新建隧道開挖對鄰近現(xiàn)狀隧道的影響分析

周貴兵

(上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司, 上海 200000)

新建隧道開挖將引起周邊圍巖應力重分布，繼而影響到鄰近建、構筑物的受力及變形[1-4]。鑒于此，需對新建隧道開挖所產生的效應進行分析并加以控制，以保證鄰近建、構筑物的安全。

現(xiàn)狀二峨山隧道為國道G213的一部分，是連接成都、仁壽的主要通道之一；現(xiàn)狀二峨山隧道全長約2.3 km，建設標準為雙向兩車道，設計時速為80 km/h，隧道于2012年1月建成通車，隧道建成后將原來的上路減少20 km，將兩地的通行時間減少約20 min，社會效益明顯。近幾年兩地的經濟快速發(fā)展，成都與仁壽的聯(lián)系愈加頻繁，現(xiàn)狀二峨山隧道已經成為兩地交流的交通瓶頸，需進行擴容改建，擴容改建方式采取在現(xiàn)狀隧道南側新建一條隧道。

1 工程概況

1.1 隧道概況

新建二峨山隧道位于成都平原南部的仁壽縣鋼鐵鄉(xiāng)境內，隧址處地貌為低山與丘陵區(qū)。新建隧道設計為單向兩車道，與現(xiàn)狀隧道形成雙向四車道道路功能。新建隧道與現(xiàn)狀隧道洞徑保持一致，內輪廓洞徑11.1 m，開挖洞徑12.5～12.8 m。新建隧道與現(xiàn)狀隧道設計為分離式隧道，新舊隧道之間水平凈距為28～30 m，隧道凈距小于2.5D，圍巖等級為Ⅴ級時為小凈距隧道；隧道最大埋深約224 m(圖1)。

圖1

1.2 工程水文地質情況

1.2.1 地質情況

隧址區(qū)域屬四川盆地斷裂構造活動較弱區(qū)，褶皺構造較為發(fā)育，同時伴生有巖體裂隙，對隧道洞身影響較大的因素主要為龍泉山背斜和圍巖裂隙。隧址山體寬緩，地層以侏羅系上統(tǒng)遂寧組及侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組泥巖夾砂巖為主，無煤系地層瓦斯、采空區(qū)等影響，巖質成分以石英、長石、云母為主，黏土礦物成分次之，不具備圍巖膨脹性破壞。

隧址處表層主要為人工填土、粉質黏土、強風化泥巖，深層地層主要為中風化泥巖、中風化砂巖。隧道圍巖主要以Ⅳ、Ⅴ級為主。

1.2.2 地表水

隧址區(qū)內屬亞熱帶氣候，溫暖濕潤，夏季雨量充沛，降雨多集中在7～9月雨季。隧址區(qū)為單一背斜構造，兩側斜坡發(fā)育有縱向沖溝，多為季節(jié)性流水溝，且在山坡上沿溝多修筑池塘水池，沖溝中流水受季節(jié)和人為影響較大，沖溝在兩側坡腳位置匯合后，形成溪流，枯水季節(jié)溝水下滲溝底后無地表水流匯集，常形成斷流。

1.2.3 地下水

擬建區(qū)地下水主要受大氣降水補給，按其所處構造、地形部位及含水介質、賦存條件、補、排條件和水動力特性基本可分為三種含水巖組：松散堆積層孔隙含水帶、基巖風化裂隙含水帶和泥巖、砂巖孔隙裂隙含水組。隧址區(qū)地下水主要儲存于砂巖及泥巖裂隙、孔隙及第四系松散堆積層孔隙之中，一般沿淺表基巖層間裂隙或龍泉山箱型背斜構造裂隙發(fā)育段運移、徑流，再由地勢低洼處以滲漏或泉水形式排泄于地表，隧道穿越地下水補給區(qū)和徑流區(qū)兩段區(qū)域。

