霍曉斌 伏鵬宇 李福麗 李攀 楊凡杰

摘 要：針對目前臨既有線新建黃土隧道施工工法合理選擇的工程難點，本文在考慮既有隧道和新建隧道間距、隧道埋深等影響因素下，采用隧道洞壁最大變形、圍巖最大壓應(yīng)力以及掌子面附近圍巖損傷面積等評價指標，計算分析了常用6種施工工法下臨既有線黃土隧道圍巖的力學(xué)特征。研究得到，埋深越大和間距越小時，不同施工工法的圍巖力學(xué)特性差異性越顯著，臨既有線新建黃土隧道施工工法的選取應(yīng)側(cè)重于圍巖力學(xué)特征的考慮;而埋深越小和間距越大時，不同施工工法的圍巖力學(xué)特性差異性越小，其施工工法的選取則應(yīng)更側(cè)重于施工成本的考慮。本文研究給臨既有線的黃土隧道工程施工工法的合理選擇提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論支撐。

關(guān)鍵詞：黃土隧道;臨既有線;施工工法;圍巖力學(xué)特征;數(shù)值計算

中圖分類號：U451 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）04-0141-03

0 引言

黃土在我國的中西部分布廣泛，約占全國陸地總面積的6.63%[1]。隨著我國交通工程的快速發(fā)展，黃土地區(qū)的隧道工程逐漸增多，其中出現(xiàn)了不少臨既有線的新建隧道工程。因臨近既有線路，導(dǎo)致新建隧道施工過程中圍巖及襯砌的應(yīng)力分布異常復(fù)雜，給新增隧道的設(shè)計和施工安全提出了重大挑戰(zhàn)。

隧道建設(shè)中施工工法的合理選取是確保工程安全施工的關(guān)鍵前提。為了確保臨既有線新建隧道工程的施工安全，國內(nèi)外學(xué)者針對該類工程的施工工法開展了大量研究。如黃竹純[2]通過計算分析和現(xiàn)場監(jiān)測研究了淺埋大斷面小間距黃土隧道的施工工藝、施工參數(shù)和變形規(guī)律，并優(yōu)化了支護參數(shù);譚忠盛等[3]以桃花峪隧道工程為背景，研究了大跨小間距黃土雙線隧道的施工技術(shù)要點與合理支護體系的;楊坤[4]采用數(shù)值方法，計算分析了CRD法和臺階法在變間距西施坡雙洞隧道施工中對圍巖的影響程度;高麗和高峰[5]采用有限元分析方法，研究了不同間距對兩相鄰黃土公路隧道地震反應(yīng)的影響規(guī)律;代樹林等[6]基于京福高速公路小凈距隧道，分析探討了小凈距隧道開挖方法和中巖柱加固技術(shù);桂鉻[7]以小凈距官沖隧道工程為依托，研究了淺埋軟弱圍巖小凈距隧道受力特性和施工技術(shù)對策;任明明[8]利用有限單元法計算分析了小凈距黃土隧道先行洞的超前開挖距離對圍巖變形的影響;王童[9]基于西安市地鐵四號線存車區(qū)間隧道，采用數(shù)值計算和現(xiàn)場監(jiān)測，研究了黃土地區(qū)的淺埋小凈距隧道施工過程中的力學(xué)特性和變形規(guī)律;石磊等[10]基于墩梁隧道采用現(xiàn)場監(jiān)控量測方法，對比分析了雙側(cè)壁導(dǎo)坑、單側(cè)壁導(dǎo)坑和三臺階開挖施工工法在大斷面黃土隧道中的適用性?？梢?，現(xiàn)有研究工作主要針對小間距特定工程的施工工法及力學(xué)特性而展開，缺乏對臨既有線不同間距下黃土隧道施工工法力學(xué)特征的系統(tǒng)研究。

由于黃土隧道中施工工法的選取主要依據(jù)施工過程中圍巖及襯砌的應(yīng)力分布及變形等力學(xué)特征來確定[11]。而目前臨既有線的新建隧道施工工法的選擇主要依靠現(xiàn)場工程技術(shù)人員的經(jīng)驗判斷，具體工法缺乏相應(yīng)的評價理論。因此，有必要針對臨既有線不同間距下黃土隧道施工工法的力學(xué)特征展開系統(tǒng)研究，為施工工法的合理選擇提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論支撐。

鑒于此，本文針對臨既有線的黃土隧道工程，考慮了新建隧道臨既有線間距和隧道埋深的影響，采用數(shù)值模擬方法，計算分析了不同施工工法下圍巖的力學(xué)特征，包括洞壁最大變形、最大壓應(yīng)力以及圍巖損傷面積。

