新建隧道開挖對(duì)既有線穩(wěn)定性影響的數(shù)值分析

任海勇 （山西藍(lán)焰煤層氣集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 晉城 048204）

0 前言

隨著我國(guó)鐵路運(yùn)輸發(fā)展的不斷加快，部分線路已經(jīng)不能滿足生產(chǎn)生活的需要，越來(lái)越多的復(fù)線工程將會(huì)規(guī)劃建設(shè)[1-3]。受地形、地質(zhì)條件等因素的限制，新建隧道與既有隧道之間的距離往往較近[4-5]，新建隧道的開挖將會(huì)對(duì)既有線穩(wěn)定、安全運(yùn)營(yíng)造成很大的威脅，且隧道下穿既有線施工技術(shù)復(fù)雜、施工難度大，具有很高的風(fēng)險(xiǎn)。因此，研究新建隧道施工方法的可靠性及其對(duì)既有線穩(wěn)定性的影響具有重要的意義。

在隧道工程設(shè)計(jì)中，由于特殊地質(zhì)、地形條件下或某些特殊要求，使得兩相鄰隧道的最小間距不能滿足設(shè)計(jì)規(guī)范的要求，此時(shí)從路線總體線形、路橋隧銜接、工程造價(jià)等因素綜合考慮，并經(jīng)過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，往往會(huì)采用小間距或連拱隧道方案。根據(jù)國(guó)內(nèi)已建隧道工程來(lái)看，兩隧道凈間距以3m～8m居多，故可以認(rèn)為小間距隧道主要是指雙洞最小凈距小于1.5倍開挖洞徑的隧道，它是介于雙孔分離式隧道和連拱隧道之間的一種結(jié)構(gòu)形式[6-7]。

在目前的公路工程中，小間距隧道常見的形式為平行小間距隧道。本文采用ANSYS有限元軟件建立了近距離下穿既有隧道的二維數(shù)值模型。通過對(duì)開挖前后既有隧道的圍巖應(yīng)力、位移變化進(jìn)行對(duì)比分析，論證了新建隧道施工方案的可行性。

2 有限元分析

2.1 有限元模型

新建隧道與既有隧道之間巖層凈距離較短，兩隧道中心線之間的水平夾角為30℃。此段內(nèi)隧道的埋深在220m，圍巖等級(jí)為Ⅲ級(jí)。根據(jù)圣維南原理，對(duì)于隧道開挖后的應(yīng)力和應(yīng)變，僅在隧道周圍距離洞室中心點(diǎn)3～5倍隧道開挖寬度的范圍內(nèi)存在影響。因此，有限元模型尺寸取為90m×90m。數(shù)值模型中圍巖采用plane42實(shí)體單元，初期支護(hù)采用beam梁?jiǎn)卧M。在模型的下邊界施加豎向約束，左右邊界施加水平約束，模型上邊界自由。材料參數(shù)如表1所示。

材料參數(shù)表 表1

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 新建隧道開挖前

圖1為新建隧道開挖前的豎向位移云圖。既有線(豎向)最大位移約7mm。由圖2可以看出既有隧道洞孔的上部和底部形成拉應(yīng)力區(qū)。隧道結(jié)構(gòu)附近區(qū)域最大主壓應(yīng)力約為10.6MPa。

由于距離既有線較近，新建隧道的上部應(yīng)力受到的影響較下部明顯，初始應(yīng)力場(chǎng)的主應(yīng)力方向仍以豎直向?yàn)橹?，地?yīng)力模擬結(jié)果在有限元模擬開挖過程中作為初始條件進(jìn)行計(jì)算分析。

3.2 新建隧道開挖后

由圖3可知，既有隧道拱底的位移較大，Y方向(豎向)最大位移約10mm。新建隧洞頂部Y方向最大位移約7.9mm，隧洞底部Y方向最大位移約3.165mm。

由開挖后的應(yīng)力矢量圖（圖4）可以看出新建隧道拱頂和拱底形成了拉力區(qū)，在拱腰處形成壓力區(qū)。由開挖后的壓應(yīng)力云圖（圖5）可得，新建隧道主壓應(yīng)力最大出現(xiàn)在隧洞兩側(cè)的拱腳部位，約21.7MPa。對(duì)于既有隧道的洞周的最大壓應(yīng)力是8.36MPa，位于拱腰處。

