既有隧道對新建隧道洞口襯砌變形影響研究

摘 要：既有隧道會對新建隧道施工造成不利影響，導(dǎo)致新建隧道施工時其洞口襯砌結(jié)構(gòu)變形不協(xié)調(diào)。因此為了研究既有隧道對相鄰新建隧道施工引起的洞口襯砌變形的影響，本文采用了數(shù)值模擬方法，揭示了相鄰新建隧道洞口襯砌結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律。研究結(jié)果表明：既有隧道對相鄰新建隧道施工引起的襯砌變形會產(chǎn)生一定影響，尤其洞口靠近既有隧道一側(cè)。新建隧道剛開挖時，洞口的襯砌結(jié)構(gòu)的最大主應(yīng)變急劇變化；當(dāng)開挖至30m時，最大主應(yīng)變趨于穩(wěn)定。在復(fù)線工程中，須特別關(guān)注洞口相鄰側(cè)襯砌拱腳區(qū)域的最大主應(yīng)變，防止襯砌結(jié)構(gòu)破壞和洞口邊坡失穩(wěn)等工程災(zāi)害。

關(guān)鍵詞：隧道復(fù)線工程；襯砌變形；數(shù)值模擬

中圖分類號：U 45" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

在我國交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展下，早期建成的單孔公路隧道在當(dāng)前交通背景下，已不滿足交通流量的需求。因此，為了提高交通通行能力，目前新建了眾多隧道復(fù)線工程[1]。但新建隧道開挖時，既有隧道會導(dǎo)致隧道洞口周邊圍巖的應(yīng)力分布發(fā)生變化，從而對新建隧道的襯砌結(jié)構(gòu)造成不利影響。王海軍等[2]探討了爆破對鄰近隧道破壞模式及荷載分布的影響，同時，周杰等[3]與鄧宏[4]通過數(shù)值模擬技術(shù)，對雙線地下工程的安全性進(jìn)行了全面評價。本文以某典型雙線隧道工程為背景，運用有限元軟件，重點分析既有隧道對相鄰新建隧道施工引起的洞口襯砌變形的影響性。

1 工程背景

本研究為雙線隧道工程，每條隧道全長均為837m，屬于一級公路。根據(jù)地質(zhì)勘察結(jié)果，這兩條隧道穿越的地層主要由凝灰熔巖構(gòu)成，圍巖表現(xiàn)出微風(fēng)化的特點，屬于硬質(zhì)巖石。雖然結(jié)構(gòu)面的連接性一般，但整體上巖體的完整性較好。由于受到區(qū)域構(gòu)造活動的影響，部分區(qū)域的巖體完整性有所下降，因此出現(xiàn)了局部的破碎現(xiàn)象?，F(xiàn)場地質(zhì)調(diào)研及新建隧道施工資料表明，在隧道挖掘過程中，地下水主要以點滴形式滲出，在開挖作業(yè)完成后，隧道的拱部容易出現(xiàn)小塊掉落、輕微坍塌以及初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形和損壞。基于這些勘察資料的綜合分析，將兩隧道的圍巖初步評定為Ⅲ級，這與巖土工程勘察報告中的圍巖等級評定是一致的。若施工中發(fā)現(xiàn)巖體破碎、節(jié)理裂隙發(fā)育或拱部掉塊等問題影響隧道穩(wěn)定性，則應(yīng)將圍巖等級下調(diào)至Ⅳ級，并增強支護(hù)措施，對洞內(nèi)的地質(zhì)進(jìn)行預(yù)報。

2 數(shù)值模擬

2.1 模型建立

考慮隧道結(jié)構(gòu)與圍巖特性，運用有限元分析軟件構(gòu)建一個精細(xì)的三維有限元模型。該模型包括一條新建隧道和一條既有隧道，兩者之間的水平距離為15m，以模擬實際工程中的相互影響。在進(jìn)行模擬計算的過程中，為保證模擬的準(zhǔn)確性，要對模型的側(cè)邊和底部邊界施加嚴(yán)格的垂直約束。在圍巖模擬方面，采用基于摩爾-庫倫準(zhǔn)則的彈塑性模型，更好地反映圍巖的力學(xué)行為。而對隧道襯砌來說，則采用彈性模型進(jìn)行模擬。為了減少固定邊界條件對隧道開挖模擬結(jié)果的潛在影響，要對圍巖模型進(jìn)行優(yōu)化，將圍巖橫向?qū)挾葦U(kuò)展至隧道直徑的5倍，并將隧道底板與圍巖模型底部的距離增至隧道直徑的4倍，從而更真實地模擬隧道開挖過程中的應(yīng)力分布。此外，為了更精確地反映地表以下的結(jié)構(gòu)受力情況，將圍巖上表面的模擬范圍延伸至地表以下100m。采用三維實體單元對隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)和圍巖體進(jìn)行詳細(xì)模擬。將支護(hù)結(jié)構(gòu)的厚度在模型中設(shè)定為1m，模擬實際工程中的支護(hù)效果。

