鄰近既有隧道的新建隧道穩(wěn)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(jīng)貿(mào)合作股份有限公司, 濟南 250011； 3.山東省冶金設(shè)計院股份有限公司,濟南 250101)

近年來，隨著我國國民經(jīng)濟的迅速發(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)定性控制問題十分必要。

國內(nèi)學(xué)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(shù)優(yōu)化[6-8]等方面進行了研究。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)定性控制對策問題。

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，最大相對高差110 m。

既有平風(fēng)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(fēng)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(zhì)與特殊巖土情況如下。

新平風(fēng)嶺隧道進、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 控制對策分析

采用大型有限差分軟件FLAC3D，針對新平風(fēng)嶺隧道地質(zhì)條件較差的Ⅴ級圍巖、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方案方面進行分析，確定最終的隧道穩(wěn)定性控制對策。

2.1 模型建立

根據(jù)已有的野外勘察地質(zhì)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(cè)取57 m，較低處一側(cè)取20 m。研究不同間距模型時，模型網(wǎng)格單元和節(jié)點數(shù)目差值控制在5%以內(nèi)，對計算影響較小。該模型側(cè)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(zhǔn)則，砂漿錨桿、超前小導(dǎo)管均采用全長粘結(jié)式Cable單元模擬。計算采用的不同圍巖級別的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

2.2 中夾巖柱留設(shè)尺寸分析

針對新建的新平風(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種方案進行數(shù)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(qū)如圖1、圖2所示。

表1 計算采用的圍巖物理力學(xué)參數(shù)

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(dāng)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(qū)都不產(chǎn)生影響；當(dāng)中夾巖柱厚度為8 m時，新建隧道對既有隧道產(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，新建隧道對既有隧道產(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 施工方案對比分析

在已確定的中夾巖柱厚度為8 m基礎(chǔ)上，針對新平風(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，對新平風(fēng)嶺隧道分別采用全斷面法、臺階法和單側(cè)壁導(dǎo)坑法3種施工工法進行對比分析，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

通過模擬結(jié)果可以看出，3種工法的開挖初期支護后均呈現(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，說明初期支護無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(wěn)定性要求；單側(cè)壁導(dǎo)坑法無論從初期支護的效果、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(fēng)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(tài)，新建隧道和既有隧道之間的圍巖受到開挖引起的應(yīng)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(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圍巖進行預(yù)加固、初期支護采用系統(tǒng)錨桿+噴射混凝土、二次襯砌采用45 cm厚的混凝土支護的方案，具體支護參數(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。

針對以上支護參數(shù)，采用數(shù)值模擬進行了新建隧道穩(wěn)定性分析，模擬結(jié)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(jīng)超前小導(dǎo)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(tǒng)錨桿與圍巖達到耦合支護狀態(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(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)定性控制對策，得出如下結(jié)論：

(1)從位移場、塑性區(qū)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(yōu)厚度為8 m；

(2)從初期支護變形、中夾塑性區(qū)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(cè)壁導(dǎo)坑法3種施工工法進行了對比分析，得出了單側(cè)壁導(dǎo)坑法能夠滿足新建隧道的各項要求；

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

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

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