新建黃土隧道開挖及支護對既有隧道影響的數值模擬分析

楊 凱 戚 鐵

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司太原設計院，山西太原 030013)

隨著我國交通建設事業特別是鐵路建設的快速發展[1]，新建隧道與既有隧道的設計距離變得越來越小。隧道開挖后將引起圍巖應力的重分布[2]，必然對既有隧道產生不利的影響，嚴重時可能引起既有隧道較大的變形或不均勻沉降，甚至襯砌結構的開裂、剝落，危及行車安全[3]。

目前，國內許多學者對臨近既有隧道的施工進行了研究。王清標等[4]運用FLAC 3D軟件分析了臺階法、CRD法及眼鏡法3種不同開挖方式下既有隧道襯砌及周圍交疊巖體的應力-應變規律；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程，得出了既有隧道襯砌結構受力及位移的變化規律；劉鎮[6]利用MIDAS/GTS軟件建模，分析新建盾構隧道正交下穿施工對既有隧道沉降的影響；仇文革[7]等采用FLAC 3D軟件對深圳地鐵交叉隧道施工進行模擬，計算相應的應力場及位移場；楊永波[8]等對鄰近既有隧道施工參數進行了優化分析；王劍晨[9]等利用經驗公式，分析淺埋暗挖施工對既有隧道的變形影響；黃德中[10]和李磊[11]等采用離心模擬、現場監測、數值計算等方法對既有隧道的變形進行了研究。但以往研究對黃土地區隧道開挖及支護的分析較少，以下通過數值模擬的方法，對某黃土隧道開挖支護進行研究，探討合理的工法及支護方案，以期對類似工程提供借鑒。

1 工程概況

擬建山西通昌能源集團有限公司煤炭鐵路專用線安家莊隧道(簡稱“通昌隧道”)位于山西省興縣境內，隧道全長367.0 m，最大埋深約38.2 m，隧道形式為雙線漸變為單線，洞口雙線段長約40 m。通昌隧道位于瓦日鐵路和肖家洼煤礦鐵路專用線中間，如圖1、圖2所示。

圖1 新建隧道與既有隧道的位置關系

圖2 工程現場照片

既有肖家洼煤礦鐵路專用線安家莊隧道(簡稱“肖家洼隧道”)全長908.27 m，設計為單線隧道，最大埋深約70.7 m，采用新奧法施工，其內部為帶仰拱的襯砌結構形式，受影響范圍內為V級圍巖，二次襯砌拱墻厚40 cm，仰拱厚45 cm(均為C35鋼筋混凝土)。根據現場調查，既有肖家洼隧道襯砌完好，無病害。

既有瓦日鐵路安家莊2號明洞全長100 m，采用放坡明挖法施工，整體式襯砌，受影響范圍內為Ⅴ級圍巖，拱墻、仰拱厚度均為70～80 cm(C35鋼筋混凝土)。根據現場調查，既有瓦日鐵路安家莊2號明洞襯砌完好，無病害。

2 工程地質條件

根據調查及勘探，隧道處地質條件較為簡單。洞身上層為第四系上更新統坡風積砂質黃土(Q3dl+eol)，褐黃色，稍濕，稍密，結構松散，具針狀孔隙，土質較均勻，層厚10～25 m；洞身下層及路肩以下主要為第三系上新統(N2)粉質黏土，褐黃-紅褐色，堅硬-硬塑，以黏粒為主，土質不均勻。

本次勘察鉆孔內未見地下水，雨季新黃土與粉質黏土分界處有少量層間滲水。

3 計算假定

(1)施工隧道期間，既有鐵路隧道結構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調原則[12]。

(3)隧道開挖施工完畢后，應立即施作邊坡防護。因此，可不考慮邊坡防護施工過程中巖土體隨時間的流變變形。

(4)將地層巖土體視為均質各向同性材料，且其物理力學參數準確可靠。

4 數值分析

新建通昌隧道與既有肖家洼隧道的間隔距離從進口到出口逐漸增大，新建隧道進口D12K0+570直至D12K0+650處(共計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。

計算選用的物理力學參數見表1。

表1 物理力學參數

4.1 支護方案的數值分析

為了減少通昌能源專用線隧道開挖對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，D12K0+605～D12K0+670采用隔離樁支護；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；③D12K0+570～D12K0+670段均采用隔離樁支護。

計算模型的范圍邊界如下。

模型范圍：里程D12K0+570～D12K0+690；

底部界面：從通昌能源專用線隧道向下延伸50 m；

左側邊界：從瓦日鐵路隧道左側邊墻向外約50 m；

右側邊界：從肖家洼鐵路隧道右側邊墻向外約50 m；

頂部界面：至地面高程。

采用快速有限差分軟件FLAC3D[13]進行計算分析，通過Midas GTS[14]和ANSYS軟件輔助建立計算網格模型，導入到FLAC3D中。整個三維模型共有25 464個節點，124 296個單元。計算模型的上邊界地表按自由表面考慮，底部采用固定約束，四周的外邊界通過約束邊界面法向位移來實現。土體采用四節點四面體實體單元模擬，土體結構計算采用Mohr-Coulomb本構模型[15]。