4 施工技術(shù)措施的討論

對(duì)于小間距隧道施工技術(shù)的關(guān)鍵，主要是解決近距離施工時(shí)新建隧道與既有隧道之間的相互影響，以及新建隧道施工對(duì)環(huán)境的影響。其相互影響的主要因素有：①兩隧道間水平和豎向位置關(guān)系；②新建隧道的跨度大??；③新建隧道的開挖方法及支護(hù)措施；④地形、水文、地質(zhì)等條件；⑤外界環(huán)境變化的干擾等。

結(jié)合小間隧道的圍巖變形特點(diǎn)和施工影響因素，在小間距隧道設(shè)計(jì)、開挖過程中必須盡可能減少對(duì)圍巖的擾動(dòng)，特別是對(duì)中間土(巖)體的擾動(dòng)。同時(shí)對(duì)于隧道支護(hù)的整體性要強(qiáng)，其強(qiáng)度和剛度要大，以能夠很好的限制圍巖變形，保持圍巖自身強(qiáng)度和承載力?？傮w目標(biāo)就是合理利用圍巖自承能力，保證圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)共同作用。

因此，小間距隧道施工中，應(yīng)在施工方法、施工工藝、支護(hù)形式與參數(shù)、特殊施工方法的應(yīng)用等方面采用綜合性技術(shù)、措施,其要點(diǎn)如下：①優(yōu)化施工方按，可以根據(jù)圍巖情況選擇合理的施工方案，常用的施工方案由全斷面法、二臺(tái)階法、CD法等，對(duì)于圍巖條件較差的隧道，還可以選擇預(yù)留核心土臺(tái)階法和CRD法等，施工過程中還要注意控制循環(huán)進(jìn)尺；②控制和減小開挖對(duì)圍巖的擾動(dòng)；③提高支護(hù)的強(qiáng)度、剛度和整體性,控制圍巖變形；④當(dāng)圍巖條件較差時(shí)，可以兩隧道間的土體進(jìn)行預(yù)加固，可以選擇注漿錨桿或者超前管棚進(jìn)行加強(qiáng)，提高圍巖的穩(wěn)定性；⑤及時(shí)進(jìn)行二次襯砌支護(hù)，及時(shí)施作仰拱，形成封閉支護(hù)結(jié)構(gòu)；⑥監(jiān)控量測(cè)，信息化施工。

由于巖石工程地質(zhì)條件具有復(fù)雜性，各個(gè)小間距隧道工程又有自身的特點(diǎn)，因此，小間距隧道施工技術(shù)措施的優(yōu)化仍然是一個(gè)艱巨的任務(wù)。關(guān)于小間距隧道相關(guān)問題的研究仍需大量的依托實(shí)際工程進(jìn)行深入研究，需要本領(lǐng)域的同仁們進(jìn)一步地思考、關(guān)注和探索。

5 結(jié) 論

本文采用ANSYS有限元軟件通過對(duì)開挖前后既有隧道的圍巖應(yīng)力、位移變化進(jìn)行對(duì)比分析，可得出如下結(jié)論：

①新建隧道的開挖改變了既有隧道圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，特別是既有隧道邊墻和隧道底部；

②新建隧道的開挖使既有隧道的豎向位移變大，且左右沉降不等；

③由于隧道所處的圍巖穩(wěn)定性較好，新建隧道的開挖對(duì)既有線的影響較小，當(dāng)圍巖級(jí)別較差時(shí)，可以考慮優(yōu)化施工方案，以減小新建隧道施工對(duì)既有線的擾動(dòng)；

④小間距隧道施工措施需要綜合考慮多方因素，要合理利用圍巖自承能力，保證圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的共同作用。

[1]王曉梅,石文慧,程瑤.新建隧道施工對(duì)鄰近既有隧道的影響及對(duì)策[J].鐵道建設(shè),2010（7）.

[2]張晨明,董秀竹.新線施工對(duì)既有線車站影響分析[J].鐵道工程學(xué)報(bào),2006（9）.

[3]馮仲仁,文曦.新建隧道爆破震動(dòng)對(duì)既有隧道影響的數(shù)值分析[J].爆破,2008（4）.

[4]畢繼紅,鐘建輝.鄰近隧道爆破震動(dòng)對(duì)既有隧道影響的研究[J].工程爆破,2004（4）.

[5]徐前衛(wèi),尤春安,李大勇.盾構(gòu)近距離穿越已建隧道的施工影響分析[J].巖土力學(xué),2004（S1）.

[6]蔚立元,李術(shù)才,徐幫樹.青島小凈距海底隧道爆破振動(dòng)響應(yīng)研究[J].土木工程學(xué)報(bào)，2010（8）.

[7]陽(yáng)生權(quán).小線間距施工隧道爆破地震影響下既有隧道圍巖線性動(dòng)力分析[J].工程爆破,1998（1）.