临既有线黄土隧道不同施工工法的力学特征

霍晓斌 伏鹏宇 李福丽 李攀 杨凡杰

摘 要：针对目前临既有线新建黄土隧道施工工法合理选择的工程难点，本文在考虑既有隧道和新建隧道间距、隧道埋深等影响因素下，采用隧道洞壁最大变形、围岩最大压应力以及掌子面附近围岩损伤面积等评价指标，计算分析了常用6种施工工法下临既有线黄土隧道围岩的力学特征。研究得到，埋深越大和间距越小时，不同施工工法的围岩力学特性差异性越显著，临既有线新建黄土隧道施工工法的选取应侧重于围岩力学特征的考虑;而埋深越小和间距越大时，不同施工工法的围岩力学特性差异性越小，其施工工法的选取则应更侧重于施工成本的考虑。本文研究给临既有线的黄土隧道工程施工工法的合理选择提供基础数据和理论支撑。

关键词：黄土隧道;临既有线;施工工法;围岩力学特征;数值计算

中图分类号：U451 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）04-0141-03

0 引言

黄土在我国的中西部分布广泛，约占全国陆地总面积的6.63%[1]。随着我国交通工程的快速发展，黄土地区的隧道工程逐渐增多，其中出现了不少临既有线的新建隧道工程。因临近既有线路，导致新建隧道施工过程中围岩及衬砌的应力分布异常复杂，给新增隧道的设计和施工安全提出了重大挑战。

隧道建设中施工工法的合理选取是确保工程安全施工的关键前提。为了确保临既有线新建隧道工程的施工安全，国内外学者针对该类工程的施工工法开展了大量研究。如黄竹纯[2]通过计算分析和现场监测研究了浅埋大断面小间距黄土隧道的施工工艺、施工参数和变形规律，并优化了支护参数;谭忠盛等[3]以桃花峪隧道工程为背景，研究了大跨小间距黄土双线隧道的施工技术要点与合理支护体系的;杨坤[4]采用数值方法，计算分析了CRD法和台阶法在变间距西施坡双洞隧道施工中对围岩的影响程度;高丽和高峰[5]采用有限元分析方法，研究了不同间距对两相邻黄土公路隧道地震反应的影响规律;代树林等[6]基于京福高速公路小净距隧道，分析探讨了小净距隧道开挖方法和中岩柱加固技术;桂铬[7]以小净距官冲隧道工程为依托，研究了浅埋软弱围岩小净距隧道受力特性和施工技术对策;任明明[8]利用有限单元法计算分析了小净距黄土隧道先行洞的超前开挖距离对围岩变形的影响;王童[9]基于西安市地铁四号线存车区间隧道，采用数值计算和现场监测，研究了黄土地区的浅埋小净距隧道施工过程中的力学特性和变形规律;石磊等[10]基于墩梁隧道采用现场监控量测方法，对比分析了双侧壁导坑、单侧壁导坑和三台阶开挖施工工法在大断面黄土隧道中的适用性。可见，现有研究工作主要针对小间距特定工程的施工工法及力学特性而展开，缺乏对临既有线不同间距下黄土隧道施工工法力学特征的系统研究。

由于黄土隧道中施工工法的选取主要依据施工过程中围岩及衬砌的应力分布及变形等力学特征来确定[11]。而目前临既有线的新建隧道施工工法的选择主要依靠现场工程技术人员的经验判断，具体工法缺乏相应的评价理论。因此，有必要针对临既有线不同间距下黄土隧道施工工法的力学特征展开系统研究，为施工工法的合理选择提供基础数据和理论支撑。

鉴于此，本文针对临既有线的黄土隧道工程，考虑了新建隧道临既有线间距和隧道埋深的影响，采用数值模拟方法，计算分析了不同施工工法下围岩的力学特征，包括洞壁最大变形、最大压应力以及围岩损伤面积。

