总第２７９期 ２０１６年第６期 交通科技 Ｓｅｒｉａｌ Ｎｏ．２７９ Ｎｏ．６ Ｄｅｃ．２０１６ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ 新建隧道三台阶方法对既有隧道安全性影响 郭兴方 （唐山市唐港高速公路管理处唐山０６３０００） 摘要文章以承唐高速公路承德段隧道工程为依托，采用三维建模方法，对不同的围岩类别，在一 般情况和偏压情况下，新建隧道施工过程对既有隧道衬砌结构安全性进行了分析；并通过安全等级 的划分，确定了既有隧道衬砌风险等级；通过对衬砌安全等级评定从而确定邻近隧道合适的净距。 关键词 近接隧道 隧道间距稳定性安全性 影响 在邻近隧道施工时，需要考虑的问题很多，除 了保证新建隧道自身施工安全的同时，还要密切 观察和时时监测新建隧道施工扰动是否对既有隧 道结构造成破坏，影响交通安全。文中先对平行 邻近隧道接近度进行分析，采用建模的方法，对既 有隧道的安全性进行分析，最后对衬砌安全等级 进行了评定，从而确定施工方法的可行性。 １ 平行邻近隧道接近度分析 ２建模分析 ２．１工程概况 本隧道位于承唐高速公路承德段，隧道全长 ３９９．２ ｍ，里程为ＫＯ－Ｉ－０５５～Ｋ０＋４５４．２０，于２Ｏ１４ 年底建成通车。工程通过质量监督部门的验收， 质量评定等级为优良。隧道建成约１年后，为了 改善交通运输条件，促进地方经济的发展，需在此 隧道的右侧１５ ｒｒｌ处，新建一隧道进行爆破施工。 该隧道上部覆盖第四系硬塑粉质粘土，覆盖层较 厚，厚度在０．５～５ ｒｎ。高程在１ ０００ １ ２００ ｍ之 间，隧道最大埋深与最小埋深相差很大，最大埋深 达１５０ ｍ，而最小埋深仅为２ ｒｎ，无地质构造，主 要是节理发育。洞内纵坡为１Ｏ 。经调查，隧道 左右并行隧道相互影响范围划分见表１所示。 表１左右并行隧道相互影响范围划分 衬砌局部存在轻微的病害，无渗水、漏水现象。 注：“间距”为隧道衬砌外缘到另一衬砌的最小距离；Ｄ为隧 道外径值。 收稿日期：２０１６ ０７—１８ （４）施工中拱顶下沉的监测结果显然与现场 ［２］ 陈先国，高波．重叠隧道的施工力学研究［Ｊ］．岩石力 学与工程学报，２００３，２２（４）：６０６—６１０． 监测滞后掌子面及地层中含水含砂有关，是富水 含砂软土地层隧道暗挖施工中的正常现象。 （５）由于软土含水地层条件中超前拱顶下沉 Ｆ３］徐刚，黄润秋．深埋特长隧道及其施工地质灾害 ［Ｍ］．成都：西南交通大学出版社，２０００． Ｆ４］于学馥，郑颖人．地下工程围岩稳定性分析［Ｍ］．北 京：煤炭工业出版社，１９８３． 量较大，隧道开挖后应尽早布设观测点并及时进 行量测，以较全面地掌握隧道的拱顶下沉过程。 参考文献 ［５］刘英綮，张谢东，李佳莉，等．基于反分析法的浅埋 隧道围岩应力释放率研究［Ｊ］．武汉理工大学学报 （交通科学与工程版），２０１５，３９（６）：１２５９—１２６２， ［１］王梦恕．２１世纪山岭隧道修建方法［Ｊ］．世界隧道， １９９７（３）：７９—８１． 】２６８． ５０ 郭兴方：新建隧道三台阶方法对既有隧道安全性影响 ２ｏ１６年第６期 ２．２计算模型图 既有隧道 新建隧道 本次计算采用三维模型进行分析，新建的隧 道与既有隧道问距为８～３８ ｍ，地基反力的大小 与该点的地基沉降量成正比，即…： ｄ—ｋｙ 式中： 为任一点的地基反力，Ｙ为相应点的地基 沉陷量，ｋ为弹性压缩系数，指使单位面积地基产 生单元沉陷量时所需要的力。 假定围岩弹塑性介质，并且各向同性，采用平 图２不偏压时计算模型网络图 ２．３ 计算参数 ２．３．１ 围岩力学参数 本次计算主要考虑ＩＩ，ＩＩＩ，ＩＶ类围岩组成的 面单元，既有隧道采用梁单元来模拟，新建隧道初 期支护和二次衬砌均采用梁单元模拟，支护结构 地层，对照《单线电化铁路隧道复合衬砌》图之围 岩与支护设计指标，选取计算物理力学指标，如表 ２所示。 表２ 围岩物理力学指标 围岩 Ｅ 类别 ／ｉｏ ＭＰａ Ｉ１ ＩＩ１ ＩＶ ０．０６ ０．２０ ０．７０ 为弹性体。 以隧道间距为１Ｄ，１．５Ｄ，２Ｄ，２．５Ｄ为例， （其中：Ｄ取６ ｍ）采用三台阶开挖施工。