基于强度折减法的某隧道临近既有隧道施工安全分析

田明杰, 陈 行, 周鹏发

(西南交通大学， 四川成都 610031)

近年来，随着基础设施，尤其是交通设施(铁路、公路等)建设的发展，大量的出现了在既有线(如铁路或公路等)旁修建新线(如复线铁路、高速铁路、高等级或高速公路等)等工程现象，且规模越来越大，距离越来越近。这势必造成新建结构物与既有结构物邻近和错综复杂的关系，从而产生对既有结构物的种种不利影响。在地下工程近接施工中,新建结构物的施工会改变既有结构物的受力状态,从而对既有结构物产生不利影响。为了探讨新建隧道开挖对临近既有隧道的结构安全性影响，本文选取成昆线新建麻曲隧道与既有布祖湾隧道作为工程依托。通过强度折减法，以位移突变作为判据、以安全系数作为评价稳定性的指标，判断依据新建隧道开挖所处的三个阶段(裸洞开挖、初期支护、二次衬砌)对既有布祖湾隧道的安全性影响。

1 工程概况

1.1 麻曲隧道地质情况

麻曲隧道地处四川省凉山彝族自治州甘洛县埃岱镇。隧道全长隧道390.6 m，进口里程DK266+184.4，出口里程DK266+575，单洞双线隧道，进口紧邻埃岱尼日河1号双线大桥，进口桥台进洞，出口紧邻埃岱双线特大桥，设计为9 ‰的单面上坡。全隧位于半径R=1 600 m的左偏曲线上。隧道最大埋深约200 m，测区属河流峡谷中高山地貌，尼日河深切，地面高程1 000～1 200 m，自然坡度5～60°不等，局部较陡，地表植被较发育，多被垦为旱地，沟槽等低洼地带覆土较厚。隧道进出口地形陡峭，交通条件差。

1.2 新建麻曲隧道与既有隧道近接关系

麻曲隧道出口洞口距离既有线布祖湾隧道出口洞口水平距离约193.3 m，距布祖湾隧道洞顶高差约39.485 m。具体麻曲隧道与布祖湾隧道线路位置关系如图1所示，既有隧道与新建隧道隧道典型断面位置关系如图2所示，隧道麻曲隧道洞口与布祖湾隧道洞口位置关系如图3所示。

图1 麻曲隧道与既有布祖湾隧道线路平面位置关系

2 数值计算

2.1 计算模型

计算采用平面应变计算，部分模型如图4。其中工况1横向取154.45 m，布祖湾隧道埋深55.783 m，麻曲隧道埋深4.5 m；工况2横向取186.89 m，布祖湾隧道埋深230 m，麻曲隧道埋深180 m；工况三横向取237.19 m，布祖湾隧道埋深57.47 m，麻曲隧道埋深5.1 m，均根据实际地形建模，模型服从摩尔-库伦屈服准则。应力场按自重应力场考虑。计算断面相关位置关系如表1所示。

表1 计算断面位置关系

2.2 计算参数

相关计算参数如表2所示。

2.3 强度折减原理

强度折减法是通过对围岩的剪切强度代表值进行不断的

(a)DK266+301.4

(b)DK266+418.4

(c)DK266+575图2 隧道典型断面位置示意

图3 隧道麻曲隧道洞口与既有布祖湾隧道洞口位置关系

图4 断面1计算模型示意

名称密度/(kg·m-3)弹性模量/pa泊松比摩擦角/°内聚力/pa砂岩夹页岩24001.15×1090.42218.50×104白云岩26002.55×1090.33313.50×105白云质灰岩26001.20×1090.4221.20×105初支23002.30×10100.250.62.13×106二衬25003.15×10100.250.82.55×106

折减直至围岩达到极限破坏状态为止。下面以服从摩尔—库仑准则的材料为例来阐述强度折减法的基本原理。

令w为强度安全系数，折减后的围岩强度可以表示如下：

根据以上的式子可以得出：

式中：

c、c′分别为初始粘聚力和极限粘聚力；

φ、φ′分别为初始内摩擦角和极限内摩擦角修正值。

2.4 计算结果分析

对3种典型断面采用按既有布祖湾隧道施工完成-麻曲隧道开挖完成-麻曲隧道施作初支后-麻曲隧道施作二衬的顺序，进行施工全过程分析、折减得到各断面安全系数与位移关系曲线如图5～图7所示。

图5 断面1安全系数与位移关系曲线

图6 断面2安全系数与位移关系曲线

通过对各工况不同开挖顺序的安全系数进行汇总，得到安全系数汇总表如表3所示。

表3 安全系数汇总表

3 结论

本文选取新建麻曲隧道和既有隧道布祖湾隧道3个典型断面进行数值计算，建立有限元模型，利用强度折减法得到以下结论：

(1)通过对典型断面进行相关计算得到，既有布祖湾隧道施工完成(即新建麻曲隧道施工前)时，考察三个断面的最小安全系数为1.61，均大于1，满足规范整体稳定性要求。

(2)对新建麻曲隧道开挖完成、初支施作完成及二衬施作完成后3个典型断面的最小安全系数分别为1.22、1.56和1.60，均大于1，满足规范整体稳定性要求。

(3)新建麻曲隧道对布祖湾隧道正常运营影响不大，为了防范异常的发生。建议在施工期间，必须对既有隧道和新建隧道进行全面监控工作。采用三维激光扫描进行位移监测，并采用压力、应力等监测手段对支护结构实现受力状态监测。

[1] 仇文革. 地下工程近接施工力学原理与对策的研究[D]. 成都: 西南交通大学,2003.

[2] 陈建桦. 广深港客运专线隧道下穿地铁施工安全分析[J]. 铁道标准设计,2017,61(10):133-136+140.

[3] 申一修. 近接隧道施工影响分析与评价方法研究[D]. 武汉: 武汉理工大学,2014.

[4] 郭子红. 地下立交近接隧道稳定性的理论分析与模拟研究[D].重庆: 重庆大学,2010.

[5] 赵尚毅,郑颖人,王建华,等. 基于强度折减安全系数的边坡岩土侧压力计算方法探讨[J]. 岩石力学与工程学报,2010,29(9):1760-1766.

[6] 程芳卉,陈寿根,王建新. 浅埋暗挖近接隧道施工技术研究[J]. 四川建筑,2010,30(4):222-225.

[7] 江权,冯夏庭,向天兵. 基于强度折减原理的地下洞室群整体安全系数计算方法探讨[J]. 岩土力学,2009,30(8):2483-2488.

[8] 刘传利,漆泰岳,谭代明,等. 近接隧道施工工序的数值模拟研究[J]. 隧道建设,2009,29(1):50-53.

[9] 郑颖人,邱陈瑜,张红,等. 关于土体隧洞围岩稳定性分析方法的探索[J]. 岩石力学与工程学报,2008,(10):1968-1980.

[10] 赵尚毅,郑颖人,时卫民,等. 用有限元强度折减法求边坡稳定安全系数[J]. 岩土工程学报,2002(3):343-346.