场地刷坡及挡墙施工对既有隧道安全性的影响研究

邵珠杰

中铁第一勘察设计院集团有限公司 陕西 西安 710043

既有隧道的运营安全一直受到国内外工程师的关注，尤其是水文地质条件较为复杂的隧道，较小的扰动就可能加剧隧道内部微裂缝的发展，从而加剧其变形，引发稳定性问题。在临近既有隧道区域开展工程活动如修筑挡墙，基坑开挖，土石方爆破时，会使得隧道产生应力集中和二次变形的现象，加剧隧道内部病害发展，影响及结构稳定和通车质量。因此，研究新建工程对临近隧道的安全性影响是十分必要的。

1 研究背景

目前研究表明，新建项目施工引起的既有隧道应力集中程度主要取决于隧道两者间的最小距离[1]、隧道所处水文地质条件、施工规模及施工工艺以及隧道所采取的支护形式[2]等因素。但由于隧道自身的复杂性，对于特定分析对象，应根据其特点进行具体分析。如分析基坑开挖对临近隧道的影响时，许建锋的研究成果表明软土地质情况下，隧道变形与临近基坑的间距呈单调递减关系，且能用幂指数函数拟合[3]。但高广运的计算结果表明隧道变形大小与基坑距离关系并不完全单调，而是在一定距离内达到峰值，随后趋于平缓[4]。而何连昇等的计算结果则显示工程施工对隧道变形超过一定范围时并不明显，并具体指出了该范围约为3倍的开挖深度[5]。

目前常用数值计算和理论分析方法定量分析具体隧道的变形，而所用的本构模型和基本理论则决定了分析的结果。较为主流的理论分析方法主要有弹性Mindlin解[6]，复变函数分析理论，和随机介质理论等。弹性理论计算通常只适用于地质条件较为简单工程情况，而无法分析具有微裂缝或大变形的隧道工程。复变函数分析其解析过程相对复杂，而随机介质理论则需要详细的基础数据库作为支持，因此要求对既有隧道临近区域的岩土工程特性进行详尽繁复的调查。事实上，在许多情况下，隧道变形计算很难得出理想的解析解，此时数值计算就成为了更为合适的分析手段。最初数值计算常用的方法主要是有限元法，该方法的核心在于本构模型的选取[7]。一般地，本构模型所使用的参数越多，其计算结果也越精确，但模型参数获取的难度也越大。目前常用的有限元计算模型有摩尔-库伦模型，修正剑桥模型，硬化模型等。此后，为了更细致地模拟土体的颗粒特性，离散元方法也被用于隧道结构变形的分析中来。离散元方法的难点是构建土体的微观力学模型，获取其微观力学参数，目前而言，直接测定土体微观力学参数的试验均非常复杂且操作难度较大[8]。

总之，分析临近区域工程施工对既有隧道的安全性影响，目前暂无系统性的分析方法。本文以娄邵铁路栗家山隧道以西新建项目为工程实例，基于隧道埋深及偏压状态不变原则，分析了进、出口段不同围岩等级下典型断面的应力状态，确定了相应的最不利荷载位置，并结合数值分析手段验算了最不利荷载下隧道的安全系数。以期为施工安全和栗家山隧道的变形稳定性控制提供支持。

2 工程概况

本文结合娄邵铁路，栗家山隧道以西建设项目的工程实例，综合分析建设项目对既有铁路隧道的影响程度。栗家山隧道为新建电力牵引的双线铁路区间隧道，全长320m，为客货共线铁路、最高行车速度为140km/h，隧道内线间距5.0m。规划建设项目工程总用地面积约79072m2，拟建设计标高138.0～148.0m，目前拟建场地东侧地面标高145.00～181.00 m。需对其经行开挖以达到设计标高。

栗家山隧道表层覆盖第四系残坡积粉质黏土及黏土，下伏石炭系中上统地层，地层岩性从新至老为: (1)第四系残坡积粉质黏土夹碎石，褐红～褐黄色，软塑～硬塑，含少许角砾，层面埋深约9.75m，层厚5.85～8.13m，土石等级为Ⅱ级。(2)炭质灰岩，全～弱风化，灰黑色，泥质结构，薄层状构造，层面埋深约4.0m，土石等级为Ⅲ级。(3)灰岩，弱风化，灰白～灰色，主要矿物为方解石，隐晶质结构，厚层状构造，层面埋深4.1～15.6m， 土石等级为Ⅴ级。隧道已完成二衬施工，但并未经行铺轨等工作，从进口至出口，隧道围岩衬砌情况见图1 。

图1 栗家山隧道围岩衬砌结构示意图

拟建设项目开挖后，设置桩板墙和重立式路堑挡土墙进行挡护。在DK0+024-DK0+242.50段设置截面为1.5m×2.0m，桩长10～20m的路堑桩板式挡土墙；在DK0+000～DK0+024段及DK0+242.50～DK0+320段设置墙高2.4-5.0m的重力式路堑挡土墙，该挡土墙基础埋深1.2m。在墙脚外侧设置0.6m×0.6m矩形C25钢筋混凝土排水沟。

挡墙上方边坡刷坡率1:1.75，采用分级刷坡，每级边坡高6m，在每级边坡之间设置3m宽平台，平台上采用C25混凝土修筑0.4m×0.4m矩形截水沟。刷坡后坡面采用锚杆框架梁进行防护，框架内采用种植灌木的方式经行植被防护。隧道平面图和典型隧道断面的剖面图如图2 所示。

