新建隧道施工对既有煤矿巷道稳定性影响

林礼华

(福建省交通规划设计院有限公司，福建 福州 350004)

随着城市经济的发展，物流服务对商品配送间隔、配送速度等提出越来越高的要求，高速公路、铁路的运输压力随之增加。新建高速公路在遇到山岭时，只能通过修建隧道穿越山体，而很多山体蕴含大量的矿产资源，矿产通过小洞径巷道被挖掘，不可避免地会遇到近接施工问题。新建隧道上穿既有巷道时，会对巷道周围土体产生二次扰动，致使巷道产生结构变形。如何确保新建隧道和既有巷道在施工和运营期间的安全，保障项目顺利推进，成为工程面临的普遍问题。

许多学者针对上述问题开展了相关研究，贾宝新等[1]应用FLAC3D软件模拟在不同覆土厚度、交叉角度的情况下，新建隧道对既有隧道的影响规律；陈卫忠等[2]根据现场施工条件并通过数值计算，提出了新建隧道和既有隧道交叉段的合理施工工法；刘镇等[3]分别研究了在均一土层、上软下硬地层以及长距离硬岩等三种复合地层下，新建盾构隧道正交下穿施工对既有隧道沉降的影响；陈建刚[4]研究了近接隧道工程中两隧道间距、交叉角度、新建隧道洞径对既有隧道的变形和受力的影响；李磊等[5]对上海地铁新建11号线与既有4号线形成四线叠交的特殊工况进行研究，得出既有隧道的变形集中在新建隧道中心线左右2.5倍盾构外径范围内；孙玉永等[6]对不同埋深的既有隧道下方的土压力进行分析，并给出了近距离下穿既有隧道的盾构施工参数；申文明等[7]对近距离接近隧道中土体、盾构管片以及既有隧道的相互作用机理进行研究，分析上跨问题的卸荷机理；张强[8]通过分析城市新建铁路隧道开挖卸荷对下方既有隧道的竖向变形影响，得到基于可靠性分析的开挖卸荷下既有隧道竖向变形控制值。

上述大多研究集中在新建城市盾构隧道对既有隧道结构、变形的影响，而对采用新奥法施工的山岭隧道上穿既有巷道时，巷道围岩应力、应变变化规律的研究较少。本文针对翠屏山隧道与翠屏山煤矿巷道交叉段的特殊工况，分析新建隧道施工对围岩和煤矿巷道变形和应力的影响，通过有限元数值模拟验证现场施工工法的可靠性。

1 工程概况

翠屏山隧道与已建翠屏山煤矿巷道交叉，交叉段位于皮带井上方，交叉角度52°。交叉段翠屏山隧道右洞埋深约35 m，左洞埋深约25 m，左右洞净距约21 m，由大里程方向往小里程方向施工。交叉段皮带井洞径3.6 m，标高398 m，如图1所示。

图1 新建隧道与既有巷道交叉关系示意图Fig.1 Schematic diagram of the intersection of a new tunnel and an existing roadway

根据翠屏山隧道地质勘探资料，新建隧道与煤矿巷道交叉位置穿越岩层为V级围岩，围岩为强风化～中风化粉砂质泥岩。裂隙极发育，岩体极破碎，呈散体～碎裂状结构，岩体基本质量指标修正值[BQ]<250；地下水主要为基岩风化层孔隙裂隙水，水量较小，自稳能力差，侧壁和拱部易发生大的坍塌，洞口仰坡不稳定，有偏压。翠屏山新建隧道交叉段采用复合式衬砌。

2 交叉段施工方法

2.1 开挖方法

翠屏山隧道与翠屏山煤矿巷道交叉段岩层为V级围岩，根据围岩特性以及施工机械配备情况，交叉段范围内采用双侧壁导坑法开挖，由于岩质较差采用机械开挖以减少围岩扰动。先对隧道两侧壁导坑进行开挖，及时施作初期支护及边墙衬砌以形成闭合环，隧道拱部及下台阶和仰拱采用两台阶法进行开挖。

2.2 支护方式

(1)初期支护采用喷、锚、网、钢支撑支护：全环采用C25喷射混凝土(厚度32 cm)；拱墙(除中夹岩处)采用Φ25 mm中空注浆锚杆，长度4.0 m，间距0.8 m×0.8 m，梅花形布置；拱墙采用A8型钢筋焊接网，钢筋直径Φ8 mm，间距20 cm×20 cm；全环采用工22b型钢支撑，纵向间距0.7 m。

(2)二次衬砌采用模筑钢筋混凝土结构：拱墙采用C35防水钢筋混凝土(厚度55 cm，主筋25@10 cm，分布筋16@20 cm)，仰拱采用C35普通钢筋混凝土(厚度55 cm，主筋25@10 cm，分布筋20@20 cm)。

2.3 注浆加固方案

交叉段的处理原则为“先开挖后加固”，注浆加固范围为隧道下半断面开挖轮廓线外5 m；小导管采用Φ42 mm×3 mm热轧无缝钢管，长度5 m，环向间距1.0 m，纵向间距1.0 m，梅花形布置。注浆材料采用普通水泥浆液，水灰比为1∶1。注浆压力(终压值)为0.5～1.0 MPa。在注浆施工前，进行注浆试验，以调整注浆参数；在注浆施工中，及时做好施工记录，包括孔位、孔径、孔深、浆液配比、注浆压力、注浆量、跑浆、串浆等内容，并根据浆液扩散情况、注浆量、注浆压力等调整注浆参数[9]。

3 三维有限元模拟

由于新建的翠屏山隧道与煤矿巷道较近，斜交角度为52°，相交段受力施工力学形态较复杂，对翠屏山隧道上跨煤矿巷道段采用三维有限元分析新建隧道施工过程中围岩及煤矿巷道的位移及内力变化。