1 計算分析方案

國內(nèi)黃土隧道常用的施工工法主要為全斷面法、臺階法、環(huán)形開挖留核心土法、中隔壁法（CD法）、交叉中壁法（CRD法）以及雙側(cè)壁導(dǎo)坑法等[12]。為了系統(tǒng)分析不同施工工法下臨既有線的黃土隧道工程的力學(xué)特性，考慮了影響隧道結(jié)構(gòu)受力的離既有線間距和隧道埋深兩個主要因素，具體計算方案如表1所示。由表可知，計算方案中共考慮施工工法、隧道埋深以及新建隧道臨既有線的間距三個因素，施工工法選取了黃土隧道常用的6種工法，在調(diào)研已有黃土隧道埋深的基礎(chǔ)上確定了兩種代表性的深度（100m和30m），在考慮常見黃土隧道（洞徑10m左右）開挖影響范圍的基礎(chǔ)上選取了3種典型間距2m（<1倍洞徑）、16m（1.5倍洞徑附近）以及30m（>2倍洞徑）。通過對各影響因素的排列組合，最終得到36種計算工況。

2 數(shù)值模型的建立

建立計算數(shù)值模型時，采用黃土隧道常用的馬蹄形斷面[13]。隧道開挖寬度為11.56m，開挖高度11.08m，初襯為25cm厚C25混凝土噴層，二襯為50cm厚C35鋼筋混凝土層。

數(shù)值計算共模擬了全斷面法、三臺階七步開挖法、環(huán)形開挖預(yù)留核心土法、中隔壁法（CD法）、交叉中壁法（CRD法）和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法共6種工法的開挖過程，各施工工法的施工工序，全斷面法分為2步開挖，首先開挖拱部和直墻開挖，然后開挖仰拱;環(huán)形開挖預(yù)留核心法分為5步開挖，三臺階七步開挖法、CD法以及CRD法均分為7步開挖，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法分為6步開挖;各工法的施工工序分布按照圖中數(shù)字的順序進行。施工過程模擬時，沿隧道軸向開挖步長取為0.6m，共計算10個開挖步，掌子面距仰拱施工距離為26m。

模型寬150m，沿軸向長150m，高160m，共包含203771個單元，35304個節(jié)點。模型兩側(cè)和底部施加法向約束，頂部為自由面，考慮自重應(yīng)力。模型中包括既有隧道和新建隧道，隧道的間距、埋深及開挖方式均按設(shè)計方案設(shè)定。

由于實際黃土隧道的埋深偏淺，計算時，土體采用M-C準則，襯砌采用彈性模型。圍巖計算參數(shù)取為黃土的力學(xué)參數(shù)[13]，襯砌計算參數(shù)按黃土隧道常規(guī)設(shè)計值確定，具體計算參數(shù)見表2。

3 計算結(jié)果分析

為了合理評價不同施工工法下臨既有線的黃土隧道工程圍巖的力學(xué)特征，此處選取了隧道洞壁圍巖的最大位移、最大壓應(yīng)力以及損傷面積三個指標?？紤]到不同開挖工法下底部的臺階形狀和高度均存在差異性，而部分工法開挖時，最大變形或應(yīng)力位于待挖臺階部位。為了實現(xiàn)不同工法間的比較，計算結(jié)果分析時主要針對隧道已開挖的洞壁，而不考慮待開挖的臺階部位。此外，為評估圍巖的損傷面積，引入了基于塑性剪應(yīng)變來反映材料變形破壞過程中損傷程度的指標FAI，并取FAI>0.8為圍巖的損傷界定值[14]。

通過計算分析得到了不同施工方法下黃土隧道洞壁的最大位移、最大壓應(yīng)力以及掌子面附近圍巖損傷面積，不同工況下黃土隧道各工法施工過程中圍巖的最大變形;不同工況下黃土隧道各工法施工過程中圍巖的最大壓應(yīng)力;不同工況下黃土隧道各工法施工過程中圍巖的損傷面積。圖中工況1～6依次分別代表埋深100m和間距30m、埋深100m和間距16m、埋深100m和間距2m、埋深30m和間距30m、埋深30m和間距16m以及埋深30m和間距2m。

各施工工法中，全斷面法開挖的洞壁變形最大，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖的洞壁變形最小。各工法開挖的洞壁變形排序為：全斷面法>預(yù)留核心土法>三臺階七步開挖法>CD法>CRD法>雙側(cè)壁導(dǎo)坑法。各計算工況中，埋深越大，隧道洞壁變形越大，如工況1（埋深100m和間距30m）時，全斷面法開挖下洞壁最大變形為26.1mm，而工況4（埋深30m和間距30m）時，全斷面法開挖下洞壁最大變形為11.6mm;隧道間距越小，洞壁變形也越大，如工況3（埋深100m和間距2m）時，全斷面法開挖下洞壁最大變形為27.9mm，大于了工況1（埋深100m和間距30m）時，全斷面法開挖下洞壁的最大變形。

