鄰近既有隧道的新建隧道穩定性控制對策研究

張 帆,袁文山,蘇逢彬,張 玉

(1.北京首都國際機場股份有限公司,北京 100621； 2.山東東岳國際經貿合作股份有限公司, 濟南 250011； 3.山東省冶金設計院股份有限公司,濟南 250101)

近年來，隨著我國國民經濟的迅速發展，大量既有的鐵路單線隧道需要修建復線，復線隧道的修建有可能對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定性控制問題十分必要。

國內學者在從爆破震動對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優化[6-8]等方面進行了研究。采用數值模擬的方法，從新建隧道與既有隧道之間的合理巖柱的留設、新建隧道的施工方法以及支護方式等方面，研究新平風嶺隧道在鄰近既有平風嶺隧道條件下的穩定性控制對策問題。

1 工程概況

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

既有平風嶺隧道初期支護采用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。隧道寬6.74 m，高9.10 m，為單線隧道。

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

不良地質與特殊巖土情況如下。

新平風嶺隧道進、出口端山坡坡度較陡，偏壓嚴重，基巖裸露，巖性為砂巖夾頁巖，巖體受節理切割，風化較嚴重，山坡上有零星危巖落石。隧道頂部砂質黃土覆蓋，結構疏松，垂直節理較發育，具有濕陷性。

2 控制對策分析

采用大型有限差分軟件FLAC3D，針對新平風嶺隧道地質條件較差的Ⅴ級圍巖、偏壓嚴重的洞口段，分別從新建隧道與既有隧道之間留設巖柱尺寸、新建隧道施工方法以及新建隧道支護方案方面進行分析，確定最終的隧道穩定性控制對策。

2.1 模型建立

根據已有的野外勘察地質報告，本次研究的模型計算范圍在垂直于隧道軸向方向長85 m，隧道軸向方向取70 m，高程較大處一側取57 m，較低處一側取20 m。研究不同間距模型時，模型網格單元和節點數目差值控制在5%以內，對計算影響較小。該模型側面限制水平移動，底部固定，模型上表面為自由邊界。材料破壞符合Mohr-Coulomb強度準則，砂漿錨桿、超前小導管均采用全長粘結式Cable單元模擬。計算采用的不同圍巖級別的物理力學參數見表1。

2.2 中夾巖柱留設尺寸分析

針對新建的新平風嶺隧道與既有的平風嶺隧道的位置關系，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種方案進行數值模擬對比分析，從而確定合理的中夾巖柱的尺寸。3種方案模擬的位移場及塑性區如圖1、圖2所示。

表1 計算采用的圍巖物理力學參數

圖1 不同方案位移場分布

圖3 不同施工工法位移矢量場分布

由圖1、圖2可以看出，在新建隧道開挖后，中夾巖柱厚度不同時，新建隧道對既有隧道的影響程度也差異較大。當中夾巖柱厚度為1.5D時，新建隧道的開挖對既有隧道的位移場和塑性區都不產生影響；當中夾巖柱厚度為8 m時，新建隧道對既有隧道產生部分影響，但影響甚微，如果施加二次襯砌后，變形和塑性區能夠得到有效的控制；當中夾巖柱厚度為D時，新建隧道對既有隧道產生很大的影響，既有隧道二次襯砌產生較大的變形，嚴重影響既有隧道的建筑限界，通過塑性區可以看出，既有隧道的中夾巖柱側的破壞也較為嚴重，主要表現為剪切和拉伸破壞。

根據模擬結果，確定中夾巖柱的厚度為8 m時較為合適，能夠滿足既有隧道的穩定性要求，又不致使新建隧道處于嚴重的偏壓狀態下。

2.3 施工方案對比分析

在已確定的中夾巖柱厚度為8 m基礎上，針對新平風嶺隧道洞口段圍巖條件比較差、隧道處于偏壓狀態的情況，施工工法的合適與否直接影響到新建及既有隧道的穩定性，為此，對新平風嶺隧道分別采用全斷面法、臺階法和單側壁導坑法3種施工工法進行對比分析，分析結果如圖3、圖4和表2所示。

圖4 不同施工工法塑性區分布

通過模擬結果可以看出，3種工法的開挖初期支護后均呈現出新建隧道中夾巖柱側及右上拱頂處的變形，且塑性區的拉剪破壞主要發生在這2個區域，其中中夾巖柱側以剪切破壞為主，右上拱頂處以拉破壞為主。采用全斷面法圍巖變形較大，說明初期支護無法與圍巖行程有效地耦合，導致后期的二次襯砌受力和變形較大；臺階法雖然較全斷面法對圍巖的控制效果好，但仍不能滿足隧道的穩定性要求；單側壁導坑法無論從初期支護的效果、塑性區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定性的要求，因此，采用單側壁導坑法施工適合于新平風嶺隧道的實際情況。

表2 不同施工工法的模擬對比

2.4 支護方案分析

針對新建平風嶺隧道與已有隧道間距相對較小、新建隧道又處于偏壓狀態，新建隧道和既有隧道之間的圍巖受到開挖引起的應力集中及施工、爆破擾動的影響，圍巖較為破碎，為進一步減小新建隧道對既有隧道的影響、減小本隧道建設期間的施工難度，采用超前小導管加固中夾巖柱的方案對圍巖進行預加固、初期支護采用系統錨桿+噴射混凝土、二次襯砌采用45 cm厚的混凝土支護的方案，具體支護參數如下：

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

(2)開挖后施作φ22 mm、L=3.5 m的系統砂漿錨桿，徑向設置，環向×縱向=1.0 m×2.0 m；

(3)噴射混凝土采用C25的網噴混凝土；鋼筋網直徑為φ8 mm，網孔大小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。

針對以上支護參數，采用數值模擬進行了新建隧道穩定性分析，模擬結果如圖5、圖6所示。可以看出，采用此種支護方案后，隧道的變形得到有效的控制，經超前小導管逐漸加固后，隧道周邊的圍巖的殘余強度得到有效提高，系統錨桿與圍巖達到耦合支護狀態，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

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

3 結論

從新建隧道與既有隧道之間的合理巖柱的留設、新建隧道的施工方法以及支護方式方面分析了鄰近既有隧道條件下的新平風嶺隧道穩定性控制對策，得出如下結論：

(1)從位移場、塑性區方面對中夾巖柱厚度分別為1.5D(10.11 m)、8 m、D(6.74 m)3種方案進行了對比，確定了中夾巖柱的最優厚度為8 m；

(2)從初期支護變形、中夾塑性區分布以及二次襯砌位移收斂方面對新建隧道分別采用全斷面法、臺階法和單側壁導坑法3種施工工法進行了對比分析，得出了單側壁導坑法能夠滿足新建隧道的各項要求；

(3)對超前小導管+系統錨桿+噴射混凝土+格柵鋼架+45 cm厚二次襯砌支護方案進行了模擬分析，論證了其在新平風嶺隧道的應用的可行性。

通過現場的實際應用，本文提出的鄰近既有隧道的新建隧道的一體化穩定性控制對策滿足新建隧道及既有隧道的穩定性以及使用要求，說明此種穩定性控制對策是可行的。

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

[2] 畢繼紅，鐘建輝.鄰近隧道爆破振動對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爆破對既有隧道的影響[J].煤炭學報，2009，34(10)：1339-1343.

[4] 代勇，周建春.天坪嶺隧道爆破振動對既有隧道襯砌受力影響監測分析[J].鐵道標準設計，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試研究[C]∥第九屆全國沖擊動力學學術會議論文集，2009:304-307.

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

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

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