既有隧道兩側新建明、暗洞結構開挖力學行為對比及開挖順序研究

王 寧

(中國鐵路設計集團有限公司,天津 300142)

1 概述

國家交通路網不斷發(fā)展，交通網的密集發(fā)展帶來了大量山嶺隧道近接施工現象，而隧道近接問題有著其隱秘性和特殊性的特點，對隧道近接問題研究顯得尤為重要[1-3]。

近年來，針對隧道近接施工的研究有很多。仇文革[4]較早對隧道近接施工進行研究，將地下工程力學分析與基本力學相結合，得到理論解析解，對理論解進行分析，認為影響具有區(qū)域性；并在研究中得到施工過程中圍巖應力的變化是對既有隧道產生影響的根本原因。李巖松[5]等采用FLAC3D有限元分析軟件，對小凈距隧道進行模擬分析，通過分析多種工況下圍巖位移、夾巖應力、塑性區(qū)分布，得到隧道近接淺埋式矩形隧道之間的近接效應，并據此確定隧道之間合理凈距。白銘海[6]對復雜近接施工條件下力學行為進行研究分析，利用三維仿真模擬圍巖變化，并對近接施工相關技術進行分析研究。李畢華[7]對近接隧道分析研究，通過現場試驗、模型試驗以及數值模擬3個方面分析，主要對小凈距隧道的合理施工順序以及施工力學形態(tài)，并分析了小凈距隧道中施工相互影響問題。周斌[8]對特殊近接工程進行研究，研究了上下重疊、重疊過渡以及水平并行盾構隧道，從地表沉降、地層位移以及結構內力3個方面分析，得到不同近接形式的影響分區(qū)，并總結得到不同開挖順序。李文華[9]以長沙市地鐵2號線為研究背景，得到了不同開挖順序對中巖墻力學性能的影響，并得到最優(yōu)開挖順序。梁小勇[10]分析北京地鐵9號線近接鐵路橋梁，從地層塑性區(qū)分布、既有結構位移場、地層位移場3個方面，分析研究了卵石地層地鐵隧道近接施工位移特征，并為施工提供參考價值。程剛[11]結合實際工程，利用數值模擬方法，分析了新建隧道對既有隧道的影響，并根據研究結果相應提出既有隧道、新建隧道具體處治措施，以確保施工安全。

本文以浦梅鐵路既有隧道兩側新建近接隧道為研究背景，利用Midas GTS有限差分軟件，對比分析在淺埋偏壓條件下，兩側新建不同結構物形式(明洞以及暗洞形式)下隧道施工力學行為，并得到合理施工順序。

2 工程概況

浦梅鐵路近接工程為水平近接類型，新建隧道(浦梅鐵路武調隧道、武調1號隧道)設計時速160 km，為單線鐵路隧道。既有隧道(向莆鐵路武調隧道)為設計速度目標值200 km/h的鐵路隧道。新建兩隧道位于既有隧道左右側，洞口處相距較近，隨之間距增大，呈喇叭狀輻射，左側新建結構物與既有結構物夾角約為12°，右側新建隧道與既有結構物夾角約為15°。同時地形偏壓大，新建隧道埋深很淺，地質條件差，且在既有隧道施工過程中，巖層已經受到擾動。

洞口位置處，左側埋深較淺，且距離較小，從安全方面考慮，左側隧道的洞口段采用明洞結構形式，隨里程增大，轉變?yōu)榘刀唇Y構形式。右側新建隧道從進口里程到出口里程整體上均為暗洞結構形式。

3 有限元模型

設計資料提及左側隧道洞口段采用明洞結構形式，隨里程轉變?yōu)榘刀葱问?，右側隧道采用暗洞結構形式。為更好研究不同結構形式帶來的影響，同時從建模方面考慮，建立2個模型，分別為淺埋偏壓兩側暗洞(模型1)以及淺埋偏壓明暗結合(模型2)兩種模型。不同模型包括2種工況，工況1表示先開挖左側結構物再開挖右側結構物；工況2表示先開挖右側結構物再開挖左側結構物。

淺埋偏壓兩側暗洞(模型1)分8階段模擬施工，1～8階段分別表示初始地應力階段、既有隧道修建、左側隧道上臺階、單側隧道下臺階、單側隧道二襯、對側隧道上臺階、對側隧道下臺階、對側隧道二襯。

