冯广

（广东省交通规划设计研究院集团股份有限公司，广东 广州 510635）

0 引言

“十三五”以来，大批公路和铁路重点项目顺利实施，也出现了大量近接工程施工，对此类问题需专门采取对策以防止施工过程中对临近既有建、构筑物产生不利影响。对近接工程的研究已成为当前地下工程研究的重要方向之一[1-2]。目前诸多学者对大跨度小净距隧道的设计与施工方法、施工过程中的力学行为、中夹岩柱稳定性等方面进行了卓有成效的研究[3-5]。但国内外对在既有隧道旁新建小净距超大跨度隧道的研究尚不多见。

为了更好地确定小净距隧道在不同净距条件下新建超大跨度隧道施工过程中的力学行为，本文以沈海高速汕尾陆丰至深圳龙岗段改扩建工程圆墩隧道为为依托，以隧道洞口浅埋段Ⅴ级围岩为研究对象，利用有限元软件建立了多个模型，研究不同净距条件下施工过程中隧道的受力和变形，并研究其对临近既有隧道的影响，可为类似工程设计和施工提供参考。

1 工程地质概况

1.1 工程概况

沈海高速既有圆墩山隧道位于广东省汕尾市海丰县，设计为双向四车道分离式隧道，设计时速80km/h，既有隧道限界标准为单洞净宽10.0m，净高7.21m，行车道宽2m×3.5m，检修道有效宽度0.5m，隧道结构采用复合式衬砌和模筑衬砌。

沈海高速汕尾陆丰至深圳龙岗段改扩建工程新建圆墩1 号隧道为单洞四车道超大跨度隧道，设计时速120km/h，隧道长467m，隧道建筑限界净宽20.25m，净高12.3m，隧道最大开挖宽度22.65m，图1为隧道内轮廓设计图。

图1 隧道内轮廓设计图

1.2 地质条件

隧道穿过山区地貌，地面标高17.6～131.5m，相对高差约113.9m，山体植被发育，地形陡峻。

根据钻孔及地质调绘成果可知，隧址区地层岩性为坡残积粉质粘土、侏罗系砂岩及其风化层。隧址区地下水类型为第四系松散层孔隙水及基岩裂隙水，分别赋存于坡残积层、基岩岩层，水位埋深随季节变化，水量受基岩裂隙发育程度影响，局部破碎带可能富集。地下水以大气降雨补给为主，以蒸发、侧向径流为主要排泄方式。隧址区山体连绵起伏，植被茂盛，地下水补给充足，总体而言，隧址区地下水量较丰富。

2 数值模型建立与参数选取

2.1 数值模拟工况选择

为研究不同净距条件下，施工过程中的隧道变形及力学特征以及对临近既有隧道的影响程度，本文以沈海高速汕尾陆丰至深圳龙岗段改扩建工程为依托，以圆墩1号隧道洞口浅埋段Ⅴ级围岩为研究对象，通过有限元计算方法，研究隧道净距变化对围岩力学行为及稳定性的影响规律，并以此判断对运营隧道的影响。本次研究选取净距为0.3D、0.4D、0.5D、0.6D、0.8D、1D（D=21.6m，隧道开挖宽度）等6种工况建立数值模型，分析其力学特性。

2.2 模型简化与参数选取

选取隧道洞身Ⅴ级围岩浅埋段典型断面进行计算，该断面平均埋深约40m，围岩以侏罗系强～中风化砂岩为主，岩体较破碎，裂隙较发育。四车道隧道初支采用0.3m厚C25喷射混凝土和HW200a钢架，钢架间距为50cm，锚杆采用Φ50 注浆小导管，锚杆长度为L=5m，间距为100cm×100cm，临时支护采用26cm 厚C25 喷射混凝土，Ⅰ22b型钢支撑。隧道围岩及支护结构参数见表1。

表1 隧道围岩及支护结构参数表

为简化模型，隧道所用锚杆用锚杆加固圈代替，钢支撑通过抗压刚度相等的原则，将弹性模量折算到混凝土中，计算公式为：

式中：

E——折算以后混凝土的弹性模量；

E0——原混凝土的弹性模量；

Sg——钢拱架截面面积；

Eg——钢材弹性模量；

Sc——混凝土截面积。

2.3 数值计算模型建立

模型尺寸为：隧道横向取170m（大于3.5倍洞径），竖直方向上，向下取至隧道仰拱以下60m，向上取至地表。由于既有隧道已通车20余年，可认为初期支护已与围岩共同形成一个整体，故本次模拟仅考虑既有隧道二衬的支护作用。为满足计算精度且能提高计算效率，从隧道结构至外侧网格逐渐稀疏，建立的隧道数值模型如图2所示。

图2 有限元分析模型

3 数值计算结果分析

3.1 新建隧道围岩受力分析

在新奥法施工中，承载地应力的主要是围岩体本身，采用锚喷支护的主要作用是使围岩体自身的承载能力得到最大限度的发挥。因此从某种程度来讲，围岩所起的作用最为重要。在既有隧道旁新建超大跨度隧道势必引起围岩应力重新分布，从而导致周边构筑物产生沉降、变形甚至破坏。因此，对不同净距条件下围岩应力的分布和变化进行研究具有极其重要的意义。限于篇幅，仅列出0.3D和1D2种工况下围岩第一主应力云图，见图3。

