车行横通道施工对既有隧道的影响

黄 平

中交一公局厦门工程有限公司，福建 厦门 361000

为保障长大隧道的安全运营，保证事故发生时救援疏散的通畅，需在分离式双洞隧道设置车行横通道。车行横通道开挖面积大，力学特征复杂，对隧道主洞影响较大，施工难度较大。因此，文章以某公路隧道工程为例，为保证施工过程中车行横通道和主洞的安全，建立精细化三维数值模型，按照实际工况进行分析。

1 工程概况及施工要点

某隧道全长1022m，左右洞呈分离式布置，右洞起止桩号为YK19+183～YK20+215，长1032m；左洞起止桩号为ZK19+179～ZK20+191，长1012m。车行横通道左洞桩号为ZK19+440，右洞桩号为YK19+449，车行横通道一侧有另一人行横通道，外轮廓距离人行横通道外轮廓仅3m。施工横通道需破坏原有主洞隧道的衬砌，且施工过程中不可避免会对围岩产生扰动。

车行横通道采用上下台阶法施工，每循环进尺为1榀工字钢的间距。采用开挖台车作为作业平台，手持风钻钻孔，楔形掏槽，光面爆破。根据现场情况，需增加一定的超前支护措施及锁脚锚杆。Ⅴ级围岩地段超前支护在贯通加固区域10～15m范围内采取加强措施，在满足设计Φ50mm超前小导管33根，长度为5m，纵向间距为2.4m的情况下，适当增加超前小导管数量。同时，需要提高超前小导管尾端与初期支护钢拱架焊接强度，以增强整体刚度，发挥超前小导管最佳支护能力。在贯通加固区域10～15m范围，Ⅴ级围岩锁脚锚杆采取加强措施，在满足设计Φ22mm早强砂浆锚杆数量每榀4根、长度为3.5m的情况下，适当增加长度，在接近贯通点10～15m时开始施作，必要时进行加密设置。下导坑每榀钢架底部增设2根，双侧设置。拱腰至锁脚之间加密2根，双侧设置，长度为4m。上中下三台阶的锁脚锚杆支护按照上中下台阶依次设置和加密。

2 数值模拟

采用有限元分析软件MIDAS/GTS对车行横通道的施工过程进行模拟，模型以人行横通道为核心区域，纵向取100m，横向取70m，高110m，建立计算模型。岩土体采用德鲁克-普拉格（DP准则）模型；防护结构采用弹性模型，相关计算参数如表1所示。计算主要考虑在隧道主洞已经完成的情况下，随着车行横通道施工步骤的进行，横通道衬砌的变形、受力情况，以及对周围已建成隧道衬砌的影响。横通道每次开挖1.6m，随挖随支，共分为7个施工步骤。

表1 材料计算参数

3 模拟结果分析

车行横通道洞身段、岩性接触带围岩级别以Ⅴ级为主。文章重点分析车行横通道围岩压力对横通道本身及周边已建成隧道衬砌结构安全性的影响，并对车行横通道重点区段代表性点位以及车行横通道与隧道主洞交界面的安全性进行验算。

3.1 变形量分析

横通道位移量如图1所示。由图1可以看出，在进行第1步、第2步施工步骤时，车行横通道中部位置顶部有一定变形，当进行到第3步、第4步施工步骤时，开挖掌子面已经到达车行横通道中部附近，此时的顶部变形量最大，为3.1cm，已经达到总变形量的63.7%。因为此时车行横通道的开挖进行到中部附近，所以随着车行横通道内岩体的开挖，周围围岩压力得到释放，围岩向横通道临空面收缩，当前位置位移最大。当施作衬砌之后，横通道继续向前开挖，在第5～7步施工步骤施作时，中部位置衬砌拱顶位移变化较小，这是因为此时横通道衬砌已经具有一定的承载能力，拱顶位置沉降继续发展的趋势较小。从第1步施工步骤开始，中间位置底部就开始呈现向上隆起的趋势。在第3步施工步骤时，向上隆起已经达到5cm，占总隆起量的91%。在第4步施工步骤完成以后，变形基本停止继续发展，这是因为此时中间位置衬砌已经施作完成，对周边围岩的位移有一定的约束作用，能阻止围岩的进一步变形。

