基于強度折減法的大跨隧道對臨近橋基影響的研究*

張安睿 曹 琨

(貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司 貴陽 550000)

隨著我國隧道建設的快速發展，預計到2020年底隧道數量將突破17 000座，運營里程突破19 000 km，隧道建設將進入高數量、高技術、高難度、高風險的四高建設期[1-2]。伴隨公路隧道交通網絡的不斷發展，出現了山嶺隧道施工臨近既有橋梁結構的情況，隧道開挖會對橋梁下部結構造成較大影響，嚴重時將危脅橋梁運營安全[3]。

目前，已有部分學者針對性地分析了隧道施工對臨近樁基的影響。其中，孫吉主[4]通過理論研究得到了一種基于微條分法的簡便工程分析方法，可用于分析大跨度隧道開挖對樁基的影響；肖望東[5]利用FLAC3D分析了隧道開挖對樁基上方的地表沉降及樁基的水平和豎向沉降變化規律，研究結果表明，隧道開挖在剛經過樁基側面時引起的沉降最大，且開挖對離地表下方4 m處的樁基影響較大；劉秋常等[6]針對城市地鐵盾構施工對周邊既有橋梁樁基的影響，通過有限元模型分析了3種加固條件下臨近高架橋樁基的變形特征，結果表明隔離樁方案效果較差，注漿、橫撐加固的方案較好；許桂生[7]利用ABAQUS軟件建立了橋-隧三維數值計算模型，對城市公路隧道施工條件下地層及橋梁樁基的變形規律進行了總結，研究發現靠近隧道兩側樁基變形明顯大于中部樁基，可通過增大高壓旋噴樁加固參數(加固深度和寬度)減小橋梁樁基位移。

以上研究多針對于隧道開挖對既有建筑物樁基沉降變形的影響進行。本文將依托松坎隧道臨近既有蘭海高速韓家店I號特大橋施工實際工程，基于強度折減法，對隧道開挖過程中的隧道安全系數和圍巖潛在破裂面進行研究，以此確定出合適的近接距離。

1 工程概況

松坎隧道為分離式特長隧道，隧道進口段下穿既有蘭海高速韓家店I號特大橋(主跨210 m)，隧道與橋基最近水平距離僅為29.7 m，其相對位置關系見圖1。

圖1 松坎隧道與既有韓家店大橋位置關系圖

該隧道設計車速100 km/h，行車道寬3 m×3.75 m，凈高5 m，內輪廓設計高程距拱頂高度7.94 m，凈寬15.618 m，屬于大跨度隧道。左幅起訖樁號為ZK4+955-ZK8+070，全長3 115 m，最大埋深約580 m，右幅起訖樁號為YK4+920-YK8+025，全長3 105 m，最大埋深570 m。該隧道進出口仰坡地形陡，巖體破碎，易發生垮塌。

2 強度折減法

強度折減法最早由Zienkiewicz等[8]提出，主要用于邊坡穩定性分析，該方法對巖土體的抗剪參數進行折減，最終獲得巖土體材料的極限破壞狀態。近年也有鄭穎人[9]、李秀地[10]和唐春安[11]等學者將其應用于隧道穩定分析中，取得了一定成果。

在強度折減法中，巖體安全系數可以通過臨界破壞狀態下的強度指標與天然狀態下的強度指標相比得到，如式(1)所示。

(1)

式中：Fi為折減系數(i=1，2，…，n)，當巖體處于臨界破壞狀態時為安全系數；c0、φ0分別為初始黏聚力和初始內摩擦角；c′、φ′分別為折減后的黏聚力和內摩擦角。

3 數值模型建立

3.1 模型建立

本文采用midas GTS進行模型建立，巖土體采用摩爾-庫侖本構模型，隧道襯砌及橋基采用線彈性本構模型；隧道埋深為12 m，隧道尺寸見圖2。

圖2 松坎隧道橫斷面圖(單位：cm)

圖中R1、R2、R3分別隧道開挖輪廓拱頂圓、拱墻圓及仰拱圓的半徑，O1和O2分別為拱頂圓和拱墻圓的圓心位置；隧道初支厚0.29 m，二襯厚0.6 m，最大開挖跨度17.147 m，內輪廓最大寬度15.367 m、最大高度9.9 m。隧道有限元模型見圖3，模型尺寸為200 m×70 m，橋基上施加200 kPa的均布力模擬橋梁上部荷載。