開挖隧道管棚和隔離樁支護采用FLAC3D結構單元中的樁單元模擬，既有隧道襯砌采用殼單元模擬。3種支護方案的支護結構如圖3～圖5所示。

圖3 支護方案1的支護結構模型

圖4 支護方案2的支護結構模型

圖5 支護方案3的支護結構模型

根據經驗，隧道變形及應力變化主要發生在拱頂及拱墻連接處，選取隧道拱頂、左拱腰、右拱腰、左側墻、右側墻、拱底共6個關鍵點作為研究對象，按順序依次編號。其中，瓦日鐵路明洞關鍵點編號為Z01～Z06，肖家洼鐵路隧道關鍵點編號為Y01～Y06，通昌能源專用線隧道關鍵點編號為T01～T04(如圖6)。

圖6 隧道關鍵點布置

(1)支護方案①計算

整體模型最終總位移、塑性區及應力云圖如圖7～圖9所示，關鍵點位移情況如表2所示。

圖7 整體模型總位移

圖8 整體模型塑性區分布

圖9 整體模型豎直應力

最大總位移出現在通昌能源專用線隧道拱底(約為80 mm)。

表2 D12K0+605段既有隧道關鍵點位移對比 mm

注：水平方向位移以邊坡外部指向內部為正，垂直方向位移以向上為正。

(2)支護方案②計算

整體模型最終總位移、塑性區及應力云圖如圖10～圖12所示，關鍵點位移情況如表3所示。

圖10 整體模型總位移

圖11 整體模型塑性區分布

圖12 整體模型豎直應力

最大總位移出現在通昌能源專用線隧道拱底(約為78 mm)。

表3 D12K0+610段既有隧道關鍵點位移對比 mm

注：水平方向位移以邊坡外部指向內部為正，垂直方向位移以向上為正。

(3)支護方案③計算

整體模型最終總位移、塑性區及應力云圖如圖13～圖15所示，關鍵點位移情況如表4所示。

圖13 整體模型總位移

圖14 整體模型塑性區分布

圖15 整體模型豎直應力

最大總位移出現在通昌能源專用線隧道拱底(約為89 mm)。

表4 D12K0+610段既有隧道關鍵點位移對比 mm

注：水平方向位移以邊坡外部指向內部為正，垂直方向位移以向上為正。

4.2 對比分析

3種支護方案對應的整體模型中，引既有隧道的應力范圍為200～600 kPa，最大應力均出現在肖家洼隧道的仰拱處。塑性區主要分布在通昌隧道下臺階靠近肖家洼隧道一側的仰拱處。

3種支護方案對應的整體模型最大總位移分別為80.3 mm、77.8 mm和89.2 mm，均出現在新建隧道里程D12K0+605和D12K0+610處。3種支護方案對應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，分別出現在里程D12K0+610、D12K0+575、D12K0+590處。3種支護方案對應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，分別出現在里程D12K0+610、D12K0+610、D12K0+605處。由以上分析可知，管棚對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小，管棚施工存在較大難度。因此，實際采用的支護方案為②和③，即在新建隧道周圍部分使用管棚支護，在新建隧道與肖家洼隧道之間采用隔離樁支護。

4.3 臺階法數值分析

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

建立的網格模型如圖16所示。計算模型尺寸約為142 m×1 m×64 m，模型共計10 579個單元體，21 318個網格節點。模型邊界同前述。

圖16 隧道施工計算模型

當采用上下臺階法[8]開挖通昌能源專用線隧道時，上臺階高度約為5 m，下臺階約4.5 m，得到模型塑性區如圖17所示。

圖17 臺階法開挖隧道塑性區分布

提取既有瓦日鐵路安家莊隧道2號明洞與肖家洼鐵路隧道關鍵點的水平和豎直位移值，得到如表5所示的計算結果。

表5 對應關鍵點位移 mm

通昌隧道臺階法開挖后，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，采用臺階法施工時，會對既有隧道產生擾動，但總位移較小。

5 結論

數值計算結果表明：采用臺階法施工[16]時，會對既有隧道產生擾動，引起既有隧道的最大位移均出現在拱頂處，實際施工中應注意控制施工步距；新建隧道采用不同的支護措施時，最大應力均出現在距離最近的肖家洼隧道的仰拱處，塑性區主要分布在下臺階靠近肖家洼隧道一側的仰拱處，塑性區不貫通，不會引起塑性破壞。管棚超前支護對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方式。