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營，保證事故發生時救援疏散的通暢，需在分離式雙洞隧道設置車行橫通道。車行橫通道開挖面積大，力學特征復雜，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，建立精細化三維數值模型，按照實際工況進行分析。

1 工程概況及施工要點

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對圍巖產生擾動。

車行橫通道采用上下臺階法施工，每循環進尺為1榀工字鋼的間距。采用開挖臺車作為作業平臺，手持風鉆鉆孔，楔形掏槽，光面爆破。根據現場情況，需增加一定的超前支護措施及鎖腳錨桿。Ⅴ級圍巖地段超前支護在貫通加固區域10～15m范圍內采取加強措施，在滿足設計Φ50mm超前小導管33根，長度為5m，縱向間距為2.4m的情況下，適當增加超前小導管數量。同時，需要提高超前小導管尾端與初期支護鋼拱架焊接強度，以增強整體剛度，發揮超前小導管最佳支護能力。在貫通加固區域10～15m范圍，Ⅴ級圍巖鎖腳錨桿采取加強措施，在滿足設計Φ22mm早強砂漿錨桿數量每榀4根、長度為3.5m的情況下，適當增加長度，在接近貫通點10～15m時開始施作，必要時進行加密設置。下導坑每榀鋼架底部增設2根，雙側設置。拱腰至鎖腳之間加密2根，雙側設置，長度為4m。上中下三臺階的鎖腳錨桿支護按照上中下臺階依次設置和加密。

2 數值模擬

采用有限元分析軟件MIDAS/GTS對車行橫通道的施工過程進行模擬，模型以人行橫通道為核心區域，縱向取100m，橫向取70m，高110m，建立計算模型。巖土體采用德魯克-普拉格（DP準則）模型；防護結構采用彈性模型，相關計算參數如表1所示。計算主要考慮在隧道主洞已經完成的情況下，隨著車行橫通道施工步驟的進行，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個施工步驟。

表1 材料計算參數

3 模擬結果分析

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構安全性的影響，并對車行橫通道重點區段代表性點位以及車行橫通道與隧道主洞交界面的安全性進行驗算。

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，在進行第1步、第2步施工步驟時，車行橫通道中部位置頂部有一定變形，當進行到第3步、第4步施工步驟時，開挖掌子面已經到達車行橫通道中部附近，此時的頂部變形量最大，為3.1cm，已經達到總變形量的63.7%。因為此時車行橫通道的開挖進行到中部附近，所以隨著車行橫通道內巖體的開挖，周圍圍巖壓力得到釋放，圍巖向橫通道臨空面收縮，當前位置位移最大。當施作襯砌之后，橫通道繼續向前開挖，在第5～7步施工步驟施作時，中部位置襯砌拱頂位移變化較小，這是因為此時橫通道襯砌已經具有一定的承載能力，拱頂位置沉降繼續發展的趨勢較小。從第1步施工步驟開始，中間位置底部就開始呈現向上隆起的趨勢。在第3步施工步驟時，向上隆起已經達到5cm，占總隆起量的91%。在第4步施工步驟完成以后，變形基本停止繼續發展，這是因為此時中間位置襯砌已經施作完成，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，隧道右洞變形已經趨于穩定，這是因為隨著開挖面的推進，車行橫通道已開挖斷面襯砌及時支護，對隧道右洞影響越來越小。最后開挖至隧道左洞時，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較大。

圖2 隧道位移

3.2 安全系數檢驗

根據規范，深埋隧道中的整體式襯砌、淺埋隧道中的整體或復合式襯砌及明洞襯砌等應采用荷載結構法計算。深埋隧道中復合式襯砌的二次襯砌也可采用荷載結構法計算。文章采用荷載結構法，對車行橫通道初期支護和二次襯砌的內力進行驗算。橫通道圍巖級別為V級圍巖，采取初期支護分擔釋放荷載比例為30%，二次襯砌分擔釋放荷載比例為70%。

車行橫通道的初期支護為矩形混凝土構件，二次襯砌為鋼筋混凝土矩形構件，根據《公路隧道設計細則》（JTG/T D70—2010）采用荷載結構法進行安全系數驗算。選取代表性點位，計算安全系數。經計算，初期支護安全系數最小值為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），所選取代表性點位的安全系數驗算均大于規范要求，車行橫通道整體結構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，受力復雜，施工風險較大，現對交界面處隧道主洞的初期支護和二次襯砌進行安全系數計算。隧道主洞的初期支護為矩形混凝土構件，二次襯砌為鋼筋混凝土矩形構件，根據《公路隧道設計細則》（JTG/T D70—2010）采用荷載結構法進行安全系數計算。經計算，初期支護安全系數最小值為0.52（位于仰拱）、最大值為9.45（位于拱腰），二次襯砌安全系數最小值為3.57（位于拱腰）、最大值為18.19（位于拱頂），由計算結果可知，除了仰拱部位，所選取代表性點位的安全系數均大于規范要求，結構整體較為安全，仰拱部位應進一步結合現場情況采取一定的加強措施，確保施工安全。

4 結論

根據工程隧道地質勘查報告及設計資料等，采用數值模擬方法對車行橫通道開挖工程中的力學行為特征進行分析，并對車行橫通道施工完成后的初期支護和二次襯砌安全系數進行驗算，得出以下結論：

（1）開挖過程中，在到達預定斷面前，該斷面頂部位置已經開始呈現下沉趨勢；待開挖該斷面時，沉降達到最大，占該位置總沉降的63.7%，繼續向前開挖，拱頂的下沉趨勢較小。

（2）開挖步驟開始后，中部斷面底部就已經呈現隆起趨勢，開挖斷面達到中部斷面時，底部的隆起已經達到總隆起量的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，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位進行安全系數驗算，結果均符合規范要求，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和二次襯砌進行安全系數驗算，計算結果大部分滿足規范要求，還需根據現場具體情況對薄弱位置采取進一步的加強措施。