新建隧道施工對(duì)既有運(yùn)營(yíng)隧道的力學(xué)影響分析

葉建龍，宋 洋，丁海洋

（1.浙江省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，浙江杭州310058；2.西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610031）

新建隧道施工對(duì)既有運(yùn)營(yíng)隧道的力學(xué)影響分析

葉建龍*1，宋 洋2，丁海洋1

（1.浙江省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，浙江杭州310058；2.西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610031）

以杭金衢高速公路新嶺隧道為工程背景，通過對(duì)新建隧道對(duì)既有運(yùn)營(yíng)隧道在靜力開挖條件下的受力和變形分析可知，隨著新建隧道與既有隧道之間的凈距增大，新建隧道開挖對(duì)既有隧道的影響逐漸減小，當(dāng)凈距超過20m時(shí)，新建隧道的開挖引起襯砌位移、受力變化相對(duì)較小，既有隧道結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。據(jù)此判別杭金衢高速公路新嶺隧道凈距設(shè)計(jì)是科學(xué)合理的。

新建隧道；既有隧道；凈距；影響

1 概述

在現(xiàn)代公路、鐵路工程的隧道建設(shè)中，分離式隧道因力學(xué)機(jī)理簡(jiǎn)單明確、施工技術(shù)十分成熟得到了廣泛的應(yīng)用。公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范(JTG-D70-2004)中規(guī)定了分離式隧道的最小凈距，一般情況可按表1確定[1]。

表1 分離式獨(dú)立雙洞間的最小間距

然而，隨著人類對(duì)地下空間的不斷利用,在某些地區(qū),由于復(fù)線工程的建設(shè)或受既有建(構(gòu))筑物、地質(zhì)條件的限制及地下空間綜合開發(fā)利用的需要,使得新建隧道近接既有隧道的現(xiàn)象越來越多[2-4]。

目前為止，針對(duì)兩平行隧道合理間距的相關(guān)理論與設(shè)計(jì)施工中關(guān)鍵技術(shù)問題的研究成果并不統(tǒng)一[5]，理論支撐和研究成果的運(yùn)用較為滯后，導(dǎo)致設(shè)計(jì)理論滯后于工程實(shí)踐的被動(dòng)局面，突顯了針對(duì)小凈距隧道合理凈距進(jìn)行研究的重要性和緊迫性。由于小凈距隧道合理凈距受到眾多因素的影響，采用解析方法分析是十分困難的，采用數(shù)值計(jì)算方法則可以較有針對(duì)性地解決上述問題[6-7]。基于此，本文通過數(shù)值仿真手段，研究不同圍巖、不同凈距情況下，新建隧道對(duì)既有隧道襯砌位移和內(nèi)力的影響規(guī)律，以期為合理凈距的確定提供參考。

2 工程背景

杭金衢高速公路是滬昆高速浙江境內(nèi)的重要路段，新嶺隧道路段拓寬工程為整個(gè)杭金衢高速公路拓寬工程的一部分，也是目前交通擁堵最為嚴(yán)重的一段。

既有新嶺隧道采用雙向四車道的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，左洞長(zhǎng)1413m，右洞長(zhǎng)1432.5m，單洞行車道寬度2×3.75m，單個(gè)隧道寬度10.75m，凈高5.0m，隧道軸線走向160°，最大埋深156m，設(shè)計(jì)行車速度120km/h。

新建隧道寬度17.58m，凈高7.2m。隧道左側(cè)進(jìn)洞口距離原左側(cè)隧道最近距離27.29m，出洞口距離原左側(cè)隧道最近距離35.62m；新建隧道右側(cè)進(jìn)洞口距離原右側(cè)隧道最近距離23.08m，新建隧道右側(cè)出洞口距離原右側(cè)隧道最近距離28.16m，新建隧道洞身段距既有隧道41m。

隧道工程穿過大平崗—馬樓嶺山脈，地形起伏較大，丘陵區(qū)頂部高程約273.3m，植被茂盛。隧道圍巖以寒武系炭質(zhì)頁巖、泥質(zhì)灰?guī)r、震旦系粉砂巖地層為主，巖體理節(jié)裂隙發(fā)育，較破碎，質(zhì)較堅(jiān)硬—堅(jiān)硬。

