新建黃土隧道開挖及支護(hù)對既有隧道影響的數(shù)值模擬分析

楊 凱 戚 鐵

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團(tuán)有限公司太原設(shè)計院，山西太原 030013)

隨著我國交通建設(shè)事業(yè)特別是鐵路建設(shè)的快速發(fā)展[1]，新建隧道與既有隧道的設(shè)計距離變得越來越小。隧道開挖后將引起圍巖應(yīng)力的重分布[2]，必然對既有隧道產(chǎn)生不利的影響，嚴(yán)重時可能引起既有隧道較大的變形或不均勻沉降，甚至襯砌結(jié)構(gòu)的開裂、剝落，危及行車安全[3]。

目前，國內(nèi)許多學(xué)者對臨近既有隧道的施工進(jìn)行了研究。王清標(biāo)等[4]運(yùn)用FLAC 3D軟件分析了臺階法、CRD法及眼鏡法3種不同開挖方式下既有隧道襯砌及周圍交疊巖體的應(yīng)力-應(yīng)變規(guī)律；包德勇[5]采用ANSYS軟件模擬新建線路下穿高速公路的施工過程，得出了既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力及位移的變化規(guī)律；劉鎮(zhèn)[6]利用MIDAS/GTS軟件建模，分析新建盾構(gòu)隧道正交下穿施工對既有隧道沉降的影響；仇文革[7]等采用FLAC 3D軟件對深圳地鐵交叉隧道施工進(jìn)行模擬，計算相應(yīng)的應(yīng)力場及位移場；楊永波[8]等對鄰近既有隧道施工參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化分析；王劍晨[9]等利用經(jīng)驗(yàn)公式，分析淺埋暗挖施工對既有隧道的變形影響；黃德中[10]和李磊[11]等采用離心模擬、現(xiàn)場監(jiān)測、數(shù)值計算等方法對既有隧道的變形進(jìn)行了研究。但以往研究對黃土地區(qū)隧道開挖及支護(hù)的分析較少，以下通過數(shù)值模擬的方法，對某黃土隧道開挖支護(hù)進(jìn)行研究，探討合理的工法及支護(hù)方案，以期對類似工程提供借鑒。

1 工程概況

擬建山西通昌能源集團(tuán)有限公司煤炭鐵路專用線安家莊隧道(簡稱“通昌隧道”)位于山西省興縣境內(nèi)，隧道全長367.0 m，最大埋深約38.2 m，隧道形式為雙線漸變?yōu)閱尉€，洞口雙線段長約40 m。通昌隧道位于瓦日鐵路和肖家洼煤礦鐵路專用線中間，如圖1、圖2所示。

圖1 新建隧道與既有隧道的位置關(guān)系

圖2 工程現(xiàn)場照片

既有肖家洼煤礦鐵路專用線安家莊隧道(簡稱“肖家洼隧道”)全長908.27 m，設(shè)計為單線隧道，最大埋深約70.7 m，采用新奧法施工，其內(nèi)部為帶仰拱的襯砌結(jié)構(gòu)形式，受影響范圍內(nèi)為V級圍巖，二次襯砌拱墻厚40 cm，仰拱厚45 cm(均為C35鋼筋混凝土)。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，既有肖家洼隧道襯砌完好，無病害。

既有瓦日鐵路安家莊2號明洞全長100 m，采用放坡明挖法施工，整體式襯砌，受影響范圍內(nèi)為Ⅴ級圍巖，拱墻、仰拱厚度均為70～80 cm(C35鋼筋混凝土)。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，既有瓦日鐵路安家莊2號明洞襯砌完好，無病害。

2 工程地質(zhì)條件

根據(jù)調(diào)查及勘探，隧道處地質(zhì)條件較為簡單。洞身上層為第四系上更新統(tǒng)坡風(fēng)積砂質(zhì)黃土(Q3dl+eol)，褐黃色，稍濕，稍密，結(jié)構(gòu)松散，具針狀孔隙，土質(zhì)較均勻，層厚10～25 m；洞身下層及路肩以下主要為第三系上新統(tǒng)(N2)粉質(zhì)黏土，褐黃-紅褐色，堅硬-硬塑，以黏粒為主，土質(zhì)不均勻。

