初期支護(hù)和二次襯砌進(jìn)行安全系數(shù)驗(yàn)算，計(jì)算結(jié)果大部分滿足規(guī)范要求，還需根據(jù)現(xiàn)場具體情況對薄弱位置采取進(jìn)一步的加強(qiáng)措施。