(4) 模型修正： 檢驗或修正(不同種群的起始數(shù)量不同，所以起始數(shù)量修正為N0)模型修正為Nt=N0×λt。然后，教師總結。用數(shù)學模型來描述野兔種群增長的規(guī)律，用N0表示野兔種群的起始數(shù)量。λ表示野兔種群數(shù)量每年的增長倍數(shù),Nt表示t年后野兔種群的數(shù)量,那么t年后野兔種群的數(shù)量可用數(shù)學公式可表示為Nt=N0×λt。也可用年份為橫坐標，以種群數(shù)量為縱坐標，繪制成曲線，該曲線形似字母“J”。所以，把該曲線稱為J型曲線。顯然，曲線圖能更直觀地反映種群數(shù)量的增長趨勢，但沒有數(shù)學公式表示的數(shù)學模型精確。綜合這兩種模型,學生就不難理解野兔數(shù)量增長為什么如此之快。

2 隧道襯砌結構及開挖設計

根據(jù)現(xiàn)有隧道設計資料、工程水文地質資料，新建隧道采用新奧法設計，襯砌結構根據(jù)圍巖情況采用復合襯砌。新建隧道及老隧道典型襯砌結構設計如圖2、圖3、表1所示。

圖2 新建隧道Ⅴ級圍巖襯砌斷面(單位:mm)

圖3 新建隧道Ⅳ級圍巖襯砌斷面(單位:mm)

表1 隧道主要結構參數(shù)一覽

新建隧道根據(jù)圍巖等級分別采用CD法(Ⅴ級圍巖)、臺階法(Ⅳ級圍巖)，兩種工法開挖斷面示意圖如圖4、圖5所示。

圖4 新建隧道Ⅴ級圍巖CD法開挖斷面

圖5 新建隧道Ⅳ級圍巖臺階法開挖斷面

3 開挖計算分析

3.1 模型建立

為研究新建二峨山隧道開挖對現(xiàn)狀隧道的影響，分別對Ⅳ級圍巖臺階法的工況和Ⅴ級圍巖CD法的工況進行數(shù)值模擬。計算模型長120 m，高60 m，左側為現(xiàn)狀隧道，右側為新建隧道，根據(jù)隧道縱斷面地質圖，埋深選取22 m，兩隧道內輪廓跨度為11.1 m，高為8.5 m。對于約束條件，模型上方為自由端，其余端設置法向約束。不同圍巖條件下隧道支護結構尺寸見表2。模型均采用2D單元劃分(圖6、圖7)。

圖6 模型尺寸(單位:m)

圖7 計算模型

3.2 計算參數(shù)

圍巖和加固區(qū)考慮為彈塑性材料采用摩爾庫倫模型，初支和二襯考慮為彈性模型。根據(jù)地勘資料和相關規(guī)范[5-6]綜合確定計算參數(shù)，Ⅴ級圍巖加固區(qū)相比Ⅴ級圍巖參數(shù)提高一個亞級，Ⅳ級圍巖不考慮超前支護對圍巖的加固效果，初支進行了等效剛度，具體參數(shù)見表2。

表2 物理力學參數(shù)

3.3 計算結果及分析

計算模型中，現(xiàn)狀隧道完成后，新建隧道根據(jù)圍巖等級按臺階法(Ⅳ級圍巖)和CD法(Ⅴ級圍巖)開挖進行計算，分析新建隧道完成后對現(xiàn)狀隧道的影響。現(xiàn)狀隧道修建完成后將其變形清零，以便更好分析新建隧道對其影響。

