隧道锚与下方连拱隧道联合施工相互影响研究*

张安睿，晁 峰

(1.贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司，贵州 贵阳 550000；2.中国建筑股份有限公司技术中心，北京 101300)

0 引言

随着国内交通建设的迅速发展，越来越多的工程面临穿越既有建筑物的问题，甚至出现联合施工的情况[1-2]。众多学者开始采用数值计算和模型试验的方法研究开挖后相互间的围岩变形、应力变化等[3-6]。朱玉等[7]以我国首座大跨径悬索桥隧道锚为研究对象，通过有限元软件分析了隧道锚开挖对下方公路隧道的影响。夏国邦等[8]利用三维有限差分的方法模拟了隧道锚、索塔基础及上方公路隧道对周围岩体及各建筑间受力变形关系的影响。就目前研究而言，问题集中在穿越既有隧道或其他建筑物时，开挖对已有建(构)筑物的影响规律。本工程中四坪隧道的进口段与开州湖特大桥相接，隧道断面由连拱逐渐过渡至分离式，连拱段隧道上方为大桥的隧道锚，隧道锚和连拱段的开挖断面都较大，需要联合施工，这样势必会影响开挖的稳定性。本文采用有限差分单元法建立三维模型，针对隧道和隧道锚整个施工过程中的力学效应进行模拟，同时在计算结果中体现围岩变形和塑性区范围差异，对开挖过程中围岩稳定性进行分析，结合现场反馈的监测数据，给类似工程提供参考。

图1 双连拱隧道结构示意

1 工程概况

四坪隧道位于黔北山地，地势总体西北高东南低，场区属浅切低山溶蚀、侵蚀地貌类型，海拔728.900～1 064.800m，相对高差约335.9m，隧道横穿过山体，地势起伏大。隧道下穿段洞身围岩为块石土，强～中风化白云质灰岩，岩质软硬相间，岩石抗压强度Rc=40MPa，岩体破碎，结构面极发育、结合差，呈碎裂状结构。隧道开挖可能产生淋雨状、涌流状出水。围岩无自稳能力，无支护时易产生塌方、掉块及冒顶，该段地表岩溶发育，开挖遇隐伏岩溶可能性极大，溶洞易突水、突泥。施工时按V级围岩进行支护，并加强超前地质预报。

四坪隧道中导洞采用C20喷射混凝土支护，左右行洞初支采用26cm厚C25喷射混凝土，二衬采用55cm厚C30钢筋混凝土。隧道锚采用25cm厚C25喷射混凝土。隧道结构如图1所示，隧道与隧道锚相互位置如图2所示。

图2 隧道锚与隧道相互位置

2 三维数值计算

2.1 计算模型

由于隧道开挖会不可避免地对围岩产生扰动，从而引起围岩应力和变形发生改变，进而对既有结构产生影响。根据圣维南原理，实际数值模拟计算过程中，取隧道开挖区域左、右和上、下尺寸不低于3～5倍洞跨。为消除边界条件影响，三维模型横向(x方向)宽度取140m，隧道开挖方向(y方向)取1m，竖直方向(z方向)长度往隧底下取150m、向上按实际地形取至地表，三维模型底面尺寸长×宽×高=140m×1m×150m。边界约束为模型前、后、左、右水平约束，模型底面竖向约束，模型顶面为自由边界，三维模型如图3所示。

图3 三维模型示意

2.2 单元类型、屈服准则与材料参数

计算时将地层近似视为均匀连续介质考虑，各层之间为连续接触。实际建模过程中，地层采用三维等参数单元进行模拟，支护采用二维壳单元进行模拟，其中结构单元仅考虑其弹性工作状态，而三维计算中围岩单元和加固单元均按M-C材料设置，服从Mohr-Coulomb屈服准则。

模型物理力学参数按地勘报告中具体地层类型及力学参数取值，结合现场施工实际，同时考虑最不利工况，参考JTG3 370.1—2018《公路隧道设计规范》保守取值，具体参数如表1所示。

表1 模型参数

在隧道数值模拟中，一般钢拱架不再单独考虑，钢拱架的作用通常采用等效刚度的方法来考虑，即按等效刚度方法折算给喷射混凝土：

(1)