淺埋偏壓明暗結合(模型2)分6階段模擬施工，1～6階段分別表示初始地應力階段、既有隧道修建、左側明洞(右側隧道上臺階)、右側隧道上臺階(右側隧道下臺階)、右側隧道下臺階(右側隧道二襯)、右側隧道二襯(左側明洞)。

3.1 計算假定

鑒于實際近接工程的地形地質情況的復雜性以及仿真模擬軟件的限制，對現場實際近接情況進行全面、細致、真實的模擬難度較大，因此，在數值模擬方面進行了部分假設和簡化。

(1)計算模型中，本構關系確定時，圍巖本構關系采用Mohr-Coulomb本構，支護結構則采用彈性本構關系進行模擬。同時，計算過程中，假定圍巖以及襯砌等結構體為均質、連續(xù)的理想體。

(2)山體為偏壓山體，模型建立過程中，取其平均坡度進行建模，平均坡度約為15°。

(3)巖土初始地應力平衡僅考慮自重應力，對地下水滲流作用不進行考慮。

(4)初始地應力平衡后，既有隧道模型一次挖通，并對模型位移清零[12]。

3.2 模型建立

采用大型有限元軟件Midas GTS進行數值模擬分析，模型圍巖級別為V級，在依托工程地質勘察資料的基礎上，結合《鐵路隧道設計規(guī)范》[13]及其他相關資料[14]，各部分具體物理力學參數見表1。

表1 巖土層計算參數

模型尺寸主要依靠圣維南原理開挖影響范圍[15]，同時結合實際情況確定。最終確定模型橫向左側范圍依據實際情況取值，右側范圍則取4倍洞徑作為計算范圍，底部邊界取3倍洞徑。左右隧道呈一定角度遠離既有隧道，左側結構物偏轉角度為12°，右側結構物偏轉角度為15°。模型中兩隧道最近距離為5 m，最遠距離為50 m，新建隧道直徑為8.34 m，研究范圍滿足最大開挖直徑5D的要求。模型底部豎直約束，左右邊界水平約束，頂部為自由邊界。圍巖及初期支護采用實體單元模擬，二次襯砌則采用板單元模擬，計算模型如圖1所示。

圖1 計算模型(單位：m)

4 計算結果分析

近接施工研究主體主要有3個方面，分別為既有結構物、新建結構物以及周邊圍巖。結合實際工程，確定兩個主要研究對象，即研究既有結構物以及周邊圍巖變化情況，分析變化趨勢并且從變化趨勢中找到兩側新建結構物同時近接既有結構物的合理施工順序。

4.1 圍巖應力分析

根據相關資料，有針對性地對3個圍巖應力特征點進行監(jiān)測分析，分別為既有隧道拱頂位置處圍巖應力、既有隧道與新建結構物之間受擾動土體處的圍巖應力，具體圍巖應力關鍵點示意如圖2所示。最終提取不同模型下圍巖應力變化如表2、表3所示。變化趨勢如圖3、圖4所示。

圖2 圍巖應力關鍵點

kPa

表3 模型2圍巖應力 kPa

圖3 模型1圍巖應力變化

圖4 模型2圍巖應力變化

對比分析工況1、工況2分別在開挖左右側結構物時引起不同圍巖應力變化特征，得到以下結果：

(1)新建結構物左側開挖完成后，以工況1為例，①既有隧道拱頂處應力：模型1、模型2圍巖應力分別增加了4%、減小了47.7%。②既有隧道左側圍巖應力：模型1、模型2圍巖應力分別減小了25.4%、46.8%。③既有隧道右側圍巖應力：模型1、模型2圍巖應力值變化幅度分別為0.6%、5%。④模型2左側結構物開挖引起圍巖應力變化幅度為模型1變化幅度的11.85倍(拱頂)、1.84倍(既有結構物左側)、8.33倍(既有結構物右側)。即左側明洞結構物開挖帶來的影響遠大于暗洞結構物開挖帶來的影響，這主要是由于明洞結構開挖對土體擾動較大，會使土體產生較多凌空面，導致土體產生向開挖面處移動，圍巖由于開挖卸荷作用，產生應力松弛現象，導致圍巖應力減小。

(2)新建隧道右側開挖完成后，以工況2為例，①既有隧道拱頂處應力：模型1、模型2圍巖應力分別減小了0.9%、0.6%；②既有隧道左側圍巖應力：模型1、模型2變化幅度分別為0.25%、0.4%。③既有隧道右側圍巖應力：模型1、模型2圍巖應力分別減小了3.6%、2.9%。④右側結構物開挖對關鍵點處圍巖應力變化趨勢和幅度相似，這主要是由于右側結構物均為暗洞形式。對比分析折線圖，可以看到左側土體變化綜合斜率遠大于右側土體，可得到淺埋側土體圍巖應力敏感性遠大于深埋側土體敏感性。

