新建上跨高鐵隧道對既有隧道及泄水洞穩(wěn)定性影響研究

張 攀

（中鐵十一局集團第五工程有限公司,重慶 400037）

0 引言

高鐵建設(shè)不可避免地穿越既有隧道和建筑物等，現(xiàn)有新建隧道穿越既有隧道的影響分析方法主要采用有限元模擬分析進行[1-5]。該文以盤興高鐵茶廳右線二號隧道上跨既有茶廳隧道為研究對象，將地質(zhì)條件調(diào)查、既有隧道檢測和有限元計算相融合，構(gòu)建了新建高鐵隧道上跨既有隧道影響分析方法，探討了既有隧道及其泄水洞變形和應(yīng)力情況，為施工控制提供了客觀依據(jù)，對于降低隧道施工對周邊建筑的影響，保障施工進度和安全具有重要意義。

1 工程概況

盤興高鐵茶廳右線二號隧道全長1 010 m，為單線隧道，隧道最大埋深約40 m。該隧道上跨盤縣至富源北區(qū)間的茶廳隧道及其泄水洞，結(jié)構(gòu)最小凈距11.8 m。既有茶廳隧道為雙線隧道，左右線間距為5.0 m，全長1 475 m。該工程隧道圍巖分級為Ⅳ和Ⅴ，且未處于斷層發(fā)育區(qū)和巖溶影響區(qū)域。

對既有茶廳隧道襯砌進行現(xiàn)場檢測，該隧道襯砌及基底厚度、鋼筋和鋼桁架分布，以及襯砌混凝土強度均滿足原設(shè)計要求。

2 新建隧道施工對既有隧道的穩(wěn)定性影響分析

2.1 新建隧道施工方法

新建隧道的施工工序如下：①在上一循環(huán)的超前支護下，機械開挖上部并初期支護；②開挖及支護中部左側(cè)；③開挖及支護中部右側(cè)；④開挖及支護下部左側(cè)；⑤開挖及支護下部右側(cè)；⑥開挖及支護底部；⑦灌筑仰拱與邊墻基礎(chǔ)，鋪設(shè)透水盲溝，一次性灌筑襯砌。

2.2 有限元模型建立

考慮平面應(yīng)變假設(shè)的二維數(shù)值模擬分析的局限性，該文采用三維數(shù)值模型進行模擬。綜合考慮實際工程的復(fù)雜性、周邊環(huán)境敏感性、計算精度和速度等因素，選擇模型XYZ 向尺寸為150 m×120 m×100 m。模型側(cè)面采用滑動支座邊界，底面采用固定支座邊界，上表面為自由邊界。地應(yīng)力場按自重應(yīng)力場考慮，建立的有限元幾何模型如圖1 所示。

圖1 數(shù)值幾何模型示意圖

因該處地層主要為弱膨脹巖、泥巖、白云巖，以Ⅴ級圍巖區(qū)間段居多，故該文采用Ⅴ級單一地層圍巖。圍巖容重為20 kN/m3，彈性模量為0.9 GPa，泊松比為0.49，內(nèi)摩擦角為20 °，粘聚力為200 kPa。新建隧道、既有茶廳隧道正洞和既有泄水洞支護結(jié)構(gòu)的混凝土材料容重為25 kN/m3，彈性模量取30 GPa，泊松比為0.2；錨桿和鋼材的容重均取78.5 kN/m3，彈性模量取205 GPa，泊松比取0.25。

巖土體的本構(gòu)模型采用摩爾—庫倫彈塑性屈服準則，可模擬初次加載—卸載—再加載之間的剛度差別。采用“激活—鈍化”的方式模擬隧道開挖全過程。

2.3 新建隧道對既有茶廳隧道正洞穩(wěn)定性影響分析

采用FLAC3D 分析既有茶廳隧道正洞的豎向變形、水平變形和應(yīng)力結(jié)果。

圖2（a）為新建隧道開挖140 m 時既有茶廳隧道正洞的豎向變形圖。豎向變形最大值為2.196 8 mm，位于新建隧道下方處，小于控制標準4.0 mm，結(jié)構(gòu)安全；其次，既有隧道在交叉點前后50 m 的范圍受到擬建隧道開挖影響，故施工中應(yīng)重點關(guān)注該區(qū)域的襯砌變形。

