新建隧道近接既有偏压隧道中锚固桩的工程机理分析

王喆

（中国铁路设计集团有限公司，天津 300000）

1 引言

在邻近既有隧道施工时，新建隧道自身施工与普通隧道的施工无异，近接隧道施工最主要的问题是新建隧道将会对既有隧道原有的稳定性产生影响。在新建隧道的开挖过程中，既有隧道与新建隧道之间围的岩实际处于临空状态，新建隧道的开挖会对既有隧道与新建隧道之间的围岩产生二次扰动，使其承载力减弱，易失稳[1]。因此，如何对近接隧道间的围岩进行加固或隔断近接隧道开挖产生的影响，以及保证既有隧道的营运安全是近接既有营运铁路隧道施工的重点及难点[2]。

浦梅铁路新建武调隧道及疏解线武调1 号隧道进口位于建宁县火车北站站内，双侧近接既有昌福铁路武调1 号隧道，如图1 所示。既有昌福铁路为设计速度目标值200 km/h 的高速铁路，车流密度大。双侧近接既有营运铁路隧道段落，地形偏压大，新建隧道埋深很浅，地质条件差，且在既有隧道施工过程中，岩层已经受到扰动。论文将依托该工程对锚固桩在新建隧道近接既有偏压隧道的工程机理进行分析。

图1 浦梅铁路近接昌福铁路既有隧道进口

2 近接段锚固桩设计

新建武调隧道及疏解线武调1 号隧道位于浦梅铁路与接轨车站建宁县北站咽喉区。武调隧道位于既有运营的高速铁路昌福铁路右侧，与昌福铁路最近处线间距约11.8 m，与昌福铁路既有隧道结构之间的最小净距仅4.4 m。对侧新建的疏解线武调1 号隧道与昌福铁路最近处线间距约9.9 m，与昌福铁路既有隧道结构之间的最小净距仅2.1 m。

新建疏解线武调1 号隧道位于既有隧道左侧，埋深浅且偏压严重，因此，SJDK227+428.7~SJDK227+517 段采用单压式明洞。并在靠近既有隧道一侧，距离新建隧道明洞衬砌外50 cm 处布置一排锚固桩，锚固桩尺寸分别为2.5 m×2 m 及1.75 m×1.5 m，桩间距5.0 m，桩长22 m（共计16 根），采用人工挖孔桩，开挖方式为非爆破开挖。人工挖孔桩与线路左侧挡墙采用截面尺寸为80 cm×60 cm 的混凝土支撑连接，支撑下部与结构之间孔隙采用C15 混凝土回填。锚固桩支挡结构如图2 所示。

图2 明洞段锚固桩加固示意图

3 数值模拟分析

模型计算采用MIDAS-GTS NX 有限元计算软件，建立三维实体模型。为减小边界约束对计算结果的影响，使模拟结果更接近实际情况，模型横向（垂直隧道方向）取150 m，纵向（沿隧道方向）取96 m，模型高度为66 m，锚固桩共16 根，桩长22 m。土层以及注浆加固区采用实体单元模拟；新建武调1 号隧道明洞衬砌、挡墙、锚固桩采用实体单元模拟；横撑用梁单元模拟；既有隧道衬砌采用实体单元模拟。地应力场按自重应力场分析，不考虑地表水头的静水压力影响。武调1 号隧道明洞衬砌、锚固桩及既有隧道建模如图3 所示。

图3 武调1 号隧道明洞衬砌、锚固桩及既有隧道建模图

结合武调1 号隧道明洞段施工模拟施工全过程，土体应力释放按照30%+70%考虑。武调1 号隧道明洞段具体施工工序为：既有隧道防护→施作洞口及明洞防排水措施→施工右侧锚固桩→施工锚固桩顶冠梁→施工左侧挡墙→施工混凝土支撑→明洞开挖→施工明洞衬砌→施作导向墙、管棚→暗挖进洞。

计算模拟时，将隧道的动态开挖过程分为41 个施工步，土体开挖和结构施作通过激活和钝化单元实现，施工步具体为：（1）建立初始应力场；（2）既有隧道开挖，建立既有隧道主体结构，重置地应力场；（3）施作锚固桩；（4）施作桩顶冠梁、横撑及挡墙；（5）开挖明洞范围土体；（6）施作明洞衬砌；（7）第（5）~（6）步依次循环。

经过数值模拟分析，锚固桩最大水平位移位于桩顶位置处，为7.5 mm。根据计算结果，既有隧道衬砌最大水平位移为4.68 mm。

从计算结果可以看出，锚固桩的最大位移位于桩顶位置处，既有隧道衬砌的位移位于靠近新建隧道侧的边墙位置处。锚固桩以及既有隧道衬砌的产生的位移主要发生于开挖明洞范围土体时，且锚固桩及既有隧道衬砌的变形随着土体的开挖逐步增大，左侧的横撑及挡墙也随之产生水平向左的位移。

4 现场监测分析

现场施工时对既有隧道K229+747~K230+017 段的衬砌结构共布置了19 个监测断面，每个断面在左右边墙及拱顶处共布置3 个测点。取隧道19 个监测断面各测点结构位移的最大值进行比较分析，各监测断面结构的最大位移值如表1所示。

表1 各断面不同位置结构位移最大值 mm

由监测数据分析可知，左右边墙的结构位移多表现为正值，即呈现向外扩张的趋势，拱顶处的结构位移多为负值，即表现出下沉的趋势。

各监测断面位移值基本在-1.5~+1.5 mm 内变化，个别断面有超出，最大位移值达到-1.95 mm，控制标准为-3~+2 mm，故结构位移处于安全范围。拱顶结构位移的绝对值最大为1.95 mm，左边墙为1.59 mm，右边墙为1.35 mm，均小于位移的控制标准。同一断面3 个测点相比较，拱顶的结构位移较左右边墙的大。监测结果基本与数值模拟分析的变形趋势相吻合。

5 结语

1）对近接隧道中间岩体采用注浆加固的效果与围岩可注性条件、注浆参数的控制关系密切。对于节理裂隙发育、破碎的地层，围岩的可注性较好，注浆对提高围岩参数效果明显。但仅仅使用单一的加固方案达不到理想的加固效果。设计采用了注浆（改良围岩地层）及锚固桩（隔断影响）的联合加固措施，可有效减小开挖对既有隧道结构的影响。

2）由数值模拟分析及现场监测分析结果可知，锚固桩以及既有隧道衬砌产生的位移主要发生于开挖明洞范围土体时，且锚固桩及既有隧道衬砌的变形随着土体的开挖逐步增大，左侧的横撑及挡墙也随之产生水平向左的位移。既有隧道衬砌的边墙的结构位移呈现向外扩张的趋势，拱顶处结构位移呈现出下沉的趋势。

3）与传统锚固桩加固措施相比，本项目所设计的桩顶混凝土横撑以及与锚固桩相连接的挡墙可减小锚固桩桩顶位移及桩后土体位移，可以更有效地减小新建隧道开挖对既有隧道结构产生的影响，防止既有隧道衬砌产生过大变形而造成结构开裂及破坏。