新建黄土隧道开挖及支护对既有隧道影响的数值模拟分析

杨 凯 戚 铁

(中铁工程设计咨询集团有限公司太原设计院，山西太原 030013)

随着我国交通建设事业特别是铁路建设的快速发展[1]，新建隧道与既有隧道的设计距离变得越来越小。隧道开挖后将引起围岩应力的重分布[2]，必然对既有隧道产生不利的影响，严重时可能引起既有隧道较大的变形或不均匀沉降，甚至衬砌结构的开裂、剥落，危及行车安全[3]。

目前，国内许多学者对临近既有隧道的施工进行了研究。王清标等[4]运用FLAC 3D软件分析了台阶法、CRD法及眼镜法3种不同开挖方式下既有隧道衬砌及周围交叠岩体的应力-应变规律；包德勇[5]采用ANSYS软件模拟新建线路下穿高速公路的施工过程，得出了既有隧道衬砌结构受力及位移的变化规律；刘镇[6]利用MIDAS/GTS软件建模，分析新建盾构隧道正交下穿施工对既有隧道沉降的影响；仇文革[7]等采用FLAC 3D软件对深圳地铁交叉隧道施工进行模拟，计算相应的应力场及位移场；杨永波[8]等对邻近既有隧道施工参数进行了优化分析；王剑晨[9]等利用经验公式，分析浅埋暗挖施工对既有隧道的变形影响；黄德中[10]和李磊[11]等采用离心模拟、现场监测、数值计算等方法对既有隧道的变形进行了研究。但以往研究对黄土地区隧道开挖及支护的分析较少，以下通过数值模拟的方法，对某黄土隧道开挖支护进行研究，探讨合理的工法及支护方案，以期对类似工程提供借鉴。

1 工程概况

拟建山西通昌能源集团有限公司煤炭铁路专用线安家庄隧道(简称“通昌隧道”)位于山西省兴县境内，隧道全长367.0 m，最大埋深约38.2 m，隧道形式为双线渐变为单线，洞口双线段长约40 m。通昌隧道位于瓦日铁路和肖家洼煤矿铁路专用线中间，如图1、图2所示。

图1 新建隧道与既有隧道的位置关系

图2 工程现场照片

既有肖家洼煤矿铁路专用线安家庄隧道(简称“肖家洼隧道”)全长908.27 m，设计为单线隧道，最大埋深约70.7 m，采用新奥法施工，其内部为带仰拱的衬砌结构形式，受影响范围内为V级围岩，二次衬砌拱墙厚40 cm，仰拱厚45 cm(均为C35钢筋混凝土)。根据现场调查，既有肖家洼隧道衬砌完好，无病害。

既有瓦日铁路安家庄2号明洞全长100 m，采用放坡明挖法施工，整体式衬砌，受影响范围内为Ⅴ级围岩，拱墙、仰拱厚度均为70～80 cm(C35钢筋混凝土)。根据现场调查，既有瓦日铁路安家庄2号明洞衬砌完好，无病害。

2 工程地质条件

根据调查及勘探，隧道处地质条件较为简单。洞身上层为第四系上更新统坡风积砂质黄土(Q3dl+eol)，褐黄色，稍湿，稍密，结构松散，具针状孔隙，土质较均匀，层厚10～25 m；洞身下层及路肩以下主要为第三系上新统(N2)粉质黏土，褐黄-红褐色，坚硬-硬塑，以黏粒为主，土质不均匀。

本次勘察钻孔内未见地下水，雨季新黄土与粉质黏土分界处有少量层间渗水。

3 计算假定

(1)施工隧道期间，既有铁路隧道结构按照非震组合工况考虑。

(2)假定既有铁路隧道与新建隧道间的土体符合变形协调原则[12]。

(3)隧道开挖施工完毕后，应立即施作边坡防护。因此，可不考虑边坡防护施工过程中岩土体随时间的流变变形。

(4)将地层岩土体视为均质各向同性材料，且其物理力学参数准确可靠。

4 数值分析

新建通昌隧道与既有肖家洼隧道的间隔距离从进口到出口逐渐增大，新建隧道进口D12K0+570直至D12K0+650处(共计80 m)，两隧道间距从1.1 m逐渐增大至10.1 m。 D12K0+570～D12K0+605段采用双线断面，隧道间隔最大处仅为4.0 m。

新建通昌隧道与既有瓦日2号明洞基本平行，间隔距离从新建隧道D12K0+585处的19.7 m逐渐增大至D12K0+685处的30.0 m。

计算选用的物理力学参数见表1。

表1 物理力学参数

4.1 支护方案的数值分析

为了减少通昌能源专用线隧道开挖对既有瓦日铁路明洞与肖家洼铁路隧道的影响，考虑3种支护方案：①洞口D12K0+570～D12K0+605段拱顶180°范围采用大管棚超前加固及拱脚斜拉桩支护，D12K0+605～D12K0+670采用隔离桩支护；②D12K0+570～D12K0+605段拱顶与直墙240°范围采用大管棚超前加固，D12K0+605～D12K0+670采用隔离桩支护；③D12K0+570～D12K0+670段均采用隔离桩支护。

计算模型的范围边界如下。

模型范围：里程D12K0+570～D12K0+690；

底部界面：从通昌能源专用线隧道向下延伸50 m；

左侧边界：从瓦日铁路隧道左侧边墙向外约50 m；

右侧边界：从肖家洼铁路隧道右侧边墙向外约50 m；

顶部界面：至地面高程。

采用快速有限差分软件FLAC3D[13]进行计算分析，通过Midas GTS[14]和ANSYS软件辅助建立计算网格模型，导入到FLAC3D中。整个三维模型共有25 464个节点，124 296个单元。计算模型的上边界地表按自由表面考虑，底部采用固定约束，四周的外边界通过约束边界面法向位移来实现。土体采用四节点四面体实体单元模拟，土体结构计算采用Mohr-Coulomb本构模型[15]。

