新建隧道近接既有偏壓隧道中錨固樁的工程機理分析

王喆

（中國鐵路設(shè)計集團有限公司，天津 300000）

1 引言

在鄰近既有隧道施工時，新建隧道自身施工與普通隧道的施工無異，近接隧道施工最主要的問題是新建隧道將會對既有隧道原有的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。在新建隧道的開挖過程中，既有隧道與新建隧道之間圍的巖實際處于臨空狀態(tài)，新建隧道的開挖會對既有隧道與新建隧道之間的圍巖產(chǎn)生二次擾動，使其承載力減弱，易失穩(wěn)[1]。因此，如何對近接隧道間的圍巖進(jìn)行加固或隔斷近接隧道開挖產(chǎn)生的影響，以及保證既有隧道的營運安全是近接既有營運鐵路隧道施工的重點及難點[2]。

浦梅鐵路新建武調(diào)隧道及疏解線武調(diào)1 號隧道進(jìn)口位于建寧縣火車北站站內(nèi)，雙側(cè)近接既有昌福鐵路武調(diào)1 號隧道，如圖1 所示。既有昌福鐵路為設(shè)計速度目標(biāo)值200 km/h 的高速鐵路，車流密度大。雙側(cè)近接既有營運鐵路隧道段落，地形偏壓大，新建隧道埋深很淺，地質(zhì)條件差，且在既有隧道施工過程中，巖層已經(jīng)受到擾動。論文將依托該工程對錨固樁在新建隧道近接既有偏壓隧道的工程機理進(jìn)行分析。

圖1 浦梅鐵路近接昌福鐵路既有隧道進(jìn)口

2 近接段錨固樁設(shè)計

新建武調(diào)隧道及疏解線武調(diào)1 號隧道位于浦梅鐵路與接軌車站建寧縣北站咽喉區(qū)。武調(diào)隧道位于既有運營的高速鐵路昌福鐵路右側(cè)，與昌福鐵路最近處線間距約11.8 m，與昌福鐵路既有隧道結(jié)構(gòu)之間的最小凈距僅4.4 m。對側(cè)新建的疏解線武調(diào)1 號隧道與昌福鐵路最近處線間距約9.9 m，與昌福鐵路既有隧道結(jié)構(gòu)之間的最小凈距僅2.1 m。

新建疏解線武調(diào)1 號隧道位于既有隧道左側(cè)，埋深淺且偏壓嚴(yán)重，因此，SJDK227+428.7~SJDK227+517 段采用單壓式明洞。并在靠近既有隧道一側(cè)，距離新建隧道明洞襯砌外50 cm 處布置一排錨固樁，錨固樁尺寸分別為2.5 m×2 m 及1.75 m×1.5 m，樁間距5.0 m，樁長22 m（共計16 根），采用人工挖孔樁，開挖方式為非爆破開挖。人工挖孔樁與線路左側(cè)擋墻采用截面尺寸為80 cm×60 cm 的混凝土支撐連接，支撐下部與結(jié)構(gòu)之間孔隙采用C15 混凝土回填。錨固樁支擋結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 明洞段錨固樁加固示意圖

3 數(shù)值模擬分析

模型計算采用MIDAS-GTS NX 有限元計算軟件，建立三維實體模型。為減小邊界約束對計算結(jié)果的影響，使模擬結(jié)果更接近實際情況，模型橫向（垂直隧道方向）取150 m，縱向（沿隧道方向）取96 m，模型高度為66 m，錨固樁共16 根，樁長22 m。土層以及注漿加固區(qū)采用實體單元模擬；新建武調(diào)1 號隧道明洞襯砌、擋墻、錨固樁采用實體單元模擬；橫撐用梁單元模擬；既有隧道襯砌采用實體單元模擬。地應(yīng)力場按自重應(yīng)力場分析，不考慮地表水頭的靜水壓力影響。武調(diào)1 號隧道明洞襯砌、錨固樁及既有隧道建模如圖3 所示。

圖3 武調(diào)1 號隧道明洞襯砌、錨固樁及既有隧道建模圖

結(jié)合武調(diào)1 號隧道明洞段施工模擬施工全過程，土體應(yīng)力釋放按照30%+70%考慮。武調(diào)1 號隧道明洞段具體施工工序為：既有隧道防護→施作洞口及明洞防排水措施→施工右側(cè)錨固樁→施工錨固樁頂冠梁→施工左側(cè)擋墻→施工混凝土支撐→明洞開挖→施工明洞襯砌→施作導(dǎo)向墻、管棚→暗挖進(jìn)洞。