本次勘察鉆孔內(nèi)未見地下水，雨季新黃土與粉質(zhì)黏土分界處有少量層間滲水。

3 計算假定

(1)施工隧道期間，既有鐵路隧道結(jié)構(gòu)按照非震組合工況考慮。

(2)假定既有鐵路隧道與新建隧道間的土體符合變形協(xié)調(diào)原則[12]。

(3)隧道開挖施工完畢后，應(yīng)立即施作邊坡防護(hù)。因此，可不考慮邊坡防護(hù)施工過程中巖土體隨時間的流變變形。

(4)將地層巖土體視為均質(zhì)各向同性材料，且其物理力學(xué)參數(shù)準(zhǔn)確可靠。

4 數(shù)值分析

新建通昌隧道與既有肖家洼隧道的間隔距離從進(jìn)口到出口逐漸增大，新建隧道進(jìn)口D12K0+570直至D12K0+650處(共計80 m)，兩隧道間距從1.1 m逐漸增大至10.1 m。 D12K0+570～D12K0+605段采用雙線斷面，隧道間隔最大處僅為4.0 m。

新建通昌隧道與既有瓦日2號明洞基本平行，間隔距離從新建隧道D12K0+585處的19.7 m逐漸增大至D12K0+685處的30.0 m。

計算選用的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 物理力學(xué)參數(shù)

4.1 支護(hù)方案的數(shù)值分析

為了減少通昌能源專用線隧道開挖對既有瓦日鐵路明洞與肖家洼鐵路隧道的影響，考慮3種支護(hù)方案：①洞口D12K0+570～D12K0+605段拱頂180°范圍采用大管棚超前加固及拱腳斜拉樁支護(hù)，D12K0+605～D12K0+670采用隔離樁支護(hù)；②D12K0+570～D12K0+605段拱頂與直墻240°范圍采用大管棚超前加固，D12K0+605～D12K0+670采用隔離樁支護(hù)；③D12K0+570～D12K0+670段均采用隔離樁支護(hù)。

計算模型的范圍邊界如下。

模型范圍：里程D12K0+570～D12K0+690；

底部界面：從通昌能源專用線隧道向下延伸50 m；

左側(cè)邊界：從瓦日鐵路隧道左側(cè)邊墻向外約50 m；

右側(cè)邊界：從肖家洼鐵路隧道右側(cè)邊墻向外約50 m；

頂部界面：至地面高程。

采用快速有限差分軟件FLAC3D[13]進(jìn)行計算分析，通過Midas GTS[14]和ANSYS軟件輔助建立計算網(wǎng)格模型，導(dǎo)入到FLAC3D中。整個三維模型共有25 464個節(jié)點(diǎn)，124 296個單元。計算模型的上邊界地表按自由表面考慮，底部采用固定約束，四周的外邊界通過約束邊界面法向位移來實(shí)現(xiàn)。土體采用四節(jié)點(diǎn)四面體實(shí)體單元模擬，土體結(jié)構(gòu)計算采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型[15]。

開挖隧道管棚和隔離樁支護(hù)采用FLAC3D結(jié)構(gòu)單元中的樁單元模擬，既有隧道襯砌采用殼單元模擬。3種支護(hù)方案的支護(hù)結(jié)構(gòu)如圖3～圖5所示。

圖3 支護(hù)方案1的支護(hù)結(jié)構(gòu)模型

圖4 支護(hù)方案2的支護(hù)結(jié)構(gòu)模型

圖5 支護(hù)方案3的支護(hù)結(jié)構(gòu)模型

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，隧道變形及應(yīng)力變化主要發(fā)生在拱頂及拱墻連接處，選取隧道拱頂、左拱腰、右拱腰、左側(cè)墻、右側(cè)墻、拱底共6個關(guān)鍵點(diǎn)作為研究對象，按順序依次編號。其中，瓦日鐵路明洞關(guān)鍵點(diǎn)編號為Z01～Z06，肖家洼鐵路隧道關(guān)鍵點(diǎn)編號為Y01～Y06，通昌能源專用線隧道關(guān)鍵點(diǎn)編號為T01～T04(如圖6)。