式中：E为折算后混凝土弹性模量；E0为原混凝土的弹性模量；Sg为钢拱架的截面积；Eg为钢材的弹性模量；Sc为混凝土的截面积。

2.3 计算步序

为考虑隧道在不同开挖情况下的稳定性，拟定以下两种方案，并进行相关分析。

2.3.1方案1

先开挖连拱隧道，再施工隧道锚。

1)进行地应力场平衡计算，施加初始地应力场。

2)开挖中导洞，并施加初期支护和中隔墙。

3)先行洞开挖，并施加初期支护。

4)后行洞开挖，并施加初期支护。

5)隧道锚开挖，并施加初期支护。

2.3.2方案2

隧道锚和连拱隧道同时施工，即联合施工。

1)进行地应力场平衡计算，施加初始地应力场。

2)隧道锚和隧道同时开挖，并施加初期支护。

3 计算结果分析

3.1 围岩沉降分析

根据开挖后计算的两种方案下围岩竖向和水平方向位移云图可知，隧道锚竖向位移主要集中在拱顶偏中间位置及其底部，方案1隧道锚拱顶围岩最大沉降19.5mm，底部最大隆起15.4mm；方案2隧道锚拱顶围岩最大沉降22.8mm，底部最大隆起16.6mm。公路隧道变形主要为仰拱的隆起变形，方案1隧道仰拱最大隆起为15.3mm，方案2隧道仰拱最大隆起为18.2mm；隧道拱顶变形较小，方案1和方案2分别为2，4.6mm。

围岩的最大水平位移主要集中在隧道锚边墙位置，方案1和方案2水平位移最大值分别为13.4，14.5mm。连拱隧道水平位移最大分别为5.2，8mm。两种方案下隧道中隔墙水平位移很小，没有明显变化。

两种方案下左右锚体和先后行隧道的位移变形规律几乎一致，变形差距不大，且都在安全范围内。两种方案相比较，可能方案1更加安全，但是考虑到工期等其他因素方案2是一种更好的选择。

3.2 围岩应力塑性区分析

两种方案施工后围岩塑性区如图4所示，根据其塑性状态判断，两种方案下隧道周边岩体的塑性状态变化不大，隧道锚周边围岩塑性区主要集中在边墙和底部，而连拱隧道周边围岩塑性区较小，主要沿着隧道轮廓线分布。隧道锚与连拱隧道之间的岩土塑性区未连通，说明隧道锚施工过程中围岩未发生破坏，稳定性较好。方案1先开挖连拱隧道再开挖隧道锚的施工方案，隧道附近的围岩破坏范围相对来说更小一点。

图4 施工后围岩塑性区分析

4 施工监测分析

根据研究及专家意见，最终开州湖特大桥隧道锚施工方案为：四坪隧道进口段洞口部分先施工连拱隧道，待其施工完成且稳定后，进行锚塞体混凝土的施工。此后，隧道锚开挖支护可与四坪隧道连拱段联合施工。

根据现场监测结果，取隧道锚与连拱隧道距离最近位置处的沉降变形数据，分析得到沉降变形曲线如图5所示。根据现场实测数据可以看出两隧道锚沉降较为迅速且沉降量更大，沉降近乎稳定后左侧隧道锚最大沉降变形达7.8mm，而右侧隧道锚最大沉降变形达8.2mm。连拱隧道沉降变形较慢且变形较小，左侧隧道稳定后最大沉降变形为1.6mm，右侧隧道最大沉降变形为1.4mm。与前面数值计算结果对比可以看出，现场施工及时施加二次衬砌有效控制了围岩沉降变形，现场隧道变形在可控范围内。可以看出联合施工的方案既能保证安全性，也缩短了工期，施工效益最佳。

图5 隧道及隧道锚沉降变形曲线

上方隧道锚开挖时，在下方连拱隧道设置监测点，得到现场隧道开挖爆破监测结果如表2所示，其中测点2的振动波形如图6所示(K36+802在近接段附近)。当爆源在隧道锚右洞28.6m时，下方连拱隧道4个监测点测得爆破振动最大合速度为1.39cm/s。当爆源在隧道锚左洞29.2m时，下方连拱隧道4个监测点测得爆破振动最大合速度为0.97cm/s。根据监测结果可以知道，所有测点最大振速均<2cm/s，上方隧道锚的施工不会对下方连拱隧道造成影响。

表2 隧道锚爆破振动测试数据统计

图6 K36+797处振速时程曲线

5 结语

针对四坪隧道和开州湖特大桥隧道锚的两种开挖方案的计算结果可以看出，围岩的变形差距很小且都在安全可控范围内，隧道与隧道锚间围岩塑性区未贯通，围岩具有较好的稳定性。现场施工后，根据监测数据可以看出，隧道和隧道锚的沉降变形在可控范围内，两者稳定性较好；上方隧道锚爆破开挖产生的振动对下方连拱隧道的影响可以忽略不计。本次隧道与隧道锚的联合施工既保证了施工的安全性，也缩短了施工工期，对于类似工程具有一定参考价值。但是施工时需要注意近接段的超前支护、爆破强度监测、变形监测等，灵活调整开挖进尺长度和支护强度，尽可能减小隧道锚开挖对围岩的扰动，减小对连拱隧道的影响。