圖2 開挖140 m 時既有茶廳隧道正洞變形圖

圖2（b）為開挖140 m 時既有茶廳隧道正洞的水平變形圖。最大值為0.795 5 mm，發(fā)生在拱腳處，小于控制標準4.0 mm，結(jié)構(gòu)安全。

圖3所示為新建隧道開挖140 m 時既有茶廳隧道正洞的支護結(jié)構(gòu)應(yīng)力圖。既有茶廳隧道正洞初支的最大主應(yīng)力值為0.004 MPa，最小主應(yīng)力值為-14.179 MPa；二襯的最大主應(yīng)力值為0.685 1 MPa，最小主應(yīng)力值為-16.419 MPa。初支和二襯的最大主應(yīng)力小于控制值1.68 MPa，最小主應(yīng)力大于控制值-18.20 MPa，均滿足安全強度。同時，初支最大主應(yīng)力主要在左右墻腳，最小主應(yīng)力主要在拱腳和墻腳連接部分和拱底；二襯最大主應(yīng)力主要在左右墻腳，最小主應(yīng)力主要在拱腳和墻腳連接部分和拱底。

圖3 開挖140 m 既有茶廳隧道正洞應(yīng)力圖

2.4 新建隧道對既有泄水洞穩(wěn)定性影響分析

采用FLAC3D 分析既有泄水洞的豎向變形、水平變形和應(yīng)力結(jié)果。

圖4（a）為新建隧道開挖140 m 時既有泄水洞的豎向變形圖。最大變形為2.447 9 mm，位于新建隧道下方處，小于控制標準5.0 mm，結(jié)構(gòu)安全；其次，既有隧道在交叉點前后50 m 的范圍受到擬建隧道開挖影響，故施工中應(yīng)重點關(guān)注該區(qū)域的變形。圖4（b）為新建隧道開挖140 m 時既有泄水洞的水平變形圖。最大值為0.833 2 mm，發(fā)生在拱腳處，小于控制標準5.0 mm，結(jié)構(gòu)安全。

圖4 開挖140 m 時既有茶廳隧道泄水洞變形圖

圖5為新建隧道開挖140 m 時既有泄水洞的支護結(jié)構(gòu)應(yīng)力圖。既有茶廳隧道泄水洞初支的最大主應(yīng)力值為1.158 MPa，最小主應(yīng)力值為-6.473 MPa；二襯的最大主應(yīng)力值為0.910 MPa，最小主應(yīng)力值為-10.37 MPa。初支和二襯的最大主應(yīng)力小于控制值1.54 MPa，最小主應(yīng)力大于控制值-15.75 MPa，均滿足安全強度。同時，初支最大主應(yīng)力主要在左右墻腳，最小主應(yīng)力主要在拱腰處；二襯最大主應(yīng)力主要在左右墻腳，最小主應(yīng)力也主要在左右墻腳。

圖5 開挖140 m 既有茶廳隧道泄水洞應(yīng)力圖

綜上所述，既有隧道及泄水洞可不加強，通過強化新建隧道的施工過程管理和支護措施，嚴控每循環(huán)施工進尺和安全步距。新建隧道對既有茶廳隧道及泄水洞的影響較小，變形和應(yīng)力都在安全范圍之內(nèi)。

3 結(jié)論

該文分析了盤興高鐵茶廳右線二號隧道上跨既有茶廳隧道及泄水洞的影響，根據(jù)三維有限元分析得到的既有隧道變形和應(yīng)力可知，通過強化新建隧道的支護措施和施工過程管理，新建隧道對既有茶廳隧道及其泄水洞工程影響較小。