基于強度折減法的某隧道臨近既有隧道施工安全分析

田明杰, 陳 行, 周鵬發

(西南交通大學， 四川成都 610031)

近年來，隨著基礎設施，尤其是交通設施(鐵路、公路等)建設的發展，大量的出現了在既有線(如鐵路或公路等)旁修建新線(如復線鐵路、高速鐵路、高等級或高速公路等)等工程現象，且規模越來越大，距離越來越近。這勢必造成新建結構物與既有結構物鄰近和錯綜復雜的關系，從而產生對既有結構物的種種不利影響。在地下工程近接施工中,新建結構物的施工會改變既有結構物的受力狀態,從而對既有結構物產生不利影響。為了探討新建隧道開挖對臨近既有隧道的結構安全性影響，本文選取成昆線新建麻曲隧道與既有布祖灣隧道作為工程依托。通過強度折減法，以位移突變作為判據、以安全系數作為評價穩定性的指標，判斷依據新建隧道開挖所處的三個階段(裸洞開挖、初期支護、二次襯砌)對既有布祖灣隧道的安全性影響。

1 工程概況

1.1 麻曲隧道地質情況

麻曲隧道地處四川省涼山彝族自治州甘洛縣埃岱鎮。隧道全長隧道390.6 m，進口里程DK266+184.4，出口里程DK266+575，單洞雙線隧道，進口緊鄰埃岱尼日河1號雙線大橋，進口橋臺進洞，出口緊鄰埃岱雙線特大橋，設計為9 ‰的單面上坡。全隧位于半徑R=1 600 m的左偏曲線上。隧道最大埋深約200 m，測區屬河流峽谷中高山地貌，尼日河深切，地面高程1 000～1 200 m，自然坡度5～60°不等，局部較陡，地表植被較發育，多被墾為旱地，溝槽等低洼地帶覆土較厚。隧道進出口地形陡峭，交通條件差。

1.2 新建麻曲隧道與既有隧道近接關系

麻曲隧道出口洞口距離既有線布祖灣隧道出口洞口水平距離約193.3 m，距布祖灣隧道洞頂高差約39.485 m。具體麻曲隧道與布祖灣隧道線路位置關系如圖1所示，既有隧道與新建隧道隧道典型斷面位置關系如圖2所示，隧道麻曲隧道洞口與布祖灣隧道洞口位置關系如圖3所示。

圖1 麻曲隧道與既有布祖灣隧道線路平面位置關系

2 數值計算

2.1 計算模型

計算采用平面應變計算，部分模型如圖4。其中工況1橫向取154.45 m，布祖灣隧道埋深55.783 m，麻曲隧道埋深4.5 m；工況2橫向取186.89 m，布祖灣隧道埋深230 m，麻曲隧道埋深180 m；工況三橫向取237.19 m，布祖灣隧道埋深57.47 m，麻曲隧道埋深5.1 m，均根據實際地形建模，模型服從摩爾-庫倫屈服準則。應力場按自重應力場考慮。計算斷面相關位置關系如表1所示。

表1 計算斷面位置關系

2.2 計算參數

相關計算參數如表2所示。

2.3 強度折減原理

強度折減法是通過對圍巖的剪切強度代表值進行不斷的

(a)DK266+301.4

(b)DK266+418.4

(c)DK266+575圖2 隧道典型斷面位置示意

圖3 隧道麻曲隧道洞口與既有布祖灣隧道洞口位置關系

圖4 斷面1計算模型示意

名稱密度/(kg·m-3)彈性模量/pa泊松比摩擦角/°內聚力/pa砂巖夾頁巖24001.15×1090.42218.50×104白云巖26002.55×1090.33313.50×105白云質灰巖26001.20×1090.4221.20×105初支23002.30×10100.250.62.13×106二襯25003.15×10100.250.82.55×106

折減直至圍巖達到極限破壞狀態為止。下面以服從摩爾—庫侖準則的材料為例來闡述強度折減法的基本原理。

令w為強度安全系數，折減后的圍巖強度可以表示如下：

根據以上的式子可以得出：

式中：

c、c′分別為初始粘聚力和極限粘聚力；

φ、φ′分別為初始內摩擦角和極限內摩擦角修正值。

2.4 計算結果分析

對3種典型斷面采用按既有布祖灣隧道施工完成-麻曲隧道開挖完成-麻曲隧道施作初支后-麻曲隧道施作二襯的順序，進行施工全過程分析、折減得到各斷面安全系數與位移關系曲線如圖5～圖7所示。

圖5 斷面1安全系數與位移關系曲線

圖6 斷面2安全系數與位移關系曲線

通過對各工況不同開挖順序的安全系數進行匯總，得到安全系數匯總表如表3所示。

表3 安全系數匯總表

3 結論

本文選取新建麻曲隧道和既有隧道布祖灣隧道3個典型斷面進行數值計算，建立有限元模型，利用強度折減法得到以下結論：

(1)通過對典型斷面進行相關計算得到，既有布祖灣隧道施工完成(即新建麻曲隧道施工前)時，考察三個斷面的最小安全系數為1.61，均大于1，滿足規范整體穩定性要求。

(2)對新建麻曲隧道開挖完成、初支施作完成及二襯施作完成后3個典型斷面的最小安全系數分別為1.22、1.56和1.60，均大于1，滿足規范整體穩定性要求。

(3)新建麻曲隧道對布祖灣隧道正常運營影響不大，為了防范異常的發生。建議在施工期間，必須對既有隧道和新建隧道進行全面監控工作。采用三維激光掃描進行位移監測，并采用壓力、應力等監測手段對支護結構實現受力狀態監測。

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