图2 栗家山隧道位置平面图

栗家山隧道以20m为间隔，共分为23个断面。为分析整体隧道的最不利位置，根据挡墙施工和刷坡不改变原有埋深类型和偏压状态的原则，按照《铁路隧道设计规范》（TB10003-2016）规定分析了不同净距下所有断面的埋深分界曲线和偏压分界曲线与挡墙的位置关系，其典型断面的分析结果如图3和图4所示，图中剖面标号与图2相对应。

图3 进口段Ⅳ级围岩浅埋衬砌横断面（剖面15）

图4 进口段Ⅴ级围岩浅埋衬砌横断面（剖面16）

图5 衬砌承担70%压力时的弯矩云图

图6 衬砌承担100%围岩压力时的弯矩云图

从分界曲线与挡墙位置的关系可以看出，对于原设计采用Ⅳ级围岩浅埋衬砌断面的段落，在边坡挡土墙底与左线线路中线间距30m时，由于边坡施工而引起的地形变化，不会使得隧道处于偏压的不利受力状态。对于原设计采用Ⅴ级围岩浅埋衬砌断面的段落，在边坡挡土墙底与左线线路中线间距40m时，由于边坡施工而引起的地形变化，不会使得隧道处于偏压的不利受力状态（其中剖面16在边坡与隧道间距40m时，虽然刷坡线有部分在偏压最小覆盖层厚度线以内，但是比相对侧地形线更平缓，故认为未处于偏压受力状态）。对于原设计采用Ⅴ级围岩偏压衬砌断面的段落，在边坡挡土墙底与左线线路中线间距40m时，刷坡线已经基本出了偏压最小覆盖层厚度线，因此认为未恶化原隧道的偏压受力状态。最终，确定挡墙墙底距隧道边坡坡脚的净距为40m，剖面16所处位置为最不利荷载位置。

3 数值计算

确定最不利荷载位置后，利用Midas软件对隧道应力分布进行分析，分别计算二次衬砌承担70%和100%围岩压力的情况。根据实际工程情况，隧道参数取值如下：隧道埋深h=22m，隧道开挖跨度B=12.3m，隧道高度11.3m。二衬厚度45cm，C35钢筋混凝土，重度取25kN/m3，弹性模量为31.5GPa。围岩参数如表1所示

表1 围岩参数计算表

从计算结果来看，隧道整体的弯矩分布呈较为对称的形式，其部分原因是刷坡使得隧道左右两侧应力分布更均匀，从而减少了隧道的不均匀变形。隧道顶部弯矩出最大，并往两边逐渐减小。

同时，利用Midas后处理程序计算其轴力分布后，按《铁路隧道设计规范》（TB 10003-2016）推荐的方法计算钢筋混凝土衬砌的安全系数。其中钢筋布置类型为5φ22，保护层厚度取61mm。结构共划分为70个计算单元，衬砌承担不同比例围岩压力情况下各单元的计算结果如图 7和图8所示。

从图7和图8来看，当隧道衬砌承担70%围岩压力时，隧道各单元安全系数最大值为9.49，最小值为3.42；而当隧道衬砌承担100%围岩压力时，隧道各单元安全系数最大值为7.06，最小值为2.74，两种情况下安全系数均大于2.4，即满足规范要求。此外，两种情况下各单元安全系数分布较为集中，只有较少的离散点，这也说明隧道整体应力分布较为均匀，只在局部出现应力集中的情况。结合计算云图，可以证明当挡墙墙底距隧道坡脚处大于40m时，隧道整体安全性满足要求。但在隧道顶部处会出现应力集中现象，因此在挡墙施工前，应检查V级围岩隧道顶部是否出现明显裂缝、渗水等情况，以免应力集中现象加剧裂缝的发展。此外，在挡墙施工时，应强化施工监测，推行信息化施工，确保施工期间边坡和栗家山隧道的安全。

图7 隧道衬砌承担70%围岩压力时各单元安全系数分布图

图8 隧道衬砌承担100%围岩压力时各单元安全系数分布图

4 结论

本文基于栗家山隧道的安全性分析实例，研究了场地开挖刷坡及挡墙施工对临近隧道安全性的影响，确定了隧道最不利荷载位置并进行了安全性计算，并根据工程实际情况给出了相应的施工建议和措施，得到了以下结论：

（1）当围岩等级为Ⅳ级时，挡墙最小间距为30m，当围岩等级为Ⅴ级时，挡墙最小间距为40m。刷坡作用在一定程度上使得隧道两侧应力分布均匀，从而增加了隧道的稳定性。

（2）在最不利荷载位置下，当隧道衬砌承担70%围岩压力时，隧道各单元安全系数最大值为9.49，最小值为3.42；而当隧道衬砌承担100%围岩压力时，隧道各单元安全系数最大值为7.06，最小值为2.74，均满足规范要求。

（3）挡墙施工期间，在隧道顶部处会出现应力集中现象，因此在挡墙施工前，应检查V级围岩隧道顶部是否出现明显裂缝、渗水等情况，以免应力集中现象加剧裂缝的发展。同时，应强化施工监测，推行信息化施工，确保施工期间边坡和栗家山隧道的安全。