(3)土體最終狀態(tài)：①模型1情況下工況2方案各關鍵點圍巖應力均小于工況1方案圍巖應力，同時依據折線圖和應力表，左側隧道開挖對右側土體影響幅度為0.52%，右側隧道開挖對左側土體影響幅度為2.32%，可以看到整體上右側隧道開挖對對側土體的影響程度小于左側隧道開挖對對側土體開挖的影響幅度，建議先開挖右側隧道，即采用工況2進行開挖。②模型2情況下工況1方案各關鍵點圍巖應力均小于工況2方案圍巖應力，同時依據折線圖和應力表，左側隧道開挖對右側土體影響幅度為4.36%，右側隧道開挖對左側土體影響幅度為1.38%?？梢钥吹秸w上右側隧道開挖對對側土體的影響程度大于左側明洞開挖對對側土體開挖的影響幅度，建議先開挖明洞，即采用工況1進行開挖。

4.2 既有結構位移分析

本節(jié)主要對既有結構物拱頂沉降以及既有結構物左右拱腰處橫向位移進行分析，分析左右側結構物開挖對既有結構物位移的影響，提取既有結構物位移結果如表4和表5所示。

表4 模型1既有結構位移 mm

表5 模型2既有結構位移 mm

分析表4、表5，可以得到以下結論。

(1)新建結構物左側開挖完成后，部分土體會向左側移動，既有隧道襯砌變形與土體移動方向一致，整體均向開挖側移動。以工況1方案為例，①模型1、模型2均襯砌右側橫向位移最小，隧道襯砌左側橫向位移最大。②模型1、模型2拱頂沉降分別為0.35、0.78 mm。③模型2引起既有結構位移為模型1引起位移的3.59倍(襯砌右側)、1.76倍(襯砌左側)、2.23倍(拱頂)，可以看到明洞結構物開挖對既有結構物影響大于暗洞結構物開挖帶來的影響。同時，拱頂沉降與水平收斂數值大小對比，可以看到兩側新建結構物對既有結構物位移影響均位于水平向，豎直向影響較小。

(2)新建隧道右側開挖完成后，與左側隧道修建變化趨勢相同，整體均向開挖側移動。以工況2方案為例，①模型1、模型2襯砌左側橫向位移最小，而隧道襯砌右側橫向位移最大。②模型1、模型2拱頂沉降不足0.3 mm。③對比右側結構物開挖引起位移變化，可以看到兩側結構物差異性很小。

(3)對比分析幾種工況下橫向位移，各側隧道開挖完成后，襯砌結構均會向開挖側整體偏移，但最終狀態(tài)均是襯砌結構發(fā)生整體向左側橫向位移。

(4)分析拱頂沉降及周邊收斂最終狀態(tài)，模型1時，工況2方案既有結構物變形值均略小于工況1方案，模型2時，工況1方案各項結果變形值小于工況2方案。因此，從最終變形大小方面考慮，建議模型1采用工況2方案開挖，模型2采用工況1方案開挖。

5 結論

以浦梅鐵路近接工程為研究對象，針對實際近接項目進行延伸，分析了淺埋偏壓情況下既有隧道兩側新建不同結構物形式下的施工力學行為，并對不同工況下確定合理施工順序，得到如下結論。

(1)圍巖應力：從圍巖應力變化幅度來看，明洞結構物開挖對圍巖應力影響大于暗洞結構物開挖所帶來的影響；淺埋側土體敏感性遠大于深埋側土體圍巖應力敏感性。

(2)既有結構位移：對于淺埋偏壓隧道兩側新建既有結構，開挖會使既有結構產生向開挖側位移變形，但最終狀態(tài)時，既有結構會產生向淺埋側位移；水平近接條件下，對既有結構物影響最大的為水平方向位移，豎向位移(拱頂沉降)基本無影響。

(3)合理開挖順序：由圍巖應力以及位移變化分析，可以得到模型1(淺埋偏壓-兩側暗洞結構形式)采用工況2(先開挖深埋側再開挖淺埋側)進行開挖；模型2(淺埋偏壓-明暗結合結構形式)采用工況1(先開挖淺埋側明洞再開挖深埋側暗洞)進行開挖。