場地刷坡及擋墻施工對既有隧道安全性的影響研究

邵珠杰

中鐵第一勘察設計院集團有限公司 陜西 西安 710043

既有隧道的運營安全一直受到國內外工程師的關注，尤其是水文地質條件較為復雜的隧道，較小的擾動就可能加劇隧道內部微裂縫的發展，從而加劇其變形，引發穩定性問題。在臨近既有隧道區域開展工程活動如修筑擋墻，基坑開挖，土石方爆破時，會使得隧道產生應力集中和二次變形的現象，加劇隧道內部病害發展，影響及結構穩定和通車質量。因此，研究新建工程對臨近隧道的安全性影響是十分必要的。

1 研究背景

目前研究表明，新建項目施工引起的既有隧道應力集中程度主要取決于隧道兩者間的最小距離[1]、隧道所處水文地質條件、施工規模及施工工藝以及隧道所采取的支護形式[2]等因素。但由于隧道自身的復雜性，對于特定分析對象，應根據其特點進行具體分析。如分析基坑開挖對臨近隧道的影響時，許建鋒的研究成果表明軟土地質情況下，隧道變形與臨近基坑的間距呈單調遞減關系，且能用冪指數函數擬合[3]。但高廣運的計算結果表明隧道變形大小與基坑距離關系并不完全單調，而是在一定距離內達到峰值，隨后趨于平緩[4]。而何連昇等的計算結果則顯示工程施工對隧道變形超過一定范圍時并不明顯，并具體指出了該范圍約為3倍的開挖深度[5]。

目前常用數值計算和理論分析方法定量分析具體隧道的變形，而所用的本構模型和基本理論則決定了分析的結果。較為主流的理論分析方法主要有彈性Mindlin解[6]，復變函數分析理論，和隨機介質理論等。彈性理論計算通常只適用于地質條件較為簡單工程情況，而無法分析具有微裂縫或大變形的隧道工程。復變函數分析其解析過程相對復雜，而隨機介質理論則需要詳細的基礎數據庫作為支持，因此要求對既有隧道臨近區域的巖土工程特性進行詳盡繁復的調查。事實上，在許多情況下，隧道變形計算很難得出理想的解析解，此時數值計算就成為了更為合適的分析手段。最初數值計算常用的方法主要是有限元法，該方法的核心在于本構模型的選取[7]。一般地，本構模型所使用的參數越多，其計算結果也越精確，但模型參數獲取的難度也越大。目前常用的有限元計算模型有摩爾-庫倫模型，修正劍橋模型，硬化模型等。此后，為了更細致地模擬土體的顆粒特性，離散元方法也被用于隧道結構變形的分析中來。離散元方法的難點是構建土體的微觀力學模型，獲取其微觀力學參數，目前而言，直接測定土體微觀力學參數的試驗均非常復雜且操作難度較大[8]。

總之，分析臨近區域工程施工對既有隧道的安全性影響，目前暫無系統性的分析方法。本文以婁邵鐵路栗家山隧道以西新建項目為工程實例，基于隧道埋深及偏壓狀態不變原則，分析了進、出口段不同圍巖等級下典型斷面的應力狀態，確定了相應的最不利荷載位置，并結合數值分析手段驗算了最不利荷載下隧道的安全系數。以期為施工安全和栗家山隧道的變形穩定性控制提供支持。

2 工程概況

本文結合婁邵鐵路，栗家山隧道以西建設項目的工程實例，綜合分析建設項目對既有鐵路隧道的影響程度。栗家山隧道為新建電力牽引的雙線鐵路區間隧道，全長320m，為客貨共線鐵路、最高行車速度為140km/h，隧道內線間距5.0m。規劃建設項目工程總用地面積約79072m2，擬建設計標高138.0～148.0m，目前擬建場地東側地面標高145.00～181.00 m。需對其經行開挖以達到設計標高。

栗家山隧道表層覆蓋第四系殘坡積粉質黏土及黏土，下伏石炭系中上統地層，地層巖性從新至老為: (1)第四系殘坡積粉質黏土夾碎石，褐紅～褐黃色，軟塑～硬塑，含少許角礫，層面埋深約9.75m，層厚5.85～8.13m，土石等級為Ⅱ級。(2)炭質灰巖，全～弱風化，灰黑色，泥質結構，薄層狀構造，層面埋深約4.0m，土石等級為Ⅲ級。(3)灰巖，弱風化，灰白～灰色，主要礦物為方解石，隱晶質結構，厚層狀構造，層面埋深4.1～15.6m， 土石等級為Ⅴ級。隧道已完成二襯施工，但并未經行鋪軌等工作，從進口至出口，隧道圍巖襯砌情況見圖1 。

圖1 栗家山隧道圍巖襯砌結構示意圖

擬建設項目開挖后，設置樁板墻和重立式路塹擋土墻進行擋護。在DK0+024-DK0+242.50段設置截面為1.5m×2.0m，樁長10～20m的路塹樁板式擋土墻；在DK0+000～DK0+024段及DK0+242.50～DK0+320段設置墻高2.4-5.0m的重力式路塹擋土墻，該擋土墻基礎埋深1.2m。在墻腳外側設置0.6m×0.6m矩形C25鋼筋混凝土排水溝。

擋墻上方邊坡刷坡率1:1.75，采用分級刷坡，每級邊坡高6m，在每級邊坡之間設置3m寬平臺，平臺上采用C25混凝土修筑0.4m×0.4m矩形截水溝。刷坡后坡面采用錨桿框架梁進行防護，框架內采用種植灌木的方式經行植被防護。隧道平面圖和典型隧道斷面的剖面圖如圖2 所示。