圖6 隧道關(guān)鍵點(diǎn)布置

(1)支護(hù)方案①計算

整體模型最終總位移、塑性區(qū)及應(yīng)力云圖如圖7～圖9所示，關(guān)鍵點(diǎn)位移情況如表2所示。

圖7 整體模型總位移

圖8 整體模型塑性區(qū)分布

圖9 整體模型豎直應(yīng)力

最大總位移出現(xiàn)在通昌能源專用線隧道拱底(約為80 mm)。

表2 D12K0+605段既有隧道關(guān)鍵點(diǎn)位移對比 mm

注：水平方向位移以邊坡外部指向內(nèi)部為正，垂直方向位移以向上為正。

(2)支護(hù)方案②計算

整體模型最終總位移、塑性區(qū)及應(yīng)力云圖如圖10～圖12所示，關(guān)鍵點(diǎn)位移情況如表3所示。

圖10 整體模型總位移

圖11 整體模型塑性區(qū)分布

圖12 整體模型豎直應(yīng)力

最大總位移出現(xiàn)在通昌能源專用線隧道拱底(約為78 mm)。

表3 D12K0+610段既有隧道關(guān)鍵點(diǎn)位移對比 mm

注：水平方向位移以邊坡外部指向內(nèi)部為正，垂直方向位移以向上為正。

(3)支護(hù)方案③計算

整體模型最終總位移、塑性區(qū)及應(yīng)力云圖如圖13～圖15所示，關(guān)鍵點(diǎn)位移情況如表4所示。

圖13 整體模型總位移

圖14 整體模型塑性區(qū)分布

圖15 整體模型豎直應(yīng)力

最大總位移出現(xiàn)在通昌能源專用線隧道拱底(約為89 mm)。

表4 D12K0+610段既有隧道關(guān)鍵點(diǎn)位移對比 mm

注：水平方向位移以邊坡外部指向內(nèi)部為正，垂直方向位移以向上為正。

4.2 對比分析

3種支護(hù)方案對應(yīng)的整體模型中，引既有隧道的應(yīng)力范圍為200～600 kPa，最大應(yīng)力均出現(xiàn)在肖家洼隧道的仰拱處。塑性區(qū)主要分布在通昌隧道下臺階靠近肖家洼隧道一側(cè)的仰拱處。

3種支護(hù)方案對應(yīng)的整體模型最大總位移分別為80.3 mm、77.8 mm和89.2 mm，均出現(xiàn)在新建隧道里程D12K0+605和D12K0+610處。3種支護(hù)方案對應(yīng)肖家洼鐵路隧道最大水平位移分別為0.257 mm、0.345 mm、0.326 mm，分別出現(xiàn)在里程D12K0+600、D12K0+590、D12K0+575處；最大豎直位移分別為0.083 mm、0.117 mm、0.071 mm，分別出現(xiàn)在里程D12K0+610、D12K0+575、D12K0+590處。3種支護(hù)方案對應(yīng)瓦日鐵路隧道最大水平位移分別為0.513 mm、0.325 mm、1.148 mm，出現(xiàn)在里程D12K0+610、D12K0+610、D12K0+605處；最大豎直位移分別為0.510 mm、0.350 mm、0.851 mm，分別出現(xiàn)在里程D12K0+610、D12K0+610、D12K0+605處。由以上分析可知，管棚對控制新建隧道和既有隧道的變形效果較好，但是新建隧道與肖家洼隧道間距過小，管棚施工存在較大難度。因此，實(shí)際采用的支護(hù)方案為②和③，即在新建隧道周圍部分使用管棚支護(hù)，在新建隧道與肖家洼隧道之間采用隔離樁支護(hù)。

4.3 臺階法數(shù)值分析

選取D12K0+615斷面，在未采取任何支護(hù)形式的情況下，分析上下臺階法施工對既有隧道的影響。

建立的網(wǎng)格模型如圖16所示。計算模型尺寸約為142 m×1 m×64 m，模型共計10 579個單元體，21 318個網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)。模型邊界同前述。

圖16 隧道施工計算模型

當(dāng)采用上下臺階法[8]開挖通昌能源專用線隧道時，上臺階高度約為5 m，下臺階約4.5 m，得到模型塑性區(qū)如圖17所示。

圖17 臺階法開挖隧道塑性區(qū)分布

提取既有瓦日鐵路安家莊隧道2號明洞與肖家洼鐵路隧道關(guān)鍵點(diǎn)的水平和豎直位移值，得到如表5所示的計算結(jié)果。

表5 對應(yīng)關(guān)鍵點(diǎn)位移 mm

通昌隧道臺階法開挖后，引起瓦日鐵路明洞水平最大位移和豎直最大位移分別為0.80 mm和0.56 mm，引起肖家洼鐵路隧道的水平最大位移和豎直最大位移分別為1.83 mm和1.90 mm，整體最大位移為0.97 mm和2.56 mm(均位于拱頂處)。由此可見，采用臺階法施工時，會對既有隧道產(chǎn)生擾動，但總位移較小。

5 結(jié)論

數(shù)值計算結(jié)果表明：采用臺階法施工[16]時，會對既有隧道產(chǎn)生擾動，引起既有隧道的最大位移均出現(xiàn)在拱頂處，實(shí)際施工中應(yīng)注意控制施工步距；新建隧道采用不同的支護(hù)措施時，最大應(yīng)力均出現(xiàn)在距離最近的肖家洼隧道的仰拱處，塑性區(qū)主要分布在下臺階靠近肖家洼隧道一側(cè)的仰拱處，塑性區(qū)不貫通，不會引起塑性破壞。管棚超前支護(hù)對既有隧道和新建隧道的變形控制效果明顯，若管棚施工困難，可采用隔離樁的防護(hù)方式。