上下交疊隧道近接施工力學特性的監控量測與數值模擬分析

陳培煌

（中鐵二十二局集團第三工程有限公司 福建廈門 361010）

1 引言

上下交疊隧道近接施工的工程實例通常出現在城市地鐵隧道建設中，許多學者已針對盾構法隧道近接施工的力學響應問題，展開了深入研究［1-2］。近年來隨著我國交通基礎設施建設規模的不斷擴大，山嶺隧道中也開始出現上下交疊近接施工的案例［3］。

王清標等［4］在FLAC3D平臺上，研究了近接交疊隧道施工中，不同開挖方式對圍巖變形的影響，認為CRD法對圍巖變形的控制效果優于眼鏡法和臺階法。毛新穎等［5］采用有限差分法對地鐵盾構下穿公路隧道的施工全過程展開數值模擬，發現既有隧道的存在對地層變形有一定約束作用，距離公路隧道越近，由盾構穿越引起的地面橫向沉降越小。饒竹紅等［6］在PLAXIS平臺上，對海相淤泥地層中的交疊隧道的施工過程展開數值模擬，認為新建隧道下穿施工對周圍地層影響極大，造成既有線路下沉14 mm，地表沉降69 mm。龔倫等［7］依托連霍高速公路路塹擴挖工程，采用模型試驗、數值模擬和現場監控等手段研究了上方路塹開挖對下伏既有鐵路隧道的影響，給出保障既有隧道安全運營的臨界埋深。

綜上所述，隨著交通基礎設施建設的迅猛發展，山嶺隧道中近接施工的案例開始逐漸增多；同時由于近接施工問題的特殊性與復雜性，對其施工力學特性展開細致分析，是當前隧道與地下工程建設中的熱點與難點問題。本文以廈門北動車應用所新建劉塘隧道，上跨穿越既有杭深線鐵路隧道的近接施工為背景，利用現場監測和數值模擬手段，對山嶺隧道上下交疊近接施工的力學特性展開深入研究，為新建劉塘隧道的安全施工提供技術支持，也為其他類似近接穿越工程提供參考。

2 工程概況

廈門北動車運用所新建劉塘隧道位于福建省廈門市境內，穿越大帽山丘陵中的一段相對低緩山脊，其地表覆蓋層（第四紀全新統坡積、殘積土）厚度約為1～5 m不等，全～強風化層約為1～10 m不等，下伏基巖為燕山早期花崗巖。隧道所穿越地層主要為中風化花崗巖，其洞身范圍內地質構造較簡單，無斷裂帶或其他不良地質體存在。

該隧道在DK1+480里程處，上跨杭深鐵路既有劉塘隧道（其對應里程為DK240+840），其上跨段的平面示意圖與橫斷面示意圖，分別如圖1和圖2所示。

圖1 新建劉塘隧道上跨既有劉塘隧道的平面示意

圖2 新建劉塘隧道上跨既有劉塘隧道的橫斷面示意（單位：cm）

上下交疊兩座隧道的軸線平面交角為31.5°，上跨段全長約135 m，其中相交斷面前后20 m內為正跨段，其余95 m為相鄰段。

上跨新建隧道為單洞單線鐵路隧道，其內輪廓高度和寬度分別為6.7 m和6.5 m；下伏既有隧道為單洞雙線鐵路隧道，其內輪廓高度和寬度分別為8.8 m和13.2 m。在其交叉斷面處，二者外輪廓之間的最小凈距僅有6.3 m。

上跨段范圍內的地層主要為中風化花崗巖，構造節理或風化節理稍發育，圍巖等級為Ⅳ級。

3 上下交疊隧道的精細化數值模擬

近接施工使得影響區附近的巖體和支護結構的力學特性發生復雜變化，探討近接施工的力學響應規律，對上下交疊隧道的設計與施工有重要意義。本文在FLAC3D數值平臺上，對上下交疊隧道近接施工全過程展開細致模擬，通過數值計算結果與現場監控量測結果的比較，為探討上下交疊隧道近接施工的力學特性，提供可靠的數據支持與工程驗證。

3.1 數值模型建立

數值模型由上下兩部分組成，上部為新建劉塘隧道，下部為既有劉塘隧道，其整體尺寸（長×寬×高）為160 m×52 m×87 m，如圖3所示。模型頂面取自由邊界，但施加0.9 MPa的豎向壓力，大致對應50 m的上覆圍巖。模型側面為法向約束邊界，模型底面為全約束邊界。

圖3 上下交疊隧道數值模型示意

圍巖采用8節點六面體單元模擬（共計108 558個單元），其本構采用摩爾-庫倫模型。根據工程地質勘查報告［8］，隧道穿越地層為中風化花崗巖，其主要物性參數如表1所示。

表1 圍巖（中風化花崗巖）物性參數

既有隧道的二襯采用3節點Liner單元模擬，其初支并非本文研究重點，故簡單將其等效為周邊圍巖強度參數提高20%來考慮。新建隧道初支中的噴砼采用3節點Liner單元模擬，錨桿采用2節點cable單元模擬。上述各結構單元均采用線彈性本構，其主要物性參數如表2所示。