由于新建隧道與既有隧道凈距變化且既有隧道運(yùn)營(yíng)時(shí)間較長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有所減弱，為了確保既有隧道的安全運(yùn)營(yíng)，有必要研究新建隧道開挖對(duì)既有隧道襯砌的影響特征，以確定新建隧道與既有隧道的合理凈距等關(guān)鍵性指標(biāo)。

3 有限元計(jì)算

3.1 計(jì)算方案

本次計(jì)算采用大型通用有限元程序ANSYS進(jìn)行，圍巖采用實(shí)體單元（plane42）模擬，二次襯砌采用梁?jiǎn)卧╞eam3）模擬。計(jì)算模型中隧道埋深35m，模型左邊界距既有隧道中線40m，右邊界距新建隧道中線40m，下邊界距隧道底部32m。模型上部為碎石粉質(zhì)粘土，厚度為10m，中間部分為強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖，厚度為15m，下部為中風(fēng)化粉砂巖，厚度為55m。模型位移邊界條件為上邊界為自由邊界，其余邊界為人工邊界；模型力邊界條件為自重應(yīng)力。計(jì)算模型簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 計(jì)算模型示意圖

計(jì)算中材料參數(shù)的選取是在重點(diǎn)參考新嶺既有運(yùn)營(yíng)隧道及新建隧道地勘資料的基礎(chǔ)上，結(jié)合《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》綜合選?。ū?），需要說明的是,圍巖加固區(qū)根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)部分圍巖參數(shù)進(jìn)行了適當(dāng)提高。

表2 計(jì)算中材料參數(shù)的選取

在計(jì)算過程中，采用多點(diǎn)重啟動(dòng)和生死單元依次對(duì)地應(yīng)力場(chǎng)形成、既有隧道開挖、新隧道開挖進(jìn)行模擬，有限元模型節(jié)點(diǎn)位移的計(jì)算則采用完全的牛頓—拉普森解法。

3.2 測(cè)點(diǎn)布置

為了研究不同圍巖、不同凈距情況下，新建隧道對(duì)既有隧道襯砌位移和內(nèi)力的影響，采用3種凈距（10m、20m、30m）和3種圍巖等級(jí)（Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)、Ⅴ級(jí)）向正交的計(jì)算方案，共計(jì)算9種情況。分別對(duì)新隧道開挖過程中既有隧道襯砌的位移和內(nèi)力進(jìn)行監(jiān)控。位移監(jiān)控8個(gè)點(diǎn)，內(nèi)力監(jiān)控3個(gè)點(diǎn)。測(cè)點(diǎn)布置如圖2、圖3所示。

圖2 位移監(jiān)控測(cè)點(diǎn)布置

3.3 圍巖級(jí)別的影響

當(dāng)新建隧道與既有隧道凈距一定時(shí)，在不同的圍巖級(jí)別條件下，新隧道的開挖對(duì)既有隧道襯砌的影響是不同的，這說明在近接問題中，圍巖級(jí)別是重要影響因素。

在凈距為10m的情況下，計(jì)算結(jié)果包括既有隧道襯砌的水平位移、豎直位移、彎矩變化值和軸力變化值。見圖4～圖7。

圖3 內(nèi)力監(jiān)控測(cè)點(diǎn)布置

圖4 凈距10m既有隧道襯砌的水平位移

圖5 凈距10m既有隧道襯砌的豎直位移

圖6 凈距10m既有隧道襯砌的彎矩變化

圖7 凈距10m既有隧道襯砌的軸力變化

圖4中顯示，在既有隧道右側(cè)的新隧道開挖將導(dǎo)致其向左側(cè)（遠(yuǎn)離新隧道的方向）位移；位移量隨圍巖的劣化呈增大趨勢(shì)，但并非簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。例如測(cè)點(diǎn)3（右拱腰）在Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖時(shí)的水平位移分別為：0.31mm、0.44mm、0.72mm。水平位移還與測(cè)點(diǎn)的位置有關(guān)，右邊測(cè)點(diǎn)（離新隧道較近）在每級(jí)圍巖下的位移都明顯大于左邊測(cè)點(diǎn)（離新隧道較遠(yuǎn)）位移。例如測(cè)點(diǎn)2（右拱肩）在Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖時(shí)的水平位移分別為：0.23mm、0.33mm、0.54mm，而測(cè)點(diǎn)8（左拱肩）在Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖時(shí)的水平位移分別為：0.07mm、0.15mm、0.33mm。