3.1 几何模型

以翠屏山隧道与煤矿巷道相交段为核心区域，纵向取200 m，横向取200 m，高度为原地表地形线，建立计算模型。岩土体采用理想弹塑性模型及摩尔-库伦破坏准则；支护结构采用弹性模型。对于新建隧道施工过程的动态模拟，用改变单元材料的方法实现。煤矿巷道和隧道开挖进尺均简化为全隧洞一次性开挖。

3.2 三维有限元网格划分

采用3D实体单元模拟岩体、板壳单元模拟初期支护喷射混凝土。图2、图3为剖分得到的三维有限元网格图[10]，共50 970个节点，242 752个单元。

图2 有限元网格图Fig.2 Finite element mesh diagram

图3 隧道交叉段有限元网格图Fig.3 Finite element mesh diagram of tunnel intersection

3.3 地层和材料参数

隧道围岩力学参数参照《公路隧道设计规范》(JTG D70-2004)并结合翠屏山隧道地质勘察报告选取，围岩力学参数如表1所示，支护结构物理、力学参数如表2所示。

表1 围岩力学参数指标Tab.1 Index of the mechanic parameters of the surrounding rock

表2 支护结构物理、力学参数Tab.2 Physical and mechanical parameters of the support structure

3.4 边界条件与施工过程模拟

(1)边界条件

位移边界条件：限制岩土体四周水平方向的位移，模型底部约束其在竖直方向的位移，上表为自由边界。

荷载边界条件：施加自重荷载，并进行初始地应平衡。

(2)施工过程模拟

对隧道开挖、初期支护和二次衬砌施作的全过程进行模拟，并考虑在施工期间开挖引起荷载分步释放[11]。本项目翠屏山隧道与交叉段为V级围岩，因此，基于安全考虑，仅模拟初期支护，开挖释放荷载由围岩、初支承担。根据相关规范，通过设置荷载释放系数控制每个阶段荷载释放比例，开挖结束时70%荷载得到释放，剩余30%荷载在初期支护施作完成后得到释放。

4 主要计算结果分析

本文采用位移、应力以及应力变化比例值三个指标探究新建隧道对既有煤矿巷道的影响。计算得到的主要结果如下，其中数值力的单位为kN，长度单位为m，应力结果以拉应力为正。

4.1 围岩及煤矿巷道变形

图4为最后施工步得到的围岩竖向位移云图。从图4可以看出，由于隧道开挖引起新建隧道拱顶以上围岩沉降以及仰拱以下围岩隆起，拱顶最大沉降量约为12.1 mm，仰拱最大隆起量约为12.4 mm，说明隧道开挖后，应力重分布使得拱顶下沉，拱底由于失去上部岩体荷载，出现了小幅度抬升[2]。煤矿巷道顶部最大沉降量约为4.6 mm，仰拱最大隆起量约为0.7 mm。上方隧道开挖卸载后，下方巷道上浮，拱顶受压而沉降，仰拱隆起，巷道净空收敛。

图4 围岩竖向变形云图Fig.4 Vertical deformation nephogram of the surrounding rock

4.2 围岩及煤矿巷道应力

图5所示为主隧道开挖后巷道顶部中线主应力值(每10 m取一点读值)，从图5可以看出，煤矿巷道拱顶最大主压应力为1.85 MPa，未出现拉应力，这是由于新建隧道开挖产生卸荷作用，巷道顶部受到上部土体约束而产生压应力[12]。结合地勘报告，最大主压应力小于围岩的抗压强度，因此，隧道及煤矿巷道周边围岩整体上是稳定的，说明开挖方法是合理的。

图5 隧道开挖后巷道顶部中线主应力Fig.5 Main line stress at the top of the roadway after tunnel excavation

4.3 开挖影响范围分析

主隧道开挖前后巷道顶部的最大主应力变化比例值(每10 m取一点读值)如图6所示，从图6可得出节点10-13，15-18范围的最大主应力变化比例值超出10%，由此可得巷道受影响范围为左洞中线外侧20 m(节点10)到右洞中线外侧10 m(节点18)之间。巷道与新建隧道呈一定角度斜交，左洞中心线与巷道净间距小于右洞，左洞开挖对巷道顶部围岩应力影响较大；巷道应力变化比例值在交叉处达到最大且左右对称。

图6 开挖前后的最大主应力变化比例值Fig.6 Maximum principal stress change ratio before and after excavation

5 结论

对翠屏山隧道上跨既有煤矿巷道段进行数值模拟分析，并结合现场施工方法，研究了新建隧道对既有巷道变形和应力的影响，得出以下结论：

1)隧道开挖引起下方巷道拱顶最大沉降量为4.6 mm，仰拱最大隆起量为0.7 mm。上方隧道开挖卸载后，下方巷道上浮，拱顶受压而沉降，仰拱隆起，巷道净空收敛。

2)巷道最大主压应力为1.85 MPa。新建隧道开挖产生卸荷作用，巷道顶部受到上部土体的约束而产生压应力。翠屏山隧道开挖完成后，翠屏山隧道支护结构和煤矿巷道周边围岩均未出现拉应力，全部为压应力，压应力最大值未超过支护结构的承载能力，结构较安全。

3)隧道开挖前后左洞下方巷道拱顶最大主应力变化比例值最大达到42%，该段范围应加强监控并进行注浆加固。新建隧道引起的既有巷道围岩应力变化比例值随其间距的减少而增大，在交叉处达到最大且左右对称。

4)近接隧道施工时，对于该类地质条件下的交叉段内采用双侧壁导坑法，隧道开挖引起的围岩变形量较小，施工方法较合理。