馮廣

（廣東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院集團(tuán)股份有限公司，廣東 廣州 510635）

0 引言

“十三五”以來(lái)，大批公路和鐵路重點(diǎn)項(xiàng)目順利實(shí)施，也出現(xiàn)了大量近接工程施工，對(duì)此類問(wèn)題需專門采取對(duì)策以防止施工過(guò)程中對(duì)臨近既有建、構(gòu)筑物產(chǎn)生不利影響。對(duì)近接工程的研究已成為當(dāng)前地下工程研究的重要方向之一[1-2]。目前諸多學(xué)者對(duì)大跨度小凈距隧道的設(shè)計(jì)與施工方法、施工過(guò)程中的力學(xué)行為、中夾巖柱穩(wěn)定性等方面進(jìn)行了卓有成效的研究[3-5]。但國(guó)內(nèi)外對(duì)在既有隧道旁新建小凈距超大跨度隧道的研究尚不多見。

為了更好地確定小凈距隧道在不同凈距條件下新建超大跨度隧道施工過(guò)程中的力學(xué)行為，本文以沈海高速汕尾陸豐至深圳龍崗段改擴(kuò)建工程圓墩隧道為為依托，以隧道洞口淺埋段Ⅴ級(jí)圍巖為研究對(duì)象，利用有限元軟件建立了多個(gè)模型，研究不同凈距條件下施工過(guò)程中隧道的受力和變形，并研究其對(duì)臨近既有隧道的影響，可為類似工程設(shè)計(jì)和施工提供參考。

1 工程地質(zhì)概況

1.1 工程概況

沈海高速既有圓墩山隧道位于廣東省汕尾市海豐縣，設(shè)計(jì)為雙向四車道分離式隧道，設(shè)計(jì)時(shí)速80km/h，既有隧道限界標(biāo)準(zhǔn)為單洞凈寬10.0m，凈高7.21m，行車道寬2m×3.5m，檢修道有效寬度0.5m，隧道結(jié)構(gòu)采用復(fù)合式襯砌和模筑襯砌。

沈海高速汕尾陸豐至深圳龍崗段改擴(kuò)建工程新建圓墩1 號(hào)隧道為單洞四車道超大跨度隧道，設(shè)計(jì)時(shí)速120km/h，隧道長(zhǎng)467m，隧道建筑限界凈寬20.25m，凈高12.3m，隧道最大開挖寬度22.65m，圖1為隧道內(nèi)輪廓設(shè)計(jì)圖。

圖1 隧道內(nèi)輪廓設(shè)計(jì)圖

1.2 地質(zhì)條件

隧道穿過(guò)山區(qū)地貌，地面標(biāo)高17.6～131.5m，相對(duì)高差約113.9m，山體植被發(fā)育，地形陡峻。

根據(jù)鉆孔及地質(zhì)調(diào)繪成果可知，隧址區(qū)地層巖性為坡殘積粉質(zhì)粘土、侏羅系砂巖及其風(fēng)化層。隧址區(qū)地下水類型為第四系松散層孔隙水及基巖裂隙水，分別賦存于坡殘積層、基巖巖層，水位埋深隨季節(jié)變化，水量受基巖裂隙發(fā)育程度影響，局部破碎帶可能富集。地下水以大氣降雨補(bǔ)給為主，以蒸發(fā)、側(cè)向徑流為主要排泄方式。隧址區(qū)山體連綿起伏，植被茂盛，地下水補(bǔ)給充足，總體而言，隧址區(qū)地下水量較豐富。

2 數(shù)值模型建立與參數(shù)選取

2.1 數(shù)值模擬工況選擇

為研究不同凈距條件下，施工過(guò)程中的隧道變形及力學(xué)特征以及對(duì)臨近既有隧道的影響程度，本文以沈海高速汕尾陸豐至深圳龍崗段改擴(kuò)建工程為依托，以圓墩1號(hào)隧道洞口淺埋段Ⅴ級(jí)圍巖為研究對(duì)象，通過(guò)有限元計(jì)算方法，研究隧道凈距變化對(duì)圍巖力學(xué)行為及穩(wěn)定性的影響規(guī)律，并以此判斷對(duì)運(yùn)營(yíng)隧道的影響。本次研究選取凈距為0.3D、0.4D、0.5D、0.6D、0.8D、1D（D=21.6m，隧道開挖寬度）等6種工況建立數(shù)值模型，分析其力學(xué)特性。