图Ｉ是 有限元计算模型在偏压情况下的网格图Ｉ图２是 在一般情况下的有限元计算模型网格图。 ）， ／，（ｋＮ．ｍ ）ｆ ／ＭＰａ ０．０８ ∞ ／（。） ２７ ０．２Ｏ Ｉ．３Ｏ ３Ｏ ３８ ２．３．２支护结构参数 图１ 偏压时计算模型网格图 支护结构参数列于表３。 表３支护结构参数 ３既有隧道安全－陛分析 ３．Ｉ 既有隧道衬砌结构安全性分析 规范规定，混凝土抗压极限强度安全系数为 Ｋ一２．４，混凝土抗拉极限强度安全系数为Ｋ＝＝＝ ３．６，计算得到衬砌安全系数见表４Ｉ２］。 表４ 围岩既有隧道衬砌右边墙安全系数变化 相对降低百分ＩＺ／ ２０．９８ Ｉ４．Ｉ６ ９．６２ ６．８７ ３．９４ 由表４分析可知：新建隧道开挖后。会造成周 响程度最大。随着间距的增大，这种影响程度会 围土体产生扰动，造成围岩应力重分布，因而影响 了隧道结构的安全。通过计算结果可知，由于隧 道右边墙紧靠新建隧道，所以受扰动的程度要比 其他地方严重，导致安全系数更低，同时，由于新 建隧道与既有隧道之间的问距不同，相互影响程 越来越小。 ３．２既有隧道衬砌变形分析 在隧道邻近施工时，既有隧道衬砌变形情况 受施工荷载的大小、隧道间距、围岩类型以及衬砌 自身结构等因素的影响，这里主要考虑了隧道间 距和围岩类型对衬砌变形的影响。以ＩＩＩ，ＩＶ类 度也不一样，当两隧道间距小于１Ｄ时，受到的影 ２０１６年第６期 郭兴方：新建隧道三台阶方法对既有隧道安全性影响 ５１ 由表５可见，ＩＩＩ类围岩衬砌位移变形要大于 ３．３既有隧道衬砌偏压情况 为了考察邻近隧道施工中偏压的影响，以ＩＩＩ 类围岩为例，对０．５Ｄ间距和２Ｄ问距的２种情况 进行了计算分析，见表６。 ＩＶ类围岩，但是不管是ＩＩＩ类围岩或是ＩＶ类围 岩，其变化规律基本是一致的，都是随着隧道间距 的增加，位移相应减小并渐趋收敛 引。 表６ ＩＩＩ类围岩既有隧道衬砌右边墙安全系数变化 由表６可知，围岩偏压的存在加大了邻近隧 由表８可见，当净距为１Ｄ和１．５Ｄ时，属于ＩＩＩ 级，风险可控。当净距在２Ｄ和２．５Ｄ时，风险可忽 略不计。可见采用三台阶法开挖是完全可行的。 ５ 小结 道施工影响，衬砌右边墙安全系数下降分别由一 般情况的２６．７ 与９．２ 上升到３７．７ 和 １４．３ 。所以，对于ＩＩＩ类围岩，从截面安全性的 角度看，在隧道间距为０．５Ｄ的情况下，偏压加大 对邻近施工影响增加了将近ｌＯ ｌ＿４］。 ４衬砌安全等级评定 （１）隧道并列修建时，既有隧道会向新建隧 道发生拉伸位移和变形。由于产生的力的不平 衡，对隧道衬砌产生不良的影响，受影响程度的大 小与两隧道间距息息相关。由于新建隧道和既有 按照分段情况评定衬砌病害缺陷等级，隧道 衬砌等级划分见表７。 表７隧道安全等级划分 隧道衬砌右边墙紧邻，所以受到的影响程度要比 其他的地方要大，安全系数影响程度也大Ｌ６ｊ。 （２）在施工过程中，当临近隧道间距≥１Ｄ 时，属于ＩＩＩ级风险，满足规范要求，当隧道间距 小于１Ｄ时，衬砌的安全系数不满足规范要求。 所在在施工过程中，要严格控制邻近隧道的间距。 对既有隧道段衬砌的病害调查发现，隧道衬砌 局部存在轻微的病害，无渗水、漏水现象，结合该 表，可判定为既有隧道衬砌的安全等级为Ｃ级。 《铁路隧道施工规范》＿５ 对既有隧道的衬砌取 拉应力增加值为０．５ ＭＰａ，压应力容许增加值为 ２．０ ＭＰａ。由于受篇幅限制，最大拉、压应力的增 加值的计算过程不一一进行阐述，根据衬砌破坏 风险等级划分，将既有隧道衬砌破坏风险分析列 表如下，见表８。 表８既有隧道衬砌破坏风险 参考文献 Ｅｌｉ潘昌实．隧道力学数值方法［Ｍ］．北京：中国铁道出 版社，１９９５． ［２］关宝树．隧道工程理论与实践ＥＭ］．成都：西南交通 大学出版社，２０００． ［３９潘晓马，张成满．新建隧道施工对邻近既有隧道安 全性影响数值分析［Ｊ］．铁道建筑技术，２００２（１）： ７９—８ｌ＿ Ｅ４］曲磊．拟建比邻建筑对既有隧道的技术影响分析 ［Ｄ］．青岛：青岛理工大学，２０１３． Ｅ５］铁路隧道施工规范：ＴＢＪ２０４—８６．北京：中国铁道出 版社，１９８６．