圖5中顯示，在既有隧道旁的新隧道開挖將導(dǎo)致其向下沉降，且沉降不均勻；沉降量隨圍巖的劣化呈增大趨勢(shì)，但并非簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。例如測(cè)點(diǎn)1（拱頂）在Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖時(shí)的沉降分別為：0.24mm、0.52mm、1.06mm。沉降還與測(cè)點(diǎn)的位置有關(guān)，右邊測(cè)點(diǎn)（離新隧道較近）在每級(jí)圍巖下的沉降都明顯大于左邊測(cè)點(diǎn)（離新隧道較遠(yuǎn)）沉降。例如測(cè)點(diǎn)4（右拱腳）在Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖時(shí)的水平位移分別為：0.33mm、0.63mm、1.21mm，而測(cè)點(diǎn)6（左拱腳）在Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖時(shí)的水平位移分別為：0.13mm、0.30mm、0.66mm。

圖6中顯示，在既有隧道旁的新隧道開挖將導(dǎo)致其二次襯砌彎矩發(fā)生變化，發(fā)生何種變化則與圍巖的等級(jí)有關(guān)，例如Ⅲ級(jí)圍巖中，3個(gè)測(cè)點(diǎn)的彎矩均變??；Ⅳ級(jí)圍巖中，測(cè)點(diǎn)1（拱頂）和測(cè)點(diǎn)2（右拱腰）的彎矩變小，而測(cè)點(diǎn)3（左拱腰）的彎矩變大；Ⅴ級(jí)圍巖中，只有測(cè)點(diǎn)2（右拱腰）的彎矩變小，而測(cè)點(diǎn)1（拱頂）和測(cè)點(diǎn)3（左拱腰）的彎矩都變大。并且隨著圍巖的劣化，彎矩的變化會(huì)越來越明顯。這是因?yàn)?，圍巖較好（Ⅲ級(jí)圍巖）的情況下，新隧道開挖引起的應(yīng)力重分布范圍較小，且圍巖剛度大，能分擔(dān)更多荷載，所以既有隧道二次襯砌的彎矩只在離新隧道很近的測(cè)點(diǎn)2（右拱腰）有較大變化；反過來圍巖較差（Ⅴ級(jí)圍巖）的情況下，新隧道開挖引起的應(yīng)力重分布范圍較大，且圍巖剛度小，只能分擔(dān)較少荷載，所以既有隧道二次襯砌的彎矩在3個(gè)測(cè)點(diǎn)都有較大變化。

圖7中顯示，在既有隧道旁的新隧道開挖將導(dǎo)致其二次襯砌軸力變大。并且隨著圍巖的劣化，軸力的增大會(huì)越來越明顯。例如測(cè)點(diǎn)1（拱頂）在Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖時(shí)的軸力增加值分別為：185kN、223kN、274kN。