各施工工法開挖下圍巖的最大壓應(yīng)力與隧道埋深、間距有關(guān)。埋深100m時，全斷面法開挖的隧道圍巖壓應(yīng)力最大，CRD法開挖的隧道圍巖壓應(yīng)力最小。埋深100m時，各工法開挖的圍巖壓應(yīng)力排序為：三臺階七步開挖法>預(yù)留核心土法>CD法>全斷面法>雙側(cè)壁導(dǎo)坑法>CRD法。埋深30m時，三臺階七步開挖法開挖的隧道圍巖壓應(yīng)力最大，CD法開挖的隧道圍巖壓應(yīng)力最小。埋深30m時，各工法開挖的圍巖壓應(yīng)力排序為：三臺階七步開挖法>雙側(cè)壁導(dǎo)坑法>預(yù)留核心土法>全斷面法>CRD法>CD法。相對而言，埋深較大和間距較小時，各工法開挖的圍巖壓力差異性也較大，如在工況3（埋深100m和間距2m）下，三臺階七步開挖法對應(yīng)的圍巖最大壓應(yīng)力為40.98MPa，CRD法對應(yīng)的圍巖最大壓應(yīng)力為20.24MPa;而埋深較淺時，各工法開挖的圍巖壓力差異性也較小，圍巖最大壓應(yīng)力在6.64～14.87MPa。

各施工工法開挖下掌子面附近圍巖的損傷面積（FAI>0.8的面積）與隧道埋深、間距有關(guān)。埋深100m時，全斷面法開挖的圍巖損傷面積最大，CD法開挖的圍巖損傷面積最小。埋深100m時，除了預(yù)留核心土法在工法3（埋深100m和間距2m）時圍巖損傷面積偏小外，整體上各工法開挖的圍巖損傷面積排序為：全斷面法>雙側(cè)壁導(dǎo)坑法>CRD法>預(yù)留核心土法>三臺階七步開挖法>CD法。埋深30m時，全斷面法開挖的圍巖損傷面積最大，其余工法開挖下圍巖損傷面積的差異性不大。此處，在工況3（埋深100m和間距2m）下，大部分工法開挖的圍巖損傷面積小于工況1和工況2，主要原因是工況3下圍巖的損傷面積受限于隧道的間距，由此導(dǎo)致隧道間圍巖的損傷程度更為嚴重。

相對而言，埋深較大時，各工法開挖的圍巖損傷面積差異性也較大，如在工況2（埋深100m和間距16m）下，全斷面法掌子面附近的圍巖損傷面積為191.27m2，CD法掌子面附近的圍巖損傷面積為28.94m2;埋深較淺時，各工法開挖的圍巖壓力差異性也較小，圍巖損傷面積在0.02～23.85m2。

4 結(jié)語

為了給臨既有線的黃土隧道工程施工工法的合理選擇提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論支撐，本文在考慮隧道間距和埋深等影響因素基礎(chǔ)上，采用隧道洞壁最大變形、圍巖最大壓應(yīng)力以及掌子面附近圍巖損傷面積等指標，計算分析了不同施工工法下臨既有線的黃土隧道圍巖的力學(xué)特征。具體包括如下內(nèi)容：

（1）各計算工況中，埋深越大和隧道間距越小時，隧道洞壁變形越大。對比各施工工法時，全斷面法開挖的洞壁變形最大，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖的洞壁變形最小。按照洞壁變形的工法排序為：全斷面法>預(yù)留核心土法>三臺階七步開挖法>CD法>CRD法>雙側(cè)壁導(dǎo)坑法。

（2）各施工工法下隧道圍巖的最大壓應(yīng)力與隧道埋深、間距有關(guān)。埋深較大和間距較小時，各工法開挖的圍巖壓力差異性也較大;反之，埋深較淺和間距較大時，各工法開挖的圍巖壓力差異性也較小。埋深較大時（埋深100m），按照圍巖壓應(yīng)力的各工法排序為：三臺階七步開挖法>預(yù)留核心土法>CD法>全斷面法>雙側(cè)壁導(dǎo)坑法>CRD法。

（3）各施工工法開挖下掌子面附近圍巖的損傷面積同樣與隧道埋深有關(guān)。與圍巖壓應(yīng)力類似，埋深較大時，各工法開挖的圍巖損傷面積差異性也較大，而埋深較淺時，各工法開挖的圍巖壓力差異性也較小。埋深較大時（埋深100m），按照圍巖損傷面積的各工法排序為：全斷面法>雙側(cè)壁導(dǎo)坑法>CRD法>預(yù)留核心土法>三臺階七步開挖法>CD法。

（4）由上可知，埋深越大和間距越小時，各施工工法開挖下，圍巖力學(xué)特性的差異性越顯著;反之，各施工工法開挖下，圍巖力學(xué)特性的差異性越小。因此，埋深較大和間距較小時，黃土隧道施工工法的選取應(yīng)首先考慮圍巖的力學(xué)特性，然后兼顧施工成本;而埋深較淺和間距較大時，由施工工法導(dǎo)致的圍巖力學(xué)差異性不大，在保證施工安全的工程措施下，施工工法的選取應(yīng)更側(cè)重于施工成本的考慮。

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