林秀桂，葛競(jìng)輝，曹詩(shī)定

(上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司，上海市 200092)

與既有隧道平行小凈距的新建連拱隧道設(shè)計(jì)、施工方案優(yōu)化研究

林秀桂，葛競(jìng)輝，曹詩(shī)定

(上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司，上海市 200092)

分析新建隧道對(duì)既有隧道的影響，并對(duì)既有隧道的安全度進(jìn)行合理評(píng)價(jià)，是實(shí)際工程中經(jīng)常遇到的難題。擬建的新疆烏魯木齊市雅山連拱隧道工程，與既有隧道平行、小近距?，F(xiàn)根據(jù)該隧道工程在設(shè)計(jì)施工中遇到的實(shí)際難題，就新建隧道施工對(duì)既有隧道的影響展開(kāi)分析研究。經(jīng)優(yōu)化分析，通過(guò)嚴(yán)格執(zhí)行“早封閉、二襯緊跟”，盡早完成支護(hù)結(jié)構(gòu)施作，采用合理的施工工法，并對(duì)新建隧道底部進(jìn)行注漿加固，可有效地減小新建隧道對(duì)既有隧道的影響。其成果可供國(guó)內(nèi)類(lèi)似工程參考。

平行小凈距;連拱隧道;設(shè)計(jì);施工;優(yōu)化;注漿加固

0 引言

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，我國(guó)的交通建設(shè)進(jìn)入了一個(gè)新的高潮期，公路隧道正在進(jìn)行著大規(guī)模的新一輪建設(shè)。進(jìn)入21世紀(jì)，居民的環(huán)保意識(shí)不斷增強(qiáng)，伴隨著“環(huán)保路”、“生態(tài)路”等新理念的出現(xiàn)，以及城市用地的緊張、對(duì)耕地的保護(hù)等，導(dǎo)致隧道在修建中，復(fù)線隧道、小間距隧道、城市雙線隧道的建設(shè)項(xiàng)目不斷啟動(dòng)。在復(fù)線修建的過(guò)程中，經(jīng)常出現(xiàn)新建隧道與既有線隧道間距非常小的情況。分析新建隧道對(duì)既有隧道的影響，并對(duì)既有隧道的安全度進(jìn)行合理評(píng)價(jià)，成為實(shí)際工程中經(jīng)常遇到的難題。國(guó)內(nèi)外的相關(guān)研究較少，缺乏可借鑒的成功經(jīng)驗(yàn)。從現(xiàn)有資料看，研究新隧道施工對(duì)既有隧道的影響時(shí)，主要側(cè)重于施工爆破震動(dòng)對(duì)既有結(jié)構(gòu)安全性的監(jiān)測(cè)和既有隧道穩(wěn)定性的模擬研究上，且研究對(duì)象多為鐵路隧道。擬建的新疆烏魯木齊市雅山連拱隧道工程，與既有隧道平行、小近距。本文根據(jù)該隧道工程設(shè)計(jì)施工中遇到的實(shí)際問(wèn)題，就新建隧道施工對(duì)既有隧道的影響展開(kāi)了分析研究，取得的初步成果可供類(lèi)似工程參考。

1 工程概況

1.1 隧道概況

烏魯木齊市外環(huán)快速路道路擴(kuò)容改建工程(二期)共設(shè)置蜘蛛山和雅山兩處隧道。擬建的雅山隧道穿越雅馬里克山，雙向4車(chē)道。根據(jù)隧道周邊環(huán)境和覆土深度，雅山隧道分為山嶺隧道和明挖隧道。

擬建場(chǎng)地內(nèi)現(xiàn)狀既有雅山隧道，長(zhǎng)445 m，為分離式雙向4車(chē)道，隧道凈距約28 m，工程影響范圍內(nèi)現(xiàn)狀隧道為素混凝土結(jié)構(gòu)，抗彎承載能力低。

