邻近既有隧道的新建隧道稳定性控制对策研究

2013-01-16袁文山苏逢彬

铁道标准设计 2013年12期

张帆,袁文山,苏逢彬,张玉

(1.北京首都国际机场股份有限公司,北京 100621； 2.山东东岳国际经贸合作股份有限公司, 济南 250011； 3.山东省冶金设计院股份有限公司,济南 250101)

近年来，随着我国国民经济的迅速发展，大量既有的铁路单线隧道需要修建复线，复线隧道的修建有可能对既有隧道造成较大影响，因此研究既有隧道条件下新建隧道的稳定性控制问题十分必要。

国内学者在从爆破震动对既有隧道的衬砌及中夹岩柱影响[1-5]、新建隧道的施工参数优化[6-8]等方面进行了研究。采用数值模拟的方法，从新建隧道与既有隧道之间的合理岩柱的留设、新建隧道的施工方法以及支护方式等方面，研究新平风岭隧道在邻近既有平风岭隧道条件下的稳定性控制对策问题。

1 工程概况

新平风岭隧道位于山西省古交市，该段为黄土丘陵地貌，主要形态有黄土梁，山峰相连，冲沟发育，多呈“V”字形，地面高程990～1 100 m，最大相对高差110 m。

既有平风岭隧道初期支护采用23 cm厚的喷射混凝土，二次衬砌采用45 cm厚的素混凝土支护。隧道宽6.74 m，高9.10 m，为单线隧道。

新平风岭隧道起止里程DIK48+689～DIK49+565，为全长1 009 m的单线隧道，最大深埋约87 m。全隧道分Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ三种级别围岩。

不良地质与特殊岩土情况如下。

新平风岭隧道进、出口端山坡坡度较陡，偏压严重，基岩裸露，岩性为砂岩夹页岩，岩体受节理切割，风化较严重，山坡上有零星危岩落石。隧道顶部砂质黄土覆盖，结构疏松，垂直节理较发育，具有湿陷性。

2 控制对策分析

采用大型有限差分软件FLAC3D，针对新平风岭隧道地质条件较差的Ⅴ级围岩、偏压严重的洞口段，分别从新建隧道与既有隧道之间留设岩柱尺寸、新建隧道施工方法以及新建隧道支护方案方面进行分析，确定最终的隧道稳定性控制对策。

2.1 模型建立

根据已有的野外勘察地质报告，本次研究的模型计算范围在垂直于隧道轴向方向长85 m，隧道轴向方向取70 m，高程较大处一侧取57 m，较低处一侧取20 m。研究不同间距模型时，模型网格单元和节点数目差值控制在5%以内，对计算影响较小。该模型侧面限制水平移动，底部固定，模型上表面为自由边界。材料破坏符合Mohr-Coulomb强度准则，砂浆锚杆、超前小导管均采用全长粘结式Cable单元模拟。计算采用的不同围岩级别的物理力学参数见表1。

2.2 中夹岩柱留设尺寸分析

针对新建的新平风岭隧道与既有的平风岭隧道的位置关系，均采用23 cm厚喷射混凝土情况下二者之间的间距为D(6.74 m)、8 m、1.5D(10.11 m)3种方案进行数值模拟对比分析，从而确定合理的中夹岩柱的尺寸。3种方案模拟的位移场及塑性区如图1、图2所示。

表1 计算采用的围岩物理力学参数

图1 不同方案位移场分布

图3 不同施工工法位移矢量场分布

由图1、图2可以看出，在新建隧道开挖后，中夹岩柱厚度不同时，新建隧道对既有隧道的影响程度也差异较大。当中夹岩柱厚度为1.5D时，新建隧道的开挖对既有隧道的位移场和塑性区都不产生影响；当中夹岩柱厚度为8 m时，新建隧道对既有隧道产生部分影响，但影响甚微，如果施加二次衬砌后，变形和塑性区能够得到有效的控制；当中夹岩柱厚度为D时，新建隧道对既有隧道产生很大的影响，既有隧道二次衬砌产生较大的变形，严重影响既有隧道的建筑限界，通过塑性区可以看出，既有隧道的中夹岩柱侧的破坏也较为严重，主要表现为剪切和拉伸破坏。

根据模拟结果，确定中夹岩柱的厚度为8 m时较为合适，能够满足既有隧道的稳定性要求，又不致使新建隧道处于严重的偏压状态下。

2.3 施工方案对比分析

在已确定的中夹岩柱厚度为8 m基础上，针对新平风岭隧道洞口段围岩条件比较差、隧道处于偏压状态的情况，施工工法的合适与否直接影响到新建及既有隧道的稳定性，为此，对新平风岭隧道分别采用全断面法、台阶法和单侧壁导坑法3种施工工法进行对比分析，分析结果如图3、图4和表2所示。

图4 不同施工工法塑性区分布

通过模拟结果可以看出，3种工法的开挖初期支护后均呈现出新建隧道中夹岩柱侧及右上拱顶处的变形，且塑性区的拉剪破坏主要发生在这2个区域，其中中夹岩柱侧以剪切破坏为主，右上拱顶处以拉破坏为主。采用全断面法围岩变形较大，说明初期支护无法与围岩行程有效地耦合，导致后期的二次衬砌受力和变形较大；台阶法虽然较全断面法对围岩的控制效果好，但仍不能满足隧道的稳定性要求；单侧壁导坑法无论从初期支护的效果、塑性区的控制范围以及二次衬砌的变形方面，都较前2种方案要好，且能够满足隧道变形和稳定性的要求，因此，采用单侧壁导坑法施工适合于新平风岭隧道的实际情况。

表2 不同施工工法的模拟对比

2.4 支护方案分析

针对新建平风岭隧道与已有隧道间距相对较小、新建隧道又处于偏压状态，新建隧道和既有隧道之间的围岩受到开挖引起的应力集中及施工、爆破扰动的影响，围岩较为破碎，为进一步减小新建隧道对既有隧道的影响、减小本隧道建设期间的施工难度，采用超前小导管加固中夹岩柱的方案对围岩进行预加固、初期支护采用系统锚杆+喷射混凝土、二次衬砌采用45 cm厚的混凝土支护的方案，具体支护参数如下：

(1)从新建隧道左侧向既有线隧道沿与隧道成45°方向设置φ42 mm、L=4.5 m的超前注浆小导管，梅花状布置，纵向2排的搭接长度为1.2 m，环向×纵向=0.5 m×2.0 m，小导管注浆采用1∶1水泥浆液，注浆压力采用0.5～1.0 MPa；

(2)开挖后施作φ22 mm、L=3.5 m的系统砂浆锚杆，径向设置，环向×纵向=1.0 m×2.0 m；

(3)喷射混凝土采用C25的网喷混凝土；钢筋网直径为φ8 mm，网孔大小200 mm×200 mm；

(4)在拱、墙部位施加格栅钢架，间距1.2 m；

(5)二次衬砌采用C25的混凝土，厚度45 cm，仰拱采用C20的混凝土填充。

针对以上支护参数，采用数值模拟进行了新建隧道稳定性分析，模拟结果如图5、图6所示。可以看出，采用此种支护方案后，隧道的变形得到有效的控制，经超前小导管逐渐加固后，隧道周边的围岩的残余强度得到有效提高，系统锚杆与围岩达到耦合支护状态，有效减少了施加于二次衬砌上的作用力。从图6可以看出，二次衬砌弯矩在拱墙部位较小，但在隧道的2个底角部位较大，因此，在底角部位加大二次衬砌混凝土的支护厚度是必要的。