圖2 栗家山隧道位置平面圖

栗家山隧道以20m為間隔，共分為23個斷面。為分析整體隧道的最不利位置，根據擋墻施工和刷坡不改變原有埋深類型和偏壓狀態的原則，按照《鐵路隧道設計規范》（TB10003-2016）規定分析了不同凈距下所有斷面的埋深分界曲線和偏壓分界曲線與擋墻的位置關系，其典型斷面的分析結果如圖3和圖4所示，圖中剖面標號與圖2相對應。

圖3 進口段Ⅳ級圍巖淺埋襯砌橫斷面（剖面15）

圖4 進口段Ⅴ級圍巖淺埋襯砌橫斷面（剖面16）

圖5 襯砌承擔70%壓力時的彎矩云圖

圖6 襯砌承擔100%圍巖壓力時的彎矩云圖

從分界曲線與擋墻位置的關系可以看出，對于原設計采用Ⅳ級圍巖淺埋襯砌斷面的段落，在邊坡擋土墻底與左線線路中線間距30m時，由于邊坡施工而引起的地形變化，不會使得隧道處于偏壓的不利受力狀態。對于原設計采用Ⅴ級圍巖淺埋襯砌斷面的段落，在邊坡擋土墻底與左線線路中線間距40m時，由于邊坡施工而引起的地形變化，不會使得隧道處于偏壓的不利受力狀態（其中剖面16在邊坡與隧道間距40m時，雖然刷坡線有部分在偏壓最小覆蓋層厚度線以內，但是比相對側地形線更平緩，故認為未處于偏壓受力狀態）。對于原設計采用Ⅴ級圍巖偏壓襯砌斷面的段落，在邊坡擋土墻底與左線線路中線間距40m時，刷坡線已經基本出了偏壓最小覆蓋層厚度線，因此認為未惡化原隧道的偏壓受力狀態。最終，確定擋墻墻底距隧道邊坡坡腳的凈距為40m，剖面16所處位置為最不利荷載位置。

3 數值計算

確定最不利荷載位置后，利用Midas軟件對隧道應力分布進行分析，分別計算二次襯砌承擔70%和100%圍巖壓力的情況。根據實際工程情況，隧道參數取值如下：隧道埋深h=22m，隧道開挖跨度B=12.3m，隧道高度11.3m。二襯厚度45cm，C35鋼筋混凝土，重度取25kN/m3，彈性模量為31.5GPa。圍巖參數如表1所示

表1 圍巖參數計算表

從計算結果來看，隧道整體的彎矩分布呈較為對稱的形式，其部分原因是刷坡使得隧道左右兩側應力分布更均勻，從而減少了隧道的不均勻變形。隧道頂部彎矩出最大，并往兩邊逐漸減小。

同時，利用Midas后處理程序計算其軸力分布后，按《鐵路隧道設計規范》（TB 10003-2016）推薦的方法計算鋼筋混凝土襯砌的安全系數。其中鋼筋布置類型為5φ22，保護層厚度取61mm。結構共劃分為70個計算單元，襯砌承擔不同比例圍巖壓力情況下各單元的計算結果如圖 7和圖8所示。

從圖7和圖8來看，當隧道襯砌承擔70%圍巖壓力時，隧道各單元安全系數最大值為9.49，最小值為3.42；而當隧道襯砌承擔100%圍巖壓力時，隧道各單元安全系數最大值為7.06，最小值為2.74，兩種情況下安全系數均大于2.4，即滿足規范要求。此外，兩種情況下各單元安全系數分布較為集中，只有較少的離散點，這也說明隧道整體應力分布較為均勻，只在局部出現應力集中的情況。結合計算云圖，可以證明當擋墻墻底距隧道坡腳處大于40m時，隧道整體安全性滿足要求。但在隧道頂部處會出現應力集中現象，因此在擋墻施工前，應檢查V級圍巖隧道頂部是否出現明顯裂縫、滲水等情況，以免應力集中現象加劇裂縫的發展。此外，在擋墻施工時，應強化施工監測，推行信息化施工，確保施工期間邊坡和栗家山隧道的安全。

圖7 隧道襯砌承擔70%圍巖壓力時各單元安全系數分布圖

圖8 隧道襯砌承擔100%圍巖壓力時各單元安全系數分布圖

4 結論

本文基于栗家山隧道的安全性分析實例，研究了場地開挖刷坡及擋墻施工對臨近隧道安全性的影響，確定了隧道最不利荷載位置并進行了安全性計算，并根據工程實際情況給出了相應的施工建議和措施，得到了以下結論：

（1）當圍巖等級為Ⅳ級時，擋墻最小間距為30m，當圍巖等級為Ⅴ級時，擋墻最小間距為40m。刷坡作用在一定程度上使得隧道兩側應力分布均勻，從而增加了隧道的穩定性。

（2）在最不利荷載位置下，當隧道襯砌承擔70%圍巖壓力時，隧道各單元安全系數最大值為9.49，最小值為3.42；而當隧道襯砌承擔100%圍巖壓力時，隧道各單元安全系數最大值為7.06，最小值為2.74，均滿足規范要求。

（3）擋墻施工期間，在隧道頂部處會出現應力集中現象，因此在擋墻施工前，應檢查V級圍巖隧道頂部是否出現明顯裂縫、滲水等情況，以免應力集中現象加劇裂縫的發展。同時，應強化施工監測，推行信息化施工，確保施工期間邊坡和栗家山隧道的安全。