擬建隧道平面線位位于現(xiàn)狀雅山隧道左線和右線隧道之間，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為雙向4車(chē)道山嶺隧道，擬建隧道暗挖段采用連拱隧道形式，明挖段采用箱型結(jié)構(gòu)形式，與現(xiàn)狀隧道水平最小凈距一米多，豎向最小凈距約9.6 m(擬建隧道位于上方)，屬于近距離施工隧道。擬建隧道全長(zhǎng)345 m，其中明挖段190 m，連拱山嶺隧道155 m(見(jiàn)表1)。

表1 擬建隧道參數(shù)表

新老隧道之間關(guān)系如圖1所示。

圖1 新老隧道相互關(guān)系圖

1.2 工程地質(zhì)條件

根據(jù)地質(zhì)詳勘報(bào)告，擬建隧道所處地貌單元為雅瑪里克中低山。擬建隧道走廊帶內(nèi)出露的地層為古生界、新生界，具體為二疊系蘆草溝組P2 (LC)地層，該巖石組合可細(xì)分為8個(gè)段1個(gè)層，總厚2 270.4 m。各段之間均為整合接觸。隧道段接觸為第3段和第4段。上部覆蓋層為第四系(Q)。具體如下:

①1含礫黃土狀粉土:(Qal+pl3b+4)褐色、褐紅色，隧道兩側(cè)山坡分布，層厚1.0～2.0 m，土質(zhì)不均勻，空隙發(fā)育，具斜層理，含少量礫石，局部夾薄層粉砂。

②角礫:(Q3b+4dl)灰黃色，隧道兩側(cè)山坡分布，層厚1.0～2.0 m。骨架顆粒交錯(cuò)排列，部分接觸，一般粒徑約為2～20 mm，最大粒徑約為150 mm。粒徑大于2 mm的顆粒質(zhì)量占總質(zhì)量的60%～80%。磨圓度差，多呈棱角狀。顆粒級(jí)配較一般，充填物主要以粉土、粉砂為主。

③1強(qiáng)風(fēng)化基巖:P2(LCc、LCd)青灰色、黃褐色、灰綠色。層頂埋深1.0～2.0 m。層厚3.0～5.0 m。巖性下部為粉質(zhì)粉砂巖、鈣質(zhì)長(zhǎng)石巖屑砂巖，上部為含泥粉砂質(zhì)灰?guī)r及少量泥灰?guī)r、長(zhǎng)石巖屑砂巖。均為粉砂狀結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，主要礦物成份由長(zhǎng)石、石英組成，中夾泥巖、泥灰?guī)r薄層，結(jié)構(gòu)大部分破壞，礦物成分顯著變化，風(fēng)化裂隙很發(fā)育，巖體破碎。

④1中風(fēng)化基巖:P2(LCc、LCd)青灰色、黃褐色、灰綠色。層頂埋深6.0～9.0 m。勘探深度未揭穿。巖性下部為粉質(zhì)粉砂巖、鈣質(zhì)長(zhǎng)石巖屑砂巖，上部為含泥粉砂質(zhì)灰?guī)r及少量泥灰?guī)r、長(zhǎng)石巖屑砂巖。粉砂狀結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，主要礦物成份由長(zhǎng)石、石英組成，中夾泥巖、泥灰?guī)r薄層，結(jié)構(gòu)部分破壞，風(fēng)化裂隙發(fā)育，巖體被切割成巖塊。

1.3 新建連拱隧道支護(hù)參數(shù)

擬建隧道位于V級(jí)圍巖中，采用曲墻拱形雙連拱鋼筋混凝土襯砌，并設(shè)置仰拱，中墻形式采用整體式中墻。初襯采用300 mm厚C25噴射混凝土，φ25中空注漿錨桿，輔以φ8鋼筋網(wǎng)片和I20a型鋼拱架;二襯采用550 mm厚C35模筑鋼筋混凝土。

