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(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 陜西 西安 710043

既有隧道的運(yùn)營安全一直受到國內(nèi)外工程師的關(guān)注，尤其是水文地質(zhì)條件較為復(fù)雜的隧道，較小的擾動(dòng)就可能加劇隧道內(nèi)部微裂縫的發(fā)展，從而加劇其變形，引發(fā)穩(wěn)定性問題。在臨近既有隧道區(qū)域開展工程活動(dòng)如修筑擋墻，基坑開挖，土石方爆破時(shí)，會(huì)使得隧道產(chǎn)生應(yīng)力集中和二次變形的現(xiàn)象，加劇隧道內(nèi)部病害發(fā)展，影響及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和通車質(zhì)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(xiàng)目施工引起的既有隧道應(yīng)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(zhì)條件、施工規(guī)模及施工工藝以及隧道所采取的支護(hù)形式[2]等因素。但由于隧道自身的復(fù)雜性，對于特定分析對象，應(yīng)根據(jù)其特點(diǎn)進(jìn)行具體分析。如分析基坑開挖對臨近隧道的影響時(shí)，許建鋒的研究成果表明軟土地質(zhì)情況下，隧道變形與臨近基坑的間距呈單調(diào)遞減關(guān)系，且能用冪指數(shù)函數(shù)擬合[3]。但高廣運(yùn)的計(jì)算結(jié)果表明隧道變形大小與基坑距離關(guān)系并不完全單調(diào)，而是在一定距離內(nèi)達(dá)到峰值，隨后趨于平緩[4]。而何連昇等的計(jì)算結(jié)果則顯示工程施工對隧道變形超過一定范圍時(shí)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(shù)值計(jì)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(gòu)模型和基本理論則決定了分析的結(jié)果。較為主流的理論分析方法主要有彈性Mindlin解[6]，復(fù)變函數(shù)分析理論，和隨機(jī)介質(zhì)理論等。彈性理論計(jì)算通常只適用于地質(zhì)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(fù)變函數(shù)分析其解析過程相對復(fù)雜，而隨機(jī)介質(zhì)理論則需要詳細(xì)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫作為支持，因此要求對既有隧道臨近區(qū)域的巖土工程特性進(jìn)行詳盡繁復(fù)的調(diào)查。事實(shí)上，在許多情況下，隧道變形計(jì)算很難得出理想的解析解，此時(shí)數(shù)值計(jì)算就成為了更為合適的分析手段。最初數(shù)值計(jì)算常用的方法主要是有限元法，該方法的核心在于本構(gòu)模型的選取[7]。一般地，本構(gòu)模型所使用的參數(shù)越多，其計(jì)算結(jié)果也越精確，但模型參數(shù)獲取的難度也越大。目前常用的有限元計(jì)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(xì)致地模擬土體的顆粒特性，離散元方法也被用于隧道結(jié)構(gòu)變形的分析中來。離散元方法的難點(diǎn)是構(gòu)建土體的微觀力學(xué)模型，獲取其微觀力學(xué)參數(shù)，目前而言，直接測定土體微觀力學(xué)參數(shù)的試驗(yàn)均非常復(fù)雜且操作難度較大[8]。

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

2 工程概況

本文結(jié)合婁邵鐵路，栗家山隧道以西建設(shè)項(xiàng)目的工程實(shí)例，綜合分析建設(shè)項(xiàng)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(qū)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(nèi)線間距5.0m。規(guī)劃建設(shè)項(xiàng)目工程總用地面積約79072m2，擬建設(shè)計(jì)標(biāo)高138.0～148.0m，目前擬建場地東側(cè)地面標(biāo)高145.00～181.00 m。需對其經(jīng)行開挖以達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高。

栗家山隧道表層覆蓋第四系殘坡積粉質(zhì)黏土及黏土，下伏石炭系中上統(tǒng)地層，地層巖性從新至老為: (1)第四系殘坡積粉質(zhì)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(zhì)灰?guī)r，全～弱風(fēng)化，灰黑色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，薄層狀構(gòu)造，層面埋深約4.0m，土石等級為Ⅲ級。(3)灰?guī)r，弱風(fēng)化，灰白～灰色，主要礦物為方解石，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，厚層狀構(gòu)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(jīng)行鋪軌等工作，從進(jìn)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(jié)構(gòu)示意圖

擬建設(shè)項(xiàng)目開挖后，設(shè)置樁板墻和重立式路塹擋土墻進(jìn)行擋護(hù)。在DK0+024-DK0+242.50段設(shè)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(shè)置墻高2.4-5.0m的重力式路塹擋土墻，該擋土墻基礎(chǔ)埋深1.2m。在墻腳外側(cè)設(shè)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(shè)置3m寬平臺(tái)，平臺(tái)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(jìn)行防護(hù)，框架內(nèi)采用種植灌木的方式經(jīng)行植被防護(hù)。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(gè)斷面。為分析整體隧道的最不利位置，根據(jù)擋墻施工和刷坡不改變原有埋深類型和偏壓狀態(tài)的原則，按照《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB10003-2016）規(guī)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(guān)系，其典型斷面的分析結(jié)果如圖3和圖4所示，圖中剖面標(biāo)號與圖2相對應(yīng)。