开挖隧道管棚和隔离桩支护采用FLAC3D结构单元中的桩单元模拟，既有隧道衬砌采用壳单元模拟。3种支护方案的支护结构如图3～图5所示。

图3 支护方案1的支护结构模型

图4 支护方案2的支护结构模型

图5 支护方案3的支护结构模型

根据经验，隧道变形及应力变化主要发生在拱顶及拱墙连接处，选取隧道拱顶、左拱腰、右拱腰、左侧墙、右侧墙、拱底共6个关键点作为研究对象，按顺序依次编号。其中，瓦日铁路明洞关键点编号为Z01～Z06，肖家洼铁路隧道关键点编号为Y01～Y06，通昌能源专用线隧道关键点编号为T01～T04(如图6)。

图6 隧道关键点布置

(1)支护方案①计算

整体模型最终总位移、塑性区及应力云图如图7～图9所示，关键点位移情况如表2所示。

图7 整体模型总位移

图8 整体模型塑性区分布

图9 整体模型竖直应力

最大总位移出现在通昌能源专用线隧道拱底(约为80 mm)。

表2 D12K0+605段既有隧道关键点位移对比 mm

注：水平方向位移以边坡外部指向内部为正，垂直方向位移以向上为正。

(2)支护方案②计算

整体模型最终总位移、塑性区及应力云图如图10～图12所示，关键点位移情况如表3所示。

图10 整体模型总位移

图11 整体模型塑性区分布

图12 整体模型竖直应力

最大总位移出现在通昌能源专用线隧道拱底(约为78 mm)。

表3 D12K0+610段既有隧道关键点位移对比 mm

注：水平方向位移以边坡外部指向内部为正，垂直方向位移以向上为正。

(3)支护方案③计算

整体模型最终总位移、塑性区及应力云图如图13～图15所示，关键点位移情况如表4所示。

图13 整体模型总位移

图14 整体模型塑性区分布

图15 整体模型竖直应力

最大总位移出现在通昌能源专用线隧道拱底(约为89 mm)。

表4 D12K0+610段既有隧道关键点位移对比 mm

注：水平方向位移以边坡外部指向内部为正，垂直方向位移以向上为正。

4.2 对比分析

3种支护方案对应的整体模型中，引既有隧道的应力范围为200～600 kPa，最大应力均出现在肖家洼隧道的仰拱处。塑性区主要分布在通昌隧道下台阶靠近肖家洼隧道一侧的仰拱处。

3种支护方案对应的整体模型最大总位移分别为80.3 mm、77.8 mm和89.2 mm，均出现在新建隧道里程D12K0+605和D12K0+610处。3种支护方案对应肖家洼铁路隧道最大水平位移分别为0.257 mm、0.345 mm、0.326 mm，分别出现在里程D12K0+600、D12K0+590、D12K0+575处；最大竖直位移分别为0.083 mm、0.117 mm、0.071 mm，分别出现在里程D12K0+610、D12K0+575、D12K0+590处。3种支护方案对应瓦日铁路隧道最大水平位移分别为0.513 mm、0.325 mm、1.148 mm，出现在里程D12K0+610、D12K0+610、D12K0+605处；最大竖直位移分别为0.510 mm、0.350 mm、0.851 mm，分别出现在里程D12K0+610、D12K0+610、D12K0+605处。由以上分析可知，管棚对控制新建隧道和既有隧道的变形效果较好，但是新建隧道与肖家洼隧道间距过小，管棚施工存在较大难度。因此，实际采用的支护方案为②和③，即在新建隧道周围部分使用管棚支护，在新建隧道与肖家洼隧道之间采用隔离桩支护。

4.3 台阶法数值分析

选取D12K0+615断面，在未采取任何支护形式的情况下，分析上下台阶法施工对既有隧道的影响。

建立的网格模型如图16所示。计算模型尺寸约为142 m×1 m×64 m，模型共计10 579个单元体，21 318个网格节点。模型边界同前述。

图16 隧道施工计算模型

当采用上下台阶法[8]开挖通昌能源专用线隧道时，上台阶高度约为5 m，下台阶约4.5 m，得到模型塑性区如图17所示。

图17 台阶法开挖隧道塑性区分布

提取既有瓦日铁路安家庄隧道2号明洞与肖家洼铁路隧道关键点的水平和竖直位移值，得到如表5所示的计算结果。

表5 对应关键点位移 mm

通昌隧道台阶法开挖后，引起瓦日铁路明洞水平最大位移和竖直最大位移分别为0.80 mm和0.56 mm，引起肖家洼铁路隧道的水平最大位移和竖直最大位移分别为1.83 mm和1.90 mm，整体最大位移为0.97 mm和2.56 mm(均位于拱顶处)。由此可见，采用台阶法施工时，会对既有隧道产生扰动，但总位移较小。

5 结论

数值计算结果表明：采用台阶法施工[16]时，会对既有隧道产生扰动，引起既有隧道的最大位移均出现在拱顶处，实际施工中应注意控制施工步距；新建隧道采用不同的支护措施时，最大应力均出现在距离最近的肖家洼隧道的仰拱处，塑性区主要分布在下台阶靠近肖家洼隧道一侧的仰拱处，塑性区不贯通，不会引起塑性破坏。管棚超前支护对既有隧道和新建隧道的变形控制效果明显，若管棚施工困难，可采用隔离桩的防护方式。