擬建隧道結(jié)構(gòu)橫斷面布置如圖2所示。

圖2 擬建隧道結(jié)構(gòu)橫斷面圖

2 擬建隧道設(shè)計(jì)施工方案優(yōu)化

為保證擬隧道順利施工、降低施工風(fēng)險(xiǎn)，并確保既有隧道結(jié)構(gòu)安全，須對(duì)擬建隧道設(shè)計(jì)施工方案進(jìn)行數(shù)值模擬分析，以獲得最佳設(shè)計(jì)施工方案。

根據(jù)地質(zhì)勘察資料，取隧道典型工況建立二維數(shù)值計(jì)算模型(見(jiàn)圖3)。

巖土本構(gòu)模型采用D-P模型。巖土計(jì)算參數(shù)根據(jù)地質(zhì)詳勘報(bào)告并結(jié)合以往類(lèi)似工程數(shù)值分析經(jīng)驗(yàn)選取。

為減小擬建隧道對(duì)既有隧道的影響，根據(jù)類(lèi)似工程經(jīng)驗(yàn)，從施工工法、支護(hù)時(shí)機(jī)、加固方案三個(gè)方面對(duì)擬建隧道的設(shè)計(jì)、施工方案進(jìn)行優(yōu)化分析。

2.1 不同施工方法對(duì)既有隧道內(nèi)力影響分析

連拱隧道施工時(shí)常采用的施工方法有兩種:中導(dǎo)洞+臺(tái)階法和三導(dǎo)洞法。前者施工步序較少，施工難度小;后者施工步序較復(fù)雜，施工難度大。兩種施工方法的施工步序圖如圖4、圖5所示。

中導(dǎo)洞+臺(tái)階法施工步驟:

(1)開(kāi)挖中導(dǎo)洞并施工中隔墻;

(2)依次施工左洞2～4臺(tái)階并施工其初期支護(hù);

(3)施工左洞二襯襯砌;

(4)依次施工右洞5～7臺(tái)階并施工其初期支護(hù);

(5)施工右洞二襯襯砌。

三導(dǎo)洞法施工步驟:

(1)開(kāi)挖中導(dǎo)洞并施工中隔墻;

圖3 隧道計(jì)算模型

圖4 中導(dǎo)洞+臺(tái)階法施工步序圖

圖5 三導(dǎo)洞法施工步序圖

(2)開(kāi)挖左側(cè)導(dǎo)洞并施工其初期支護(hù);

(3)開(kāi)挖右側(cè)導(dǎo)洞并施工其初期支護(hù);

(4)依次施工左洞4～6臺(tái)階并施工其初期支護(hù);

(5)施工左洞二襯襯砌;

(6)依次施工右洞7～9臺(tái)階并施工其初期支護(hù);

(7)施工右洞二襯砌。

以彎矩作為代表，不同施工方法引起既有隧道內(nèi)力數(shù)值如圖6所示。

圖6 不同施工方法引起既有隧道內(nèi)力(彎矩)對(duì)比圖

經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，三導(dǎo)洞法施工單次開(kāi)挖斷面尺寸小，擬建隧道采用三導(dǎo)洞開(kāi)挖方案較臺(tái)階法開(kāi)挖對(duì)既有結(jié)構(gòu)影響較小:前者內(nèi)力增加量?jī)H為后者73%。

故新建隧道宜采用三導(dǎo)洞開(kāi)挖方案。

2.2 隧道支護(hù)時(shí)機(jī)對(duì)既有隧道內(nèi)力影響分析

巖土體普遍存在時(shí)空效應(yīng)。以隧道開(kāi)挖為例，圍巖開(kāi)挖暴露后，在未進(jìn)行任何支護(hù)情況下，能自行持續(xù)穩(wěn)定一段時(shí)間，即圍巖自穩(wěn)時(shí)間。圍巖自穩(wěn)時(shí)間即是巖土體時(shí)空效應(yīng)的一種體現(xiàn)。