1 计算分析方案

国内黄土隧道常用的施工工法主要为全断面法、台阶法、环形开挖留核心土法、中隔壁法（CD法）、交叉中壁法（CRD法）以及双侧壁导坑法等[12]。为了系统分析不同施工工法下临既有线的黄土隧道工程的力学特性，考虑了影响隧道结构受力的离既有线间距和隧道埋深两个主要因素，具体计算方案如表1所示。由表可知，计算方案中共考虑施工工法、隧道埋深以及新建隧道临既有线的间距三个因素，施工工法选取了黄土隧道常用的6种工法，在调研已有黄土隧道埋深的基础上确定了两种代表性的深度（100m和30m），在考虑常见黄土隧道（洞径10m左右）开挖影响范围的基础上选取了3种典型间距2m（<1倍洞径）、16m（1.5倍洞径附近）以及30m（>2倍洞径）。通过对各影响因素的排列组合，最终得到36种计算工况。

2 数值模型的建立

建立计算数值模型时，采用黄土隧道常用的马蹄形断面[13]。隧道开挖宽度为11.56m，开挖高度11.08m，初衬为25cm厚C25混凝土喷层，二衬为50cm厚C35钢筋混凝土层。

数值计算共模拟了全断面法、三台阶七步开挖法、环形开挖预留核心土法、中隔壁法（CD法）、交叉中壁法（CRD法）和双侧壁导坑法共6种工法的开挖过程，各施工工法的施工工序，全断面法分为2步开挖，首先开挖拱部和直墙开挖，然后开挖仰拱;环形开挖预留核心法分为5步开挖，三台阶七步开挖法、CD法以及CRD法均分为7步开挖，双侧壁导坑法分为6步开挖;各工法的施工工序分布按照图中数字的顺序进行。施工过程模拟时，沿隧道轴向开挖步长取为0.6m，共计算10个开挖步，掌子面距仰拱施工距离为26m。

模型宽150m，沿轴向长150m，高160m，共包含203771个单元，35304个节点。模型两侧和底部施加法向约束，顶部为自由面，考虑自重应力。模型中包括既有隧道和新建隧道，隧道的間距、埋深及开挖方式均按设计方案设定。

由于实际黄土隧道的埋深偏浅，计算时，土体采用M-C准则，衬砌采用弹性模型。围岩计算参数取为黄土的力学参数[13]，衬砌计算参数按黄土隧道常规设计值确定，具体计算参数见表2。

3 计算结果分析

为了合理评价不同施工工法下临既有线的黄土隧道工程围岩的力学特征，此处选取了隧道洞壁围岩的最大位移、最大压应力以及损伤面积三个指标。考虑到不同开挖工法下底部的台阶形状和高度均存在差异性，而部分工法开挖时，最大变形或应力位于待挖台阶部位。为了实现不同工法间的比较，计算结果分析时主要针对隧道已开挖的洞壁，而不考虑待开挖的台阶部位。此外，为评估围岩的损伤面积，引入了基于塑性剪应变来反映材料变形破坏过程中损伤程度的指标FAI，并取FAI>0.8为围岩的损伤界定值[14]。

通过计算分析得到了不同施工方法下黄土隧道洞壁的最大位移、最大压应力以及掌子面附近围岩损伤面积，不同工况下黄土隧道各工法施工过程中围岩的最大变形;不同工况下黄土隧道各工法施工过程中围岩的最大压应力;不同工况下黄土隧道各工法施工过程中围岩的损伤面积。图中工况1～6依次分别代表埋深100m和间距30m、埋深100m和间距16m、埋深100m和间距2m、埋深30m和间距30m、埋深30m和间距16m以及埋深30m和间距2m。

各施工工法中，全断面法开挖的洞壁变形最大，双侧壁导坑法开挖的洞壁变形最小。各工法开挖的洞壁变形排序为：全断面法>预留核心土法>三台阶七步开挖法>CD法>CRD法>双侧壁导坑法。各计算工况中，埋深越大，隧道洞壁变形越大，如工况1（埋深100m和间距30m）时，全断面法开挖下洞壁最大变形为26.1mm，而工况4（埋深30m和间距30m）时，全断面法开挖下洞壁最大变形为11.6mm;隧道间距越小，洞壁变形也越大，如工况3（埋深100m和间距2m）时，全断面法开挖下洞壁最大变形为27.9mm，大于了工况1（埋深100m和间距30m）时，全断面法开挖下洞壁的最大变形。