图3 不同净距下围岩最大主应力云图

对图3进行分析可以发现，不同净距下围岩应力的分布大致呈现相同的规律，即新建的超大跨度隧道在拱肩和仰拱两侧出现拉应力，在拱脚尤其是靠中夹岩一侧出现了较为集中的压应力，且净距越小，最大拉应力和压应力越大，对围岩及支护结构的稳定性越不利。考虑到隧道软弱围岩抗拉强度极低，设计及施工过程中需重点关注隧道拉应力集中的部位，即两侧拱肩，通过加强超前支护及初期支护等措施防范于未然。

3.2 新建隧道围岩位移分析

对软弱围岩超大跨度小净距隧道，控制施工引起的围岩位移是确保施工安全的重要手段。因此研究围岩的变形和稳定情况，揭示其内在变化规律对设计及施工均具有重要指导意义。0.3D和1D两种工况下，围岩竖向位移云图见图4所示，不同净距下围岩最大沉降见图5所示。

图4 不同净距下围岩竖向位移云图

图5 不同净距下围岩最大沉降（单位：mm）

从图4～图5可知：新建超大跨度隧道时，新建隧道周边围岩的变形规律大致相同，在拱顶出现沉降，在仰拱底部出现隆起。且隧道净距变化对浅埋段地表沉降及隧道拱顶围岩沉降具有显著影响，净距越小，地表及拱顶沉降量越大。净距由0.6D变化至0.5D时，拱顶沉降变化较为明显，增大了17.3%；净距由0.5D变化至0.3D时，拱顶沉降变化不大，仅增大了10.7%。

3.3 新建隧道对既有隧道的影响

3.3.1 既有隧道位移分析

图6为不同净距条件下既有隧道的水平和竖向位移。从图6中可以看出：小净距新建超大跨度隧道会使既有隧道产生向下的沉降和指向远离新建隧道一侧的水平位移，这主要是因为新建隧道的开挖，使围岩应力重新分布，原来的平衡状态被打破，既有隧道衬砌结构在左侧侧向围岩压力的强迫作用下，发生向右的位移，净距越小，新建隧道的施工对既有隧道的不利影响越大。净距由0.4D变化至0.3D时，既有隧道水平位移和拱顶沉降变化最为明显，其中水平位移增大了27.2%，拱顶沉降增大了17.9%。

图6 不同净距下既有隧道最大水平位移和拱顶沉降（单位：mm）

3.3.2 既有隧道应力增量分析

对近接工程施工过程中的安全性判别，应以既有隧道的变形或受力特征来进行评估。根据日本接近既有隧道施工对策指南中的相关研究，对于衬砌应力可参照采用以下基准值[6]来进行判断。

因依托工程圆墩山隧道已通车20余年，根据过往定检报告，隧道多处存在纵向、环向及斜向裂缝，但尚未出现影响行车安全的危险性损伤。根据表2可判断其健全度为“有不影响隧道功能的损伤”，故取拉应力增加容许值为0.5MPa，压应力增加容许值为2MPa。

表2 衬砌应力增加容许值（MPa）

各工况下，既有隧道第一和第三主应力增量具体数值如表3所示。根据表3可知，当净距不小于0.5D时，新建超大跨度隧道使既有隧道产生的拉压应力增量均不会超过其容许值，表明既有隧道结构是安全的；当净距小于0.5D时，既有隧道最大拉应力增量未超过其容许值0.5MPa，但最大压应力增量已超过其容许值2MPa，表明此时既有隧道结构处于不稳定状态，有可能发生破坏。因此，对于软弱围岩超大跨度小净距隧道，最小净距不宜小于0.5倍单洞跨度，在路线方案设计阶段，隧道净距选择时需尤其注意。

表3 既有隧道各点主应力增加值（MPa）

4 结束语

综上所述，本文以沈海高速汕尾陆丰至深圳龙岗段改扩建工程圆墩隧道为依托，以隧道洞口浅埋段Ⅴ级围岩为研究对象，通过ANSYS数值模拟软件计算分析了不同净距条件下，新建超大跨度隧道自身和既有隧道的应力和变形情况，得出了以下几点结论：

（1）在既有隧道旁新建超大跨度隧道时，不同净距下，其内力和变形规律基本相同：即在拱肩和仰拱两侧出现拉应力，在拱脚尤其是靠中夹岩一侧出现了较为集中的压应力，且净距越小，最大拉压应力越大，围岩变形也越大。

（2）小净距新建超大跨度隧道会使既有隧道产生向下的沉降和指向远离新建隧道一侧的水平位移，净距由0.4D变化至0.3D时，既有隧道水平位移和拱顶沉降变化最为明显，其中水平位移增大了27.2%，拱顶沉降增大了17.9%。

（3）小净距新建超大跨度隧道会使既有隧道产生应力增量，当净距小于0.5D时，最大压应力增量已超过其容许值2MPa。因此，对于软弱围岩超大跨度小净距隧道，建议最小净距不宜小于0.5倍单洞跨度。