現(xiàn)在的隧道設(shè)計(jì)，常采用新奧法進(jìn)行支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。新奧法以維護(hù)和利用圍巖的自承能力為基點(diǎn)，采用錨桿和噴射混凝土為主要支護(hù)手段，強(qiáng)調(diào)及時(shí)進(jìn)行支護(hù)，控制圍巖的變形和松弛，使圍巖成為支護(hù)體系的組成部分，并通過(guò)對(duì)圍巖和支護(hù)的量測(cè)、監(jiān)控來(lái)指導(dǎo)隧道施工。采用新奧法設(shè)計(jì)，即容許圍巖發(fā)生一定變形，以充分發(fā)揮其自身承載能力，二襯僅承擔(dān)一部分巖土荷載，甚至僅作為安全儲(chǔ)備。

在該項(xiàng)工程中，若仍舊秉著及時(shí)支護(hù)的思想，容許圍巖發(fā)生適量變形，則意味著對(duì)既有隧道將產(chǎn)生較為不利的影響。

通過(guò)調(diào)整數(shù)值模型中各施工步序中圍巖荷載釋放系數(shù)，可模擬擬建隧道支護(hù)時(shí)機(jī)對(duì)既有隧道的影響。當(dāng)容許圍巖發(fā)生適量變形后再進(jìn)行支護(hù)時(shí)，可認(rèn)為圍巖荷載基本上在一到兩個(gè)施工步內(nèi)釋放;而隧道開(kāi)挖后立即進(jìn)行支護(hù)結(jié)構(gòu)施工、單個(gè)斷面開(kāi)挖完成后立即施作二襯時(shí)，可認(rèn)為圍巖荷載在三到四個(gè)(甚至更多)施工步序中釋放(見(jiàn)圖7)。

通過(guò)數(shù)值分析發(fā)現(xiàn)，通過(guò)加快支護(hù)結(jié)構(gòu)施工，可將新隧道施工所引起的既有隧道內(nèi)力增量減少10%左右。

因此，鑒于該項(xiàng)工程的特殊性，不建議采用新奧法的思路來(lái)到指導(dǎo)隧道施工，而在施工中宜通過(guò)嚴(yán)格執(zhí)行“早封閉、二襯緊跟”，減小新建隧道的暴露時(shí)間，減小圍巖變形的釋放量，以減少新建隧道施工對(duì)既有隧道的影響。

2.3 拱底注漿加固對(duì)既有隧道變形的影響分析

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，要減少隧道施工對(duì)附近建(構(gòu))筑物的影響，對(duì)隧道周邊圍巖進(jìn)行加固處理是較為有效的手段。在該項(xiàng)工程中，被保護(hù)隧道位于隧道側(cè)下方，則應(yīng)對(duì)新建隧道底部圍巖進(jìn)行注漿加固。圖8為新隧道施工后既有隧道的位移圖。

圖7 隧道不同支護(hù)時(shí)機(jī)引起既有隧道內(nèi)力(彎矩)對(duì)比圖

圖8 新隧道施工后既有隧道的位移圖

數(shù)值分析結(jié)果表明:新建隧道采用仰拱注漿加固后，對(duì)既有隧道所引起的變形量和內(nèi)力增量都將顯著減小。如新隧道仰拱不作加固處理時(shí)，既有隧道最大變形量為2.5 mm;而采用注漿加固時(shí)，最大變形量?jī)H為1.6 mm。

可見(jiàn)，通過(guò)在新隧道仰拱部位進(jìn)行注漿加固，可有效地減小新隧道施工對(duì)既有隧道結(jié)構(gòu)的影響。

3 優(yōu)化后新建隧道施工對(duì)既有隧道的影響分析

3.1 既有隧道的變形分析

根據(jù)優(yōu)化分析結(jié)果，最終確定新建隧道采用三導(dǎo)洞法開(kāi)挖，在新建隧道仰拱部位設(shè)置超前注漿管進(jìn)行超前注漿加固，并在施工時(shí)嚴(yán)格執(zhí)行“早封閉、二襯緊跟”的原則。此時(shí)，新建連拱隧道施工后，巖土體中位移場(chǎng)如圖9所示。