圖3 松坎隧道與韓家店大橋主墩有限元模型

3.2 計算參數取值

根據詳勘報告，隧道及樁底部地層為風化巖層，綜合評定為V級圍巖，同時為簡化計算，統一取地層初始黏聚力c0為24 kPa，初始內摩擦角φ0為42°。另外，本次計算中，隧道二襯、橋梁承臺及樁基均采用C30混凝土，初期支護采用C25噴射混凝土。襯砌具體參數見表1。

表1 襯砌主要物理力學參數表

4 計算結果分析

4.1 隧道施工整體穩定性分析

隧道開挖后圍巖塑性區分布圖見圖4，從圖中可以看出：在未對巖土體進行強度折減的條件下，圍巖塑性區主要分布在隧道拱腳兩側，但塑性區范圍較小，對隧道結構和橋梁結構的影響較小；而在臨界條件下，即巖土體的折減系數為2.4時，兩隧道中心拱腰處出現貫通地表的塑性區，此時橋梁結構兩側也出現小范圍的塑性區，此時隧道和橋梁結構已經處于危險狀態。由此可知，本工程中隧道施工的整體安全系數約為2.4。

圖4 隧道開挖后圍巖塑性區分布圖

4.2 不同強度折減系數下隧道穩定性分析

不同強度折減系數下隧道沉降及水平收斂圖見圖5。

圖5 不同強度折減系數下隧道最大沉降及差異沉降圖

由圖5可見，隨著折減系數的增加，隧道拱頂沉降在折減系數大于1.5后開始急劇增加，隧道水平收斂在折減系數大于1.3后開始急劇增加，但兩者的總體變形量均較小；根據上一節可知隧道施工的整體安全系數為2.4，而本節中折減系數大于1.5后已經出現拱頂沉降快速變形，說明以拱頂沉降作為判據判定隧道施工時的整體安全性存在不足，隧道發生較大沉降可能是因為在模擬圍巖強度折減的過程中，由于圍巖參數變化導致隧道結構發生較大變形，但由于襯砌等支護措施的存在，隧道結構仍處于安全狀態，總體變形較少。

4.3 不同強度折減系數下橋梁穩定性分析

不同強度折減系數下隧道最大沉降及差異沉降圖見圖6。

圖6 不同強度折減系數下隧道沉降及水平收斂圖

由圖6可見，當折減系數小于2.4時，橋梁處于穩定狀態，橋梁最大差異沉降和最大沉降均較小，隧道施工對橋梁的影響很小；當折減系數大于2.4時，橋梁最大沉降開始急劇增加，當折減系數大于2.6時，橋梁的最大差異沉降也開始上升，橋梁已經處于危險狀態，隧道施工將對橋梁沉降變形造成較大影響，嚴重時將危及橋梁的運營安全；結合前一節塑性區發展的結論可以看出，本工程中隧道開挖的安全系數約為2.4。

4.4 隧道與橋基間距對安全性系數的影響

分別建立15，20，25，30，35，40 m隧道與橋基不同間距的工況，探究隧道與橋基間距對施工安全系數的影響。不同間距下施工安全系數變化見圖7。

圖7 不同間距下施工安全系數變化圖

由圖7可見，當隧道與橋基間距小于25 m時，隧道施工的安全系數有了較大降低，在該種情況下施工，極有可能對橋基造成較大影響；當隧道距離大于25 m時，隧道施工的安全系數較高，且變化量較小，再增加安全距離意義不大。因此結合數值模擬結果，建議隧道設計位置距離橋基的間距應大于25 m，這也證明了本工程實際施工時預留29.7 m的間距是合理的。

5 結論

1) 塑性區最開始出現在隧道拱腳位置，最終貫通過程出現在兩隧道中間，由拱腰延伸至地面。

2) 以拱頂沉降作為隧道施工整體穩定性分析的判據存在不足，應結合塑性區貫通情況合理分析隧道施工的整體安全系數。

3) 當折減系數小于2.4時，橋梁最大差異沉降和最大沉降均較小，隧道施工對橋梁的影響很小；當折減系數大于2.4時，橋梁已經處于危險狀態，因此綜合確定本工程中隧道施工整體安全系數為2.4。

4) 當隧道與橋基間距大于25 m時，隧道施工的安全系數較高，且變化量較小，再增加安全距離意義不大，實際設計方案是安全合理的。