2.2 參數(shù)設(shè)置

根據(jù)《公路隧道設(shè)計規(guī)范》（JTG 3370.1—2018），表1詳細(xì)列出了圍巖和支護(hù)材料的物理力學(xué)參數(shù)取值。在設(shè)計過程中，須根據(jù)隧道的實際地質(zhì)條件，從表中選取相應(yīng)的參數(shù)，包括材料的密度、彈性模量、泊松比等，保證設(shè)計參數(shù)的準(zhǔn)確性和隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

2.3 襯砌-圍巖相互作用關(guān)系

在有限元分析中，圍巖與襯砌的綁定關(guān)系通過“綁定接觸”實現(xiàn)，這種接觸方式保證了在接觸面上的位移完全一致，不允許兩者之間發(fā)生相對滑動。當(dāng)建立這種綁定關(guān)系時，襯砌表面被定義為分析中的主表面，而圍巖表面則作為從表面，通過相應(yīng)的設(shè)置，將這些表面綁定在一起，強制它們在整個分析過程中保持同步位移。這種綁定方法有效地模擬了襯砌與圍巖之間的緊密相互作用，保證了結(jié)構(gòu)分析的準(zhǔn)確性和可靠性。此外，為了進(jìn)一步提高模擬的精度，分析中還考慮了襯砌與圍巖之間的黏結(jié)力和摩擦力，引入這些力使模擬更加接近實際情況，從而為隧道工程的設(shè)計和施工提供更為精確的力學(xué)行為預(yù)測。

同時，在分析過程中，將生死單元法用于模擬開挖過程，通過激活或鈍化襯砌與圍巖的單元來表現(xiàn)。在初始狀態(tài)下，所有襯砌單元被鈍化。隨著開挖的進(jìn)行，開挖區(qū)域的圍巖單元被鈍化，模擬實際開挖過程。襯砌單元則在安裝過程中激活，模擬其逐漸承擔(dān)荷載的過程。這種方法能夠有效地模擬施工階段的變化，保證分析結(jié)果與實際工程狀況相符。

2.4 工況設(shè)置

在構(gòu)建模型后，右側(cè)為既有隧洞，而左側(cè)部分用于模擬新建隧道的實際開挖過程，分析新建隧洞襯砌的變形發(fā)展規(guī)律。在數(shù)值計算過程中，先對地應(yīng)力進(jìn)行平衡分析，保證隧道開挖前的穩(wěn)定性，然后對新建隧道的開挖過程進(jìn)行精細(xì)化模擬。該模擬過程涵蓋了從初步開挖至隧道輪廓逐步形成的多個階段，在此過程中，及時在模型中添加支護(hù)結(jié)構(gòu)，在圍巖壓力釋放的同時，保證隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，保障安全性。

開挖新隧道時，要對開挖進(jìn)度進(jìn)行精確控制。本次模擬涉及的總開挖深度為300m，分為11個工況，記錄了開挖前的初始狀態(tài)以及每次挖掘30m時新建隧道洞口襯砌結(jié)構(gòu)的變形情況，監(jiān)測了新建隧道洞口襯砌的最大主應(yīng)變，直至挖掘并支護(hù)完成的隧道長度達(dá)到300m。在洞口襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)立了監(jiān)測點，包括拱頂、左右拱肩、左右拱腰、左右拱腳以及拱底等位置，如圖1所示，記錄該位置的最大主應(yīng)變發(fā)展規(guī)律。

3 結(jié)果分析

3.1 新建隧道洞口襯砌整體變形

隨著新建隧道的開挖，洞口襯砌結(jié)構(gòu)的豎向變形和橫向變形數(shù)據(jù)如圖2所示：當(dāng)開挖深度30m時，拱頂下沉3.1mm，拱底上升3.6mm；當(dāng)開挖深度300m時，拱頂下沉3.3mm，拱底上升3.4mm。分析這些數(shù)據(jù)可知，在豎向變形中，拱頂下沉量隨著開挖深度增加而增加，而拱底上升量則有所減少，顯示出豎向位移的差異性變化。