圖9 隧道周?chē)灰茍?chǎng)分布圖

計(jì)算結(jié)果表明，連拱隧道施工完成后，新隧道最大變形量為17 mm，既有隧道最大變形量為1.6 mm。

3.2 既有隧道的安全性評(píng)價(jià)

根據(jù)既有隧道竣工資料，既有隧道主要位于IV級(jí)圍巖中，利用荷載結(jié)構(gòu)法計(jì)算的既有隧道初始內(nèi)力值。將既有隧道原結(jié)構(gòu)內(nèi)力與新隧道施工時(shí)增加的結(jié)構(gòu)內(nèi)力相疊加，可得新隧道施工后既有隧道最不利部位總內(nèi)力組合。

經(jīng)驗(yàn)算，既有隧道結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)安全。

3.3 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

為及時(shí)掌握已建隧道結(jié)構(gòu)在新建隧道開(kāi)挖過(guò)程中的動(dòng)態(tài)和結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定狀態(tài)，為新建隧道施工提供全面、系統(tǒng)的信息資料，力學(xué)分析及為新建隧道施工工法提供信息依據(jù)，確保新老隧道安全和穩(wěn)定，隧道施工時(shí)對(duì)新建、既有隧道展開(kāi)了針對(duì)性的監(jiān)控量測(cè)。

既有雅山隧道右線變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)如圖10所示。各測(cè)點(diǎn)沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖11所示。

圖10 既有隧道監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖

圖11 既有隧道各測(cè)點(diǎn)沉降監(jiān)測(cè)曲線圖

同時(shí)對(duì)新建隧道地表下沉、凈空收斂、拱頂下沉進(jìn)行檢測(cè)。新建隧道典型斷面拱頂下沉曲線如圖12所示。

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，施工期間，既有隧道變形最大幅值小于2.0 mm(沉降監(jiān)測(cè)曲線振蕩可能由現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量誤差引起)，新建隧道拱頂最大沉降約為12 mm，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值分析結(jié)果基本相符。

圖12 新建隧道典型斷面拱頂下沉監(jiān)測(cè)曲線圖

4 結(jié)論

擬建隧道平面線位位于現(xiàn)狀雅山隧道左線和右線隧道之間，擬建隧道與既有隧道最小間距僅14.05 m，屬近距離施工隧道。既有隧道為素混凝土結(jié)構(gòu)，抗彎承載能力低，且距離擬建隧道過(guò)近，設(shè)計(jì)難度相當(dāng)大。為保證新隧道順利施工，降低工程風(fēng)險(xiǎn)，并確保既有隧道結(jié)構(gòu)安全，通過(guò)一系列數(shù)值分析，對(duì)設(shè)計(jì)和施工方案進(jìn)行了優(yōu)化，最終確定新建隧道采用三導(dǎo)洞法開(kāi)挖，對(duì)新建隧道仰拱部位進(jìn)行了超前注漿加固，并在施工時(shí)嚴(yán)格執(zhí)行“早封閉、二襯緊跟”的原則。經(jīng)計(jì)算，新建隧道施工后，既有隧道仍可保證安全系數(shù)滿足規(guī)范要求。將優(yōu)化后的設(shè)計(jì)和施工方案應(yīng)用于實(shí)際工程，目前，該新建隧道已順利貫通，施工期間新、老隧道變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與分析結(jié)果基本相符，既有隧道亦未發(fā)生襯砌開(kāi)裂等現(xiàn)象，可見(jiàn)該項(xiàng)目所采取的施工方法、加固方案較有效，可供國(guó)內(nèi)類(lèi)似工程參考。

TU455

B

1009-7716(2015)11-0088-05

2015-08-14

林秀桂(1968-)，女，廣西人，教授級(jí)高級(jí)工程師，從事巖土工程、隧道及地下結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)研究工作。