圖3 進(jìn)口段Ⅳ級圍巖淺埋襯砌橫斷面（剖面15）

圖4 進(jìn)口段Ⅴ級圍巖淺埋襯砌橫斷面（剖面16）

圖5 襯砌承擔(dān)70%壓力時(shí)的彎矩云圖

圖6 襯砌承擔(dān)100%圍巖壓力時(shí)的彎矩云圖

從分界曲線與擋墻位置的關(guān)系可以看出，對于原設(shè)計(jì)采用Ⅳ級圍巖淺埋襯砌斷面的段落，在邊坡?lián)跬翂Φ着c左線線路中線間距30m時(shí)，由于邊坡施工而引起的地形變化，不會(huì)使得隧道處于偏壓的不利受力狀態(tài)。對于原設(shè)計(jì)采用Ⅴ級圍巖淺埋襯砌斷面的段落，在邊坡?lián)跬翂Φ着c左線線路中線間距40m時(shí)，由于邊坡施工而引起的地形變化，不會(huì)使得隧道處于偏壓的不利受力狀態(tài)（其中剖面16在邊坡與隧道間距40m時(shí)，雖然刷坡線有部分在偏壓最小覆蓋層厚度線以內(nèi)，但是比相對側(cè)地形線更平緩，故認(rèn)為未處于偏壓受力狀態(tài)）。對于原設(shè)計(jì)采用Ⅴ級圍巖偏壓襯砌斷面的段落，在邊坡?lián)跬翂Φ着c左線線路中線間距40m時(shí)，刷坡線已經(jīng)基本出了偏壓最小覆蓋層厚度線，因此認(rèn)為未惡化原隧道的偏壓受力狀態(tài)。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(shù)值計(jì)算

確定最不利荷載位置后，利用Midas軟件對隧道應(yīng)力分布進(jìn)行分析，分別計(jì)算二次襯砌承擔(dān)70%和100%圍巖壓力的情況。根據(jù)實(shí)際工程情況，隧道參數(shù)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(shù)如表1所示

表1 圍巖參數(shù)計(jì)算表

從計(jì)算結(jié)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(cè)應(yīng)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(shí)，利用Midas后處理程序計(jì)算其軸力分布后，按《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB 10003-2016）推薦的方法計(jì)算鋼筋混凝土襯砌的安全系數(shù)。其中鋼筋布置類型為5φ22，保護(hù)層厚度取61mm。結(jié)構(gòu)共劃分為70個(gè)計(jì)算單元，襯砌承擔(dān)不同比例圍巖壓力情況下各單元的計(jì)算結(jié)果如圖 7和圖8所示。

從圖7和圖8來看，當(dāng)隧道襯砌承擔(dān)70%圍巖壓力時(shí)，隧道各單元安全系數(shù)最大值為9.49，最小值為3.42；而當(dāng)隧道襯砌承擔(dān)100%圍巖壓力時(shí)，隧道各單元安全系數(shù)最大值為7.06，最小值為2.74，兩種情況下安全系數(shù)均大于2.4，即滿足規(guī)范要求。此外，兩種情況下各單元安全系數(shù)分布較為集中，只有較少的離散點(diǎn)，這也說明隧道整體應(yīng)力分布較為均勻，只在局部出現(xiàn)應(yīng)力集中的情況。結(jié)合計(jì)算云圖，可以證明當(dāng)擋墻墻底距隧道坡腳處大于40m時(shí)，隧道整體安全性滿足要求。但在隧道頂部處會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，因此在擋墻施工前，應(yīng)檢查V級圍巖隧道頂部是否出現(xiàn)明顯裂縫、滲水等情況，以免應(yīng)力集中現(xiàn)象加劇裂縫的發(fā)展。此外，在擋墻施工時(shí)，應(yīng)強(qiáng)化施工監(jiān)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(dān)70%圍巖壓力時(shí)各單元安全系數(shù)分布圖

圖8 隧道襯砌承擔(dān)100%圍巖壓力時(shí)各單元安全系數(shù)分布圖

4 結(jié)論

本文基于栗家山隧道的安全性分析實(shí)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(jìn)行了安全性計(jì)算，并根據(jù)工程實(shí)際情況給出了相應(yīng)的施工建議和措施，得到了以下結(jié)論：

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

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

（3）擋墻施工期間，在隧道頂部處會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，因此在擋墻施工前，應(yīng)檢查V級圍巖隧道頂部是否出現(xiàn)明顯裂縫、滲水等情況，以免應(yīng)力集中現(xiàn)象加劇裂縫的發(fā)展。同時(shí)，應(yīng)強(qiáng)化施工監(jiān)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。