在凈距為20m、30m的情況下，也有相類似的規(guī)律。

3.4 凈距的影響

當(dāng)圍巖級(jí)別條件一定時(shí)，在不同的凈距下，新隧道的開挖對(duì)既有隧道襯砌的影響是不同的，這說明在近接問題中，凈距是重要影響因素。

在Ⅴ級(jí)圍巖的情況下，計(jì)算結(jié)果包括既有隧道襯砌的水平位移、豎直位移、彎矩變化值和軸力變化值。見圖8～圖11。

圖8 V級(jí)圍巖既有隧道襯砌的水平位移

圖9 V級(jí)圍巖既有隧道襯砌的豎直位移

圖10 V級(jí)圍巖既有隧道襯砌的彎矩變化

圖11 V級(jí)圍巖既有隧道襯砌的軸力變化

圖8中顯示，在既有隧道右側(cè)的新隧道開挖將導(dǎo)致其向左側(cè)（遠(yuǎn)離新隧道的方向）位移；位移量隨凈距的增大呈減小趨勢(shì)，但并非簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。例如測(cè)點(diǎn)3（右拱腰）在凈距為10m、20m、30m時(shí)的水平位移分別為：0.72mm、0.42mm、0.23mm。水平位移還與測(cè)點(diǎn)的位置有關(guān)，右邊測(cè)點(diǎn)（離新隧道較近）在每種凈距下的位移都明顯大于左邊測(cè)點(diǎn)（離新隧道較遠(yuǎn)）位移。例如測(cè)點(diǎn)2（右拱肩）在凈距為10m、20m、30m時(shí)的水平位移分別為：0.54mm、0.32mm、0.16mm，而測(cè)點(diǎn)8（左拱肩）在凈距為10m、20m、30m時(shí)的水平位移分別為：0.33mm、0.17mm、0.06mm。

圖9中顯示，在既有隧道旁的新隧道開挖將導(dǎo)致其向下沉降，且沉降不均勻；沉降量隨凈距的增大呈減小趨勢(shì)，但并非簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。例如測(cè)點(diǎn)1（拱頂）在凈距為10m、20m、30m時(shí)的沉降分別為：1.06mm、0.53mm、0.28mm。沉降還與測(cè)點(diǎn)的位置有關(guān)，右邊測(cè)點(diǎn)（離新隧道較近）在每級(jí)圍巖下的沉降都明顯大于左邊測(cè)點(diǎn)（離新隧道較遠(yuǎn)）沉降。例如測(cè)點(diǎn)4（右拱腳）在凈距為10m、20m、30m時(shí)的水平位移分別為：1.21mm、0.76mm、0.47mm，而測(cè)點(diǎn)6（左拱腳）在凈距為10m、20m、30m時(shí)的水平位移分別為：0.66mm、0.38mm、0.22mm。

圖10中顯示，在既有隧道旁的新隧道開挖將導(dǎo)致其二次襯砌彎矩發(fā)生變化，發(fā)生何種變化則與凈距有關(guān)，例如凈距為20m、30m時(shí)，3個(gè)測(cè)點(diǎn)的彎矩均變?。粌艟酁?0m時(shí)，測(cè)點(diǎn)1（拱頂）和測(cè)點(diǎn)3（左拱腰）的彎矩變大，而測(cè)點(diǎn)2（右拱腰）的彎矩變小。并且隨著凈距的增大，彎矩的變化會(huì)越來越小。

圖11中顯示，在既有隧道旁的新隧道開挖將導(dǎo)致其二次襯砌軸力變大。隨著凈距的增大，軸力的變化也會(huì)越來越小。例如測(cè)點(diǎn)1（拱頂）在凈距為10m、20m、30m時(shí)的軸力增加值分別為：274kN、145kN、77kN。

在Ⅲ、Ⅳ級(jí)圍巖的情況下，也有相類似的規(guī)律。

4 結(jié)論 通過以上的分析，可以得出如下結(jié)論：

在隧道近接問題中，圍巖等級(jí)和凈距是重要因素；圍巖越差，新建隧道對(duì)既有隧道的影響越大；凈距越小，新建隧道對(duì)既有隧道的影響越大。綜合不同圍巖級(jí)別、不同凈距條件下新建隧道開挖對(duì)既有隧道的影響可以看出，當(dāng)凈距超過20m時(shí)，新建隧道的開挖引起襯砌位移、受力變化相對(duì)較小，既有隧道結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。據(jù)此判別杭金衢高速公路新嶺隧道凈距設(shè)計(jì)是科學(xué)合理的。

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U45

A

1004-5716(2015)11-0165-05

2014-11-04

2014-11-06

浙江省交通廳科技項(xiàng)目（2012H10）。

葉建龍（1974-），男（漢族），浙江樂清人，教授級(jí)高級(jí)工程師，現(xiàn)從事公路工程方面的設(shè)計(jì)、管理及研究工作。