表2 結構單元物性參數

3.2 開挖過程及典型工況

上下交疊隧道近接施工過程的數值模擬，可大致分為以下3大步驟：（1）初始地層在自重作用下達到地應力平衡，并將位移清零；（2）采用上下臺階法將下伏隧道逐段開挖，并逐段施作二襯，再次將位移清零；（3）采用上下臺階法對上跨隧道進行逐段開挖，單循環進尺1 m，并逐段施作初期支護（噴砼與錨桿），同時記錄初支及圍巖中若干關鍵點的位移與內力情況，如圖4所示。

圖4 新建劉塘隧道開挖工況示意

4 上下交疊隧道近接施工的力學特性

選取正跨段交叉斷面（即新建隧道DK1+480和既有隧道DK2+240）為目標斷面，研究上下兩座隧道水平收斂、拱頂沉降隨施工步的發展規律，研究下伏既有隧道襯砌結構的內力變化規律。

4.1 上跨新建隧道的位移

根據數值模擬結果，新建隧道目標斷面的水平收斂與拱頂沉降如圖5和圖6中的空心線所示。其水平收斂和拱頂沉降大致包含1個陡增階段和2個平緩增長階段。施工步未觸及到目標斷面前，開挖引起應力釋放對目標斷面的影響較小，水平收斂和拱頂沉降表現為平緩增長；施工步接近及通過目標斷面時，水平收斂和拱頂沉降迅速增大；施工步通過目標斷面后，水平收斂及拱頂沉降的變化逐漸趨于平緩，與既有研究成果基本一致［9-10］。最終，拱頂沉降累計達16.2 mm，水平收斂累計達14.8 mm。

為便于比較，將新建隧道目標斷面上水平收斂與拱頂沉降實測值，也繪制于圖5和圖6中（如實心線所示）。需要說明的是，監測點布設前發生的前期變形，實際工作中是無法觀測的；本文將數值模擬中對應于監測點布設工況時所發生的位移，作為前期位移累加到實測值上。從圖中可以看出，監控量測數據所反映的目標斷面水平收斂與拱頂沉降規律，與數值模擬結果基本一致。

圖5 新建隧道目標斷面的水平收斂變化

圖6 新建隧道目標斷面的拱頂沉降變化

4.2 下伏既有隧道的位移

根據數值模擬結果，既有隧道目標斷面的水平收斂與拱頂隆起如圖7和圖8中的空心線所示。

圖7 既有隧道目標斷面的水平收斂變化

圖8 既有隧道目標斷面的拱頂隆起變化

施工步未觸及目標斷面前，上跨隧道開挖卸載對下伏既有隧道目標斷面的影響，表現為輕微的水平反向收斂和拱頂隆起。施工步近接及通過目標斷面過程中，水平收斂和拱頂隆起均迅速增大。施工步通過目標斷面后，水平收斂和拱頂隆起逐漸趨于平緩，最終累計收斂值為1.8 mm，累計隆起值達2.3 mm。從量值上看，若不考慮爆破振動效應，上跨隧道開挖對下伏既有隧道的力學影響有限。

為便于比較，將既有隧道目標斷面的水平收斂與拱頂沉降實測值，也繪制于圖7和圖8中（如實心線所示）。從圖中可以看出，監控量測數據所反映的規律，與數值模擬結果基本一致。從定性分析上看，上方圍巖壓力部分卸載后，使得側壓力系數相對增大，因此襯砌結構發生水平向收斂和豎直向隆起，這與既有研究成果是一致的［11-12］。

4.3 下伏既有隧道的襯砌內力

由于無法對既有隧道襯砌上的內力進行實測，本節僅根據數值模擬結果，進一步討論既有隧道襯砌內力（軸力與彎矩）隨施工步的變化規律。選擇既有隧道目標斷面中的拱頂、左右拱腰與拱底4個測點，繪制其軸力與彎矩隨施工步的變化如圖9和圖10所示。

圖9 既有隧道目標斷面的軸力變化

圖10 既有隧道目標斷面的彎矩變化

隨著施工步的推進，既有隧道目標斷面襯砌上的軸力值總體呈減小趨勢。由于上下交疊隧道呈小角度斜交，故左拱肩處（迎挖側）的軸力顯著降低，其降幅達16%（約100 kN），而背挖側（右拱肩）與拱頂處的軸力變化幅值較小。另一方面，隨著施工步的推進，既有隧道目標斷面襯砌拱頂處的彎矩顯著減小，其降幅達31%（約20 kN·m），而其余部位的彎矩基本不變。這與前文所述關于襯砌結構位移的發展趨勢（水平向收斂和豎直向隆起）是相符的。

5 結論

以廈門北動車運用所新建劉塘隧道為背景，通過現場實測數據和數值模擬數據來分析上跨新建隧道開挖對下伏既有隧道的影響，所得結論如下：

（1）從定性分析來看，上方圍巖壓力卸載后，使得側壓力系數相對增大，因此既有隧道襯砌的位移發生水平向收斂和豎直向隆起。

（2）受上跨隧道卸載的影響，下伏既有隧道襯砌上的內力總體呈減小趨勢：其中迎挖側襯砌軸力的降幅顯著大于背挖側，而拱頂處襯砌彎矩的降幅顯著大于其他位置。

（3）從量值上看，若不考慮爆破振動效應，上跨隧道開挖對下伏既有隧道的力學影響有限。