2.2 模型簡(jiǎn)化與參數(shù)選取

選取隧道洞身Ⅴ級(jí)圍巖淺埋段典型斷面進(jìn)行計(jì)算，該斷面平均埋深約40m，圍巖以侏羅系強(qiáng)～中風(fēng)化砂巖為主，巖體較破碎，裂隙較發(fā)育。四車道隧道初支采用0.3m厚C25噴射混凝土和HW200a鋼架，鋼架間距為50cm，錨桿采用Φ50 注漿小導(dǎo)管，錨桿長(zhǎng)度為L(zhǎng)=5m，間距為100cm×100cm，臨時(shí)支護(hù)采用26cm 厚C25 噴射混凝土，Ⅰ22b型鋼支撐。隧道圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

表1 隧道圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)表

為簡(jiǎn)化模型，隧道所用錨桿用錨桿加固圈代替，鋼支撐通過(guò)抗壓剛度相等的原則，將彈性模量折算到混凝土中，計(jì)算公式為：

式中：

E——折算以后混凝土的彈性模量；

E0——原混凝土的彈性模量；

Sg——鋼拱架截面面積；

Eg——鋼材彈性模量；

Sc——混凝土截面積。

2.3 數(shù)值計(jì)算模型建立

模型尺寸為：隧道橫向取170m（大于3.5倍洞徑），豎直方向上，向下取至隧道仰拱以下60m，向上取至地表。由于既有隧道已通車20余年，可認(rèn)為初期支護(hù)已與圍巖共同形成一個(gè)整體，故本次模擬僅考慮既有隧道二襯的支護(hù)作用。為滿足計(jì)算精度且能提高計(jì)算效率，從隧道結(jié)構(gòu)至外側(cè)網(wǎng)格逐漸稀疏，建立的隧道數(shù)值模型如圖2所示。

圖2 有限元分析模型

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

3.1 新建隧道圍巖受力分析

在新奧法施工中，承載地應(yīng)力的主要是圍巖體本身，采用錨噴支護(hù)的主要作用是使圍巖體自身的承載能力得到最大限度的發(fā)揮。因此從某種程度來(lái)講，圍巖所起的作用最為重要。在既有隧道旁新建超大跨度隧道勢(shì)必引起圍巖應(yīng)力重新分布，從而導(dǎo)致周邊構(gòu)筑物產(chǎn)生沉降、變形甚至破壞。因此，對(duì)不同凈距條件下圍巖應(yīng)力的分布和變化進(jìn)行研究具有極其重要的意義。限于篇幅，僅列出0.3D和1D2種工況下圍巖第一主應(yīng)力云圖，見圖3。

圖3 不同凈距下圍巖最大主應(yīng)力云圖

對(duì)圖3進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，不同凈距下圍巖應(yīng)力的分布大致呈現(xiàn)相同的規(guī)律，即新建的超大跨度隧道在拱肩和仰拱兩側(cè)出現(xiàn)拉應(yīng)力，在拱腳尤其是靠中夾巖一側(cè)出現(xiàn)了較為集中的壓應(yīng)力，且凈距越小，最大拉應(yīng)力和壓應(yīng)力越大，對(duì)圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性越不利?？紤]到隧道軟弱圍巖抗拉強(qiáng)度極低，設(shè)計(jì)及施工過(guò)程中需重點(diǎn)關(guān)注隧道拉應(yīng)力集中的部位，即兩側(cè)拱肩，通過(guò)加強(qiáng)超前支護(hù)及初期支護(hù)等措施防范于未然。

3.2 新建隧道圍巖位移分析

對(duì)軟弱圍巖超大跨度小凈距隧道，控制施工引起的圍巖位移是確保施工安全的重要手段。因此研究圍巖的變形和穩(wěn)定情況，揭示其內(nèi)在變化規(guī)律對(duì)設(shè)計(jì)及施工均具有重要指導(dǎo)意義。0.3D和1D兩種工況下，圍巖豎向位移云圖見圖4所示，不同凈距下圍巖最大沉降見圖5所示。

圖4 不同凈距下圍巖豎向位移云圖

圖5 不同凈距下圍巖最大沉降（單位：mm）

從圖4～圖5可知：新建超大跨度隧道時(shí)，新建隧道周邊圍巖的變形規(guī)律大致相同，在拱頂出現(xiàn)沉降，在仰拱底部出現(xiàn)隆起。且隧道凈距變化對(duì)淺埋段地表沉降及隧道拱頂圍巖沉降具有顯著影響，凈距越小，地表及拱頂沉降量越大。凈距由0.6D變化至0.5D時(shí)，拱頂沉降變化較為明顯，增大了17.3%；凈距由0.5D變化至0.3D時(shí)，拱頂沉降變化不大，僅增大了10.7%。