3.3.1 應力

圖8 Ⅳ級圍巖現(xiàn)狀隧道完成時現(xiàn)狀隧道最大主應力

圖9 Ⅳ級圍巖現(xiàn)狀隧道完成時現(xiàn)狀隧道最小主應力

圖10 Ⅴ級圍巖現(xiàn)狀隧道完成時現(xiàn)狀隧道最大主應力

圖11 Ⅴ級圍巖現(xiàn)狀隧道完成時現(xiàn)狀隧道最小主應力

圖12 Ⅳ級圍巖新建隧道完成時現(xiàn)狀隧道最大主應力

圖13 Ⅳ級圍巖新建隧道完成時現(xiàn)狀隧道最小主應力

圖14 Ⅴ級圍巖新建隧道完成時現(xiàn)狀隧道最大主應力

圖15 Ⅴ級圍巖新建隧道完成時現(xiàn)狀隧道最小主應力

由圖8～圖15可知，兩種工法新建隧道施工完成后，現(xiàn)狀隧道結構的應力分布形態(tài)基本不變但應力值增大。其中Ⅳ級圍巖臺階法現(xiàn)狀隧道結構均受壓應力，壓應力增加0.25 MPa；Ⅴ級圍巖CD法最大、最小主應力分別增加0.052 MPa(拉應力)和0.31 MPa(壓應力)。新建隧道完成后現(xiàn)狀隧道結構應力值增幅小于襯砌應力增加的容許標準值(拉應力0.3 MPa，壓應力1 MPa)[4]且未超過現(xiàn)狀隧道混凝土設計強度(C30)。

3.3.2 塑性區(qū)

根據(jù)計算模型，得到Ⅳ級圍巖臺階法和Ⅴ級圍巖CD法修建新隧道下圍巖的塑性區(qū)分布情況(圖16)。

表3 現(xiàn)狀隧道各階段應力結果 kPa

(a) Ⅳ級圍巖臺階法

(b) Ⅴ級圍巖CD法圖16 新建隧道完成時圍巖塑性區(qū)

由圖16可知，兩種工況均未使得現(xiàn)狀隧道附近圍巖產生塑性區(qū)。

3.3.3 位移

根據(jù)計算模型，得到Ⅳ級圍巖采用臺階法和Ⅴ級圍巖采用CD法完成新建隧道后現(xiàn)狀隧道的位移變形情況，變形云圖見圖17～圖20。

圖17 Ⅳ級圍巖現(xiàn)狀隧道水平位移(單位:m)

圖18 Ⅳ級圍巖現(xiàn)狀隧道豎向位移(單位:m)

圖19 Ⅴ級圍巖現(xiàn)狀隧道水平位移(單位:m)

圖20 Ⅴ級圍巖現(xiàn)狀隧道豎向位移(單位:m)

由圖17～圖20可知，新建隧道完成后，現(xiàn)狀隧道水平位移往右朝新建隧道方向變形；豎向位移向下，且靠近新建隧道側的變形大于另一側。Ⅳ級圍巖采用臺階法開挖施工時，現(xiàn)狀隧道水平和豎向位移最大值分別為0.05 mm和0.17 mm；Ⅴ級圍巖采用CD法開挖施工時，現(xiàn)狀隧道水平和豎向位移最大值分別為0.15 mm和0.28 mm。根據(jù)以上結果，兩種工況現(xiàn)狀隧道的變形均小于3 mm[7]，符合國內現(xiàn)狀隧道變形控制要求。

4 結論

根據(jù)數(shù)值模擬結果，得出新建隧道對現(xiàn)狀隧道的影響結論如下：

(1)新建隧道按照設計開挖工法所引起的現(xiàn)狀隧道結構應力增加及位移變形均較小且現(xiàn)狀隧道周圍未出現(xiàn)塑性區(qū)，可滿足現(xiàn)狀隧道的安全運行。

(2)新建隧道與現(xiàn)狀隧道雖為小凈距隧道，但隧道凈距總體較大，新建隧道開挖斷面大小適中，新建隧道施工過程中對現(xiàn)狀隧道的影響是可控且易控的。施工中加強對爆破振速的控制，并嚴格按照“管超前、嚴注漿、短開挖、強支護、早封閉、勤量測”方針進行施工，可保證現(xiàn)狀隧道的安全。