橫向變形數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)開挖深度為30m時，右拱腰變化為0.33mm，左拱腰變化為0.31mm；當(dāng)開挖深度為300m時，右拱腰變化為0.46mm，左拱腰變化為0.36mm。右拱腰的變化幅度為39.3%，左拱腰的變化幅度為13.1%，表明右拱腰的橫向變形程度顯著高于左拱腰。受到既有隧道的影響，新建隧道洞口右側(cè)襯砌結(jié)構(gòu)變形更為明顯。同時還可以看出，隨著開挖深度增加，拱頂和拱底的豎向變形呈現(xiàn)出非線性增長趨勢。在初期開挖階段，變形增長較快，隨著開挖深入，變形增長速度逐漸放緩。橫向變形則呈現(xiàn)不對稱性，右側(cè)變形始終大于左側(cè)。通過綜合分析這些監(jiān)測數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)，在新建隧道開挖過程中，襯砌結(jié)構(gòu)的變形具有以下規(guī)律：豎向變形以拱頂下沉和拱底上升為主，橫向變形以拱腰部位最為顯著。變形程度與開挖深度呈正相關(guān)，但增長速度逐漸減慢。既有隧道對新建隧道襯砌結(jié)構(gòu)變形的影響表現(xiàn)為不對稱性，右側(cè)襯砌結(jié)構(gòu)變形更為嚴(yán)重。綜上所述，為進(jìn)一步研究既有隧道對相鄰新建隧道施工引起的洞口襯砌變形的影響，需要在洞口襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)置監(jiān)測點，包括拱頂、左右拱肩、左右拱腰、左右拱腳以及拱底等位置，監(jiān)測新建隧道開挖0m～300m過程中的最大主應(yīng)變的發(fā)展趨勢。

3.2 新建隧道洞口襯砌最大主應(yīng)變-開挖進(jìn)尺發(fā)展曲線

如圖3所示，新建隧道洞口襯砌上監(jiān)測點的最大主應(yīng)變發(fā)展趨勢表明，在隧道開挖的不同階段，襯砌變形的幅度存在顯著差異。新建隧道襯砌變形的開挖進(jìn)尺可分為兩個主要階段：初期開挖階段和深度開挖階段，當(dāng)新建隧道剛開挖時，襯砌結(jié)構(gòu)的最大主應(yīng)變出現(xiàn)顯著變化，這主要歸因于地層的松動和應(yīng)力重分布，導(dǎo)致襯砌結(jié)構(gòu)承受較大的變形影響。隨著開挖深度逐漸增加，襯砌結(jié)構(gòu)的變形逐漸趨于穩(wěn)定。開挖至30m時，最大主應(yīng)變-開挖進(jìn)尺發(fā)展曲線出現(xiàn)拐點，變形趨于相對平穩(wěn)。由于襯砌結(jié)構(gòu)在此階段逐漸適應(yīng)了地層的應(yīng)力變化以及有效實施支護(hù)措施，因此出現(xiàn)了拐點。

襯砌結(jié)構(gòu)在不同監(jiān)測點的變形情況是不同的。從拱頂、左拱肩、右拱肩、左拱腰、右拱腰、左拱腳、右拱腳以及拱底區(qū)域來看，開挖至300m，右拱腳的最大主應(yīng)變最大，且比左拱腳的最大主應(yīng)變數(shù)值大14.2%，同時，右拱腰的最大主應(yīng)變數(shù)值比左拱腰大2.8倍，而拱肩區(qū)域差別不大，拱肩的受拉變形較小，因此既有隧道對新建隧道的襯砌變形影響不大。

將新建隧道左右側(cè)區(qū)域的最大主應(yīng)變變化進(jìn)行比較，可以發(fā)現(xiàn)，與隧道左側(cè)區(qū)域相比，位于隧道的右側(cè)區(qū)域整體位移變化較大。新建隧道右側(cè)靠近既有隧道，左右側(cè)區(qū)域的巖體分布不均勻，而左側(cè)區(qū)域巖體相對穩(wěn)定。因此，在新建隧道施工過程中，需要采取相應(yīng)的支護(hù)措施來減少右側(cè)區(qū)域的位移變形。因此，針對既有隧道旁隧道復(fù)線的修建工程過程，應(yīng)加強同側(cè)的支護(hù)結(jié)構(gòu)強度，并隨時對同側(cè)的支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形進(jìn)行監(jiān)測，防止新建隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞及洞口段邊坡失穩(wěn)等工程災(zāi)害發(fā)生。

4 結(jié)論

既有隧道對側(cè)新建隧道開挖時的襯砌變形的影響的數(shù)值分析表明：既有隧道對新建隧道開挖時的襯砌變形存在影響，特別是靠近既有隧道一側(cè)。新建隧道的襯砌結(jié)構(gòu)變形可分為兩個階段。新建隧道剛開挖時，襯砌結(jié)構(gòu)的最大主應(yīng)變急劇變化。開挖至30m時，最大主應(yīng)變趨于穩(wěn)定。在復(fù)線工程中，需要加強相鄰側(cè)支護(hù)結(jié)構(gòu)的強度，監(jiān)測其變形情況，特別是相鄰側(cè)襯砌拱腳區(qū)域的最大主應(yīng)變，該區(qū)域受拉變形最為明顯。

參考文獻(xiàn)

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