各施工工法开挖下围岩的最大压应力与隧道埋深、间距有关。埋深100m时，全断面法开挖的隧道围岩压应力最大，CRD法开挖的隧道围岩压应力最小。埋深100m时，各工法开挖的围岩压应力排序为：三台阶七步开挖法>预留核心土法>CD法>全断面法>双侧壁导坑法>CRD法。埋深30m时，三台阶七步开挖法开挖的隧道围岩压应力最大，CD法开挖的隧道围岩压应力最小。埋深30m时，各工法开挖的围岩压应力排序为：三台阶七步开挖法>双侧壁导坑法>预留核心土法>全断面法>CRD法>CD法。相对而言，埋深较大和间距较小时，各工法开挖的围岩压力差异性也较大，如在工况3（埋深100m和间距2m）下，三台阶七步开挖法对应的围岩最大压应力为40.98MPa，CRD法对应的围岩最大压应力为20.24MPa;而埋深较浅时，各工法开挖的围岩压力差异性也较小，围岩最大压应力在6.64～14.87MPa。

各施工工法开挖下掌子面附近围岩的损伤面积（FAI>0.8的面积）与隧道埋深、间距有关。埋深100m时，全断面法开挖的围岩损伤面积最大，CD法开挖的围岩损伤面积最小。埋深100m时，除了预留核心土法在工法3（埋深100m和间距2m）时围岩损伤面积偏小外，整体上各工法开挖的围岩损伤面积排序为：全断面法>双侧壁导坑法>CRD法>预留核心土法>三台阶七步开挖法>CD法。埋深30m时，全断面法开挖的围岩损伤面积最大，其余工法开挖下围岩损伤面积的差异性不大。此处，在工况3（埋深100m和间距2m）下，大部分工法开挖的围岩损伤面积小于工况1和工况2，主要原因是工况3下围岩的损伤面积受限于隧道的间距，由此导致隧道间围岩的损伤程度更为严重。

相对而言，埋深较大时，各工法开挖的围岩损伤面积差异性也较大，如在工况2（埋深100m和间距16m）下，全断面法掌子面附近的围岩损伤面积为191.27m2，CD法掌子面附近的围岩损伤面积为28.94m2;埋深较浅时，各工法开挖的围岩压力差异性也较小，围岩损伤面积在0.02～23.85m2。

4 结语

为了给临既有线的黄土隧道工程施工工法的合理选择提供基础数据和理论支撑，本文在考虑隧道间距和埋深等影响因素基础上，采用隧道洞壁最大变形、围岩最大压应力以及掌子面附近围岩损伤面积等指标，计算分析了不同施工工法下临既有线的黄土隧道围岩的力学特征。具体包括如下内容：

（1）各计算工况中，埋深越大和隧道间距越小时，隧道洞壁变形越大。对比各施工工法时，全断面法开挖的洞壁变形最大，双侧壁导坑法开挖的洞壁变形最小。按照洞壁变形的工法排序为：全断面法>预留核心土法>三台阶七步开挖法>CD法>CRD法>双侧壁导坑法。

（2）各施工工法下隧道围岩的最大压应力与隧道埋深、间距有关。埋深较大和间距较小时，各工法开挖的围岩压力差异性也较大;反之，埋深较浅和间距较大时，各工法开挖的围岩压力差异性也较小。埋深较大时（埋深100m），按照围岩压应力的各工法排序为：三台阶七步开挖法>预留核心土法>CD法>全断面法>双侧壁导坑法>CRD法。

（3）各施工工法开挖下掌子面附近围岩的损伤面积同样与隧道埋深有关。与围岩压应力类似，埋深较大时，各工法开挖的围岩损伤面积差异性也较大，而埋深较浅时，各工法开挖的围岩压力差异性也较小。埋深较大时（埋深100m），按照围岩损伤面积的各工法排序为：全断面法>双侧壁导坑法>CRD法>预留核心土法>三台阶七步开挖法>CD法。

（4）由上可知，埋深越大和间距越小时，各施工工法开挖下，围岩力学特性的差异性越显著;反之，各施工工法开挖下，围岩力学特性的差异性越小。因此，埋深较大和间距较小时，黄土隧道施工工法的选取应首先考虑围岩的力学特性，然后兼顾施工成本;而埋深较浅和间距较大时，由施工工法导致的围岩力学差异性不大，在保证施工安全的工程措施下，施工工法的选取应更侧重于施工成本的考虑。

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