3.3 新建隧道對(duì)既有隧道的影響

3.3.1 既有隧道位移分析

圖6為不同凈距條件下既有隧道的水平和豎向位移。從圖6中可以看出：小凈距新建超大跨度隧道會(huì)使既有隧道產(chǎn)生向下的沉降和指向遠(yuǎn)離新建隧道一側(cè)的水平位移，這主要是因?yàn)樾陆ㄋ淼赖拈_挖，使圍巖應(yīng)力重新分布，原來(lái)的平衡狀態(tài)被打破，既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)在左側(cè)側(cè)向圍巖壓力的強(qiáng)迫作用下，發(fā)生向右的位移，凈距越小，新建隧道的施工對(duì)既有隧道的不利影響越大。凈距由0.4D變化至0.3D時(shí)，既有隧道水平位移和拱頂沉降變化最為明顯，其中水平位移增大了27.2%，拱頂沉降增大了17.9%。

圖6 不同凈距下既有隧道最大水平位移和拱頂沉降（單位：mm）

3.3.2 既有隧道應(yīng)力增量分析

對(duì)近接工程施工過(guò)程中的安全性判別，應(yīng)以既有隧道的變形或受力特征來(lái)進(jìn)行評(píng)估。根據(jù)日本接近既有隧道施工對(duì)策指南中的相關(guān)研究，對(duì)于襯砌應(yīng)力可參照采用以下基準(zhǔn)值[6]來(lái)進(jìn)行判斷。

因依托工程圓墩山隧道已通車20余年，根據(jù)過(guò)往定檢報(bào)告，隧道多處存在縱向、環(huán)向及斜向裂縫，但尚未出現(xiàn)影響行車安全的危險(xiǎn)性損傷。根據(jù)表2可判斷其健全度為“有不影響隧道功能的損傷”，故取拉應(yīng)力增加容許值為0.5MPa，壓應(yīng)力增加容許值為2MPa。

表2 襯砌應(yīng)力增加容許值（MPa）

各工況下，既有隧道第一和第三主應(yīng)力增量具體數(shù)值如表3所示。根據(jù)表3可知，當(dāng)凈距不小于0.5D時(shí)，新建超大跨度隧道使既有隧道產(chǎn)生的拉壓應(yīng)力增量均不會(huì)超過(guò)其容許值，表明既有隧道結(jié)構(gòu)是安全的；當(dāng)凈距小于0.5D時(shí)，既有隧道最大拉應(yīng)力增量未超過(guò)其容許值0.5MPa，但最大壓應(yīng)力增量已超過(guò)其容許值2MPa，表明此時(shí)既有隧道結(jié)構(gòu)處于不穩(wěn)定狀態(tài)，有可能發(fā)生破壞。因此，對(duì)于軟弱圍巖超大跨度小凈距隧道，最小凈距不宜小于0.5倍單洞跨度，在路線方案設(shè)計(jì)階段，隧道凈距選擇時(shí)需尤其注意。

表3 既有隧道各點(diǎn)主應(yīng)力增加值（MPa）

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，本文以沈海高速汕尾陸豐至深圳龍崗段改擴(kuò)建工程圓墩隧道為依托，以隧道洞口淺埋段Ⅴ級(jí)圍巖為研究對(duì)象，通過(guò)ANSYS數(shù)值模擬軟件計(jì)算分析了不同凈距條件下，新建超大跨度隧道自身和既有隧道的應(yīng)力和變形情況，得出了以下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）在既有隧道旁新建超大跨度隧道時(shí)，不同凈距下，其內(nèi)力和變形規(guī)律基本相同：即在拱肩和仰拱兩側(cè)出現(xiàn)拉應(yīng)力，在拱腳尤其是靠中夾巖一側(cè)出現(xiàn)了較為集中的壓應(yīng)力，且凈距越小，最大拉壓應(yīng)力越大，圍巖變形也越大。

（2）小凈距新建超大跨度隧道會(huì)使既有隧道產(chǎn)生向下的沉降和指向遠(yuǎn)離新建隧道一側(cè)的水平位移，凈距由0.4D變化至0.3D時(shí)，既有隧道水平位移和拱頂沉降變化最為明顯，其中水平位移增大了27.2%，拱頂沉降增大了17.9%。

（3）小凈距新建超大跨度隧道會(huì)使既有隧道產(chǎn)生應(yīng)力增量，當(dāng)凈距小于0.5D時(shí)，最大壓應(yīng)力增量已超過(guò)其容許值2MPa。因此，對(duì)于軟弱圍巖超大跨度小凈距隧道，建議最小凈距不宜小于0.5倍單洞跨度。