計算模擬時，將隧道的動態(tài)開挖過程分為41 個施工步，土體開挖和結(jié)構(gòu)施作通過激活和鈍化單元實現(xiàn)，施工步具體為：（1）建立初始應(yīng)力場；（2）既有隧道開挖，建立既有隧道主體結(jié)構(gòu)，重置地應(yīng)力場；（3）施作錨固樁；（4）施作樁頂冠梁、橫撐及擋墻；（5）開挖明洞范圍土體；（6）施作明洞襯砌；（7）第（5）~（6）步依次循環(huán)。

經(jīng)過數(shù)值模擬分析，錨固樁最大水平位移位于樁頂位置處，為7.5 mm。根據(jù)計算結(jié)果，既有隧道襯砌最大水平位移為4.68 mm。

從計算結(jié)果可以看出，錨固樁的最大位移位于樁頂位置處，既有隧道襯砌的位移位于靠近新建隧道側(cè)的邊墻位置處。錨固樁以及既有隧道襯砌的產(chǎn)生的位移主要發(fā)生于開挖明洞范圍土體時，且錨固樁及既有隧道襯砌的變形隨著土體的開挖逐步增大，左側(cè)的橫撐及擋墻也隨之產(chǎn)生水平向左的位移。

4 現(xiàn)場監(jiān)測分析

現(xiàn)場施工時對既有隧道K229+747~K230+017 段的襯砌結(jié)構(gòu)共布置了19 個監(jiān)測斷面，每個斷面在左右邊墻及拱頂處共布置3 個測點。取隧道19 個監(jiān)測斷面各測點結(jié)構(gòu)位移的最大值進(jìn)行比較分析，各監(jiān)測斷面結(jié)構(gòu)的最大位移值如表1所示。

表1 各斷面不同位置結(jié)構(gòu)位移最大值 mm

由監(jiān)測數(shù)據(jù)分析可知，左右邊墻的結(jié)構(gòu)位移多表現(xiàn)為正值，即呈現(xiàn)向外擴張的趨勢，拱頂處的結(jié)構(gòu)位移多為負(fù)值，即表現(xiàn)出下沉的趨勢。

各監(jiān)測斷面位移值基本在-1.5~+1.5 mm 內(nèi)變化，個別斷面有超出，最大位移值達(dá)到-1.95 mm，控制標(biāo)準(zhǔn)為-3~+2 mm，故結(jié)構(gòu)位移處于安全范圍。拱頂結(jié)構(gòu)位移的絕對值最大為1.95 mm，左邊墻為1.59 mm，右邊墻為1.35 mm，均小于位移的控制標(biāo)準(zhǔn)。同一斷面3 個測點相比較，拱頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)位移較左右邊墻的大。監(jiān)測結(jié)果基本與數(shù)值模擬分析的變形趨勢相吻合。

5 結(jié)語

1）對近接隧道中間巖體采用注漿加固的效果與圍巖可注性條件、注漿參數(shù)的控制關(guān)系密切。對于節(jié)理裂隙發(fā)育、破碎的地層，圍巖的可注性較好，注漿對提高圍巖參數(shù)效果明顯。但僅僅使用單一的加固方案達(dá)不到理想的加固效果。設(shè)計采用了注漿（改良圍巖地層）及錨固樁（隔斷影響）的聯(lián)合加固措施，可有效減小開挖對既有隧道結(jié)構(gòu)的影響。

2）由數(shù)值模擬分析及現(xiàn)場監(jiān)測分析結(jié)果可知，錨固樁以及既有隧道襯砌產(chǎn)生的位移主要發(fā)生于開挖明洞范圍土體時，且錨固樁及既有隧道襯砌的變形隨著土體的開挖逐步增大，左側(cè)的橫撐及擋墻也隨之產(chǎn)生水平向左的位移。既有隧道襯砌的邊墻的結(jié)構(gòu)位移呈現(xiàn)向外擴張的趨勢，拱頂處結(jié)構(gòu)位移呈現(xiàn)出下沉的趨勢。

3）與傳統(tǒng)錨固樁加固措施相比，本項目所設(shè)計的樁頂混凝土橫撐以及與錨固樁相連接的擋墻可減小錨固樁樁頂位移及樁后土體位移，可以更有效地減小新建隧道開挖對既有隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響，防止既有隧道襯砌產(chǎn)生過大變形而造成結(jié)構(gòu)開裂及破壞。