图1 横通道位移量

隧道位移如图2所示。由图2可以看出，由于车行横通道从隧道右洞向隧道左洞开挖，施工对隧道右洞的影响大于隧道左洞。隧道主洞拱顶下沉量最大值为-12.9mm，拱底隆起量最大值为17.3mm，均位于车行横通道与右洞的交界处。车行横通道开挖到中间段时，隧道右洞变形已经趋于稳定，这是因为随着开挖面的推进，车行横通道已开挖断面衬砌及时支护，对隧道右洞影响越来越小。最后开挖至隧道左洞时，隧道左洞拱顶变形量为-3.4mm，拱底变形量为6.9mm，可见隧道左洞衬砌拆除对临近隧道左洞围岩扰动较大。

图2 隧道位移

3.2 安全系数检验

根据规范，深埋隧道中的整体式衬砌、浅埋隧道中的整体或复合式衬砌及明洞衬砌等应采用荷载结构法计算。深埋隧道中复合式衬砌的二次衬砌也可采用荷载结构法计算。文章采用荷载结构法，对车行横通道初期支护和二次衬砌的内力进行验算。横通道围岩级别为V级围岩，采取初期支护分担释放荷载比例为30%，二次衬砌分担释放荷载比例为70%。

车行横通道的初期支护为矩形混凝土构件，二次衬砌为钢筋混凝土矩形构件，根据《公路隧道设计细则》（JTG/T D70—2010）采用荷载结构法进行安全系数验算。选取代表性点位，计算安全系数。经计算，初期支护安全系数最小值为3.35（位于仰拱）、最大值为23.59（位于拱腰），二次衬砌安全系数最小值为6.57（位于墙底）、最大值为45.12（位于拱顶），所选取代表性点位的安全系数验算均大于规范要求，车行横通道整体结构安全性处于可接受水平。

车行横通道与主洞交界处开挖面大，受力复杂，施工风险较大，现对交界面处隧道主洞的初期支护和二次衬砌进行安全系数计算。隧道主洞的初期支护为矩形混凝土构件，二次衬砌为钢筋混凝土矩形构件，根据《公路隧道设计细则》（JTG/T D70—2010）采用荷载结构法进行安全系数计算。经计算，初期支护安全系数最小值为0.52（位于仰拱）、最大值为9.45（位于拱腰），二次衬砌安全系数最小值为3.57（位于拱腰）、最大值为18.19（位于拱顶），由计算结果可知，除了仰拱部位，所选取代表性点位的安全系数均大于规范要求，结构整体较为安全，仰拱部位应进一步结合现场情况采取一定的加强措施，确保施工安全。

4 结论

根据工程隧道地质勘查报告及设计资料等，采用数值模拟方法对车行横通道开挖工程中的力学行为特征进行分析，并对车行横通道施工完成后的初期支护和二次衬砌安全系数进行验算，得出以下结论：

（1）开挖过程中，在到达预定断面前，该断面顶部位置已经开始呈现下沉趋势；待开挖该断面时，沉降达到最大，占该位置总沉降的63.7%，继续向前开挖，拱顶的下沉趋势较小。

（2）开挖步骤开始后，中部断面底部就已经呈现隆起趋势，开挖断面达到中部断面时，底部的隆起已经达到总隆起量的91%，施作车行横通道衬砌后，拱底基本不再隆起。

（3）最后开挖至隧道左洞时，隧道左洞拱顶变形量为-3.4mm，拱底变形量为6.9mm，隧道左洞衬砌拆除对临近隧道左洞围岩扰动较大。

（4）车行横通道全部施工完成后，选取车行横通道代表性点位进行安全系数验算，结果均符合规范要求，整体安全性处于可接受水平。对车行横通道与隧道主洞交界处隧道主洞的初期支护和二次衬砌进行安全系数验算，计算结果大部分满足规范要求，还需根据现场具体情况对薄弱位置采取进一步的加强措施。