近距離下穿大直徑隧道擾動效應分析

李軍發

（山西省交通科技研發有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

隨地下空間發展，隧道施工會對近距離既有隧道產生擾動。相關研究認為[1]，近距離下穿施工對既有隧道擾動影響較大，施工風險較高。為確保既有隧道安全，需進行理論分析并制定嚴密施工控制方案。

隧道下穿既有線路施工安全分析已有相關文獻報道，朱紅霞等[2]基于武漢地鐵3號線斜交下穿地鐵2號線工程，提出了對既有線路的加固體系；祝思然等[3]以北京地鐵某區間盾構斜交下穿既有隧道工程為背景，對盾構近距離下穿既有線路的整個過程進行了調查、研究與分析；袁金秀等[4]結合北京6號線斜交下穿既有盾構區間的礦山法隧道施工實例，從隧道支護機理出發，介紹了該隧道施工方案；靳曉光等[5]結合重慶市渝中區朝天門大型互通式地下下穿工程，對下穿平交（15°）和上下正交兩種情況鉆爆法動態施工力學進行研究；方勇等[6]采用三維有限元方法對正交下穿盾構隧道施工進行數值模擬，分析新隧道動態掘進對既有隧道位移、變形和內力的影響。隨地下空間發展及空間利用率提升，近距離下穿工程數量將增加。因此，針對隧道下穿情況，亟待開展近距離雙線下穿對既有隧道及地表擾動機理研究。

基于此，以某下穿隧道施工工程為例，采用FLAC 3D軟件對隧道近距離下穿既有線進行三維建模仿真，對比數值模擬與實際監測結果來驗證模型合理性，分析下穿線路施工對地表沉降、既有線路沉降及襯砌應力擾動效應。研究成果可為近距離隧道下穿既有線工程施工安全及優化施工控制措施提供理論參考。

1 工程概況

1.1 下穿工程

某既有隧道（以下稱1號隧道）左線長715 m，右線長690 m；新建隧道（以下稱2號隧道）左線長483 m，右線長493 m。重疊區域2號隧道和1號隧道左線隧道的相對關系具體為1號隧道左線與2號隧道左右線斜交，最后2號隧道下穿1號隧道，1號隧道位于上方，下穿段長度約為120 m，2號隧道左右線最小間距為3.0 m，最小埋深為16.6 m，1號隧道左右線最小間距為8.45 m，最小埋深為9.7 m。1號隧道左線與2號隧道左線段隧道間最小凈距僅4.2 m，1號隧道右線與2號隧道右線段隧道間最小凈距僅為3.578 m。

1.2 工程地質與水文條件

工程場地內地下水主要為：上層滯水、第四系松散巖類孔隙潛水，埋深在2.0～11.0 m的范圍內，接受側向徑流補給，水量較為豐富，隧道所處黏土層，土體滲透性較差，可認為不透水。

依據地質勘察資料及設計資料，場址范圍內地巖層及主要物理力學參數見表1。

表1 地層物理力學參數

2 三維建模

2.1 三維模型

采用FLAC 3D軟件建立三維有限差分模型，本構模型為Mohr-Coulomb模型，隧道襯砌采用實體線彈性模型構建。模型尺寸參數為：底部（Z向）距2號隧道中心線28 m，頂部距離2號隧道中心線高度20 m，左右兩側離2號隧道中心線為42 m，為了與實際工程對應，模型縱向（Y向）取120 m；1號及2號隧道內徑分別為11.4 m和9.8 m，襯砌厚度為0.3 m，模擬簡化為圓形襯砌。模型約束條件為：底面（Z=-30），限制其Z方向位移；側面（X=-45,45 m），限制其X方向位移；表面（Z=51）為地表，為自由邊界；網格劃分的原則是距離隧道開挖部分較近的地方網格劃分較密，距離隧道開挖部分較遠的地方網格劃分較疏。隧道下穿模型見圖1。

圖1 計算模型

2.2 參數選取

構建計算模型時，土層物理力學參數根據表1中參數選取。根據大量統計資料，認為地層加固數值模擬時，加固區材料的黏聚力值、內摩擦角和彈性模量可相應提高20%，本模型對地層加固區域參數選取采用此原則。隧道襯砌參數根據實際工程的襯砌參數取值，1號和2號隧道襯砌采用C35鋼筋混凝土，襯砌參數見表2。

表2 隧道襯砌參數

2.3 模擬工況

工程施工階段，先開挖2號隧道右線，待右線貫通后再開挖2號隧道左線，隧道施工速度不變。計算模型中隧道左右線施工共分為120個工況步模擬，每個工況步進尺2 m。2號隧道右線開挖步60個，開挖120 m；左線開挖步60個，開挖120 m；并施作襯砌結構，開挖后土體采用軟件自帶的null單元模擬。

3 結果與分析

3.1 拱頂沉降數值分析

數值模型中，在1號隧道左線拱頂分別設置ZGD-01～ZGD-09共9個監測點位，各監測點位的拱頂沉降模擬計算結果見圖2和圖3。

圖2 開挖階段1號隧道左線沉降曲線

圖3 開挖階段1號隧道右線沉降曲線

從圖2和圖3可看出，通過FLAC 3D計算所得的監測點位沉降曲線發展趨勢與實際監測中監測點位沉降曲線發展趨勢接近。數值模擬的各點沉降最大值與實際監測沉降最大值誤差在5%內，驗證了數值模擬結果的可靠性。

3.2 地表沉降分析

圖4 地表沉降曲線圖

地表橫向沉降曲線如圖4，呈“U型槽”狀。從圖4中可看出，2號隧道右線貫通后，地表沉降最大值為2.9 mm，地表沉降最大點位靠近2號隧道右線上方；2號隧道雙線貫通后，地表沉降最大值為3.8 mm，沉降最大點位靠近2號隧道左線上方。雙線貫通后，地表沉降值較小，說明注漿措施能有效控制地層損失率，減小地表的沉降。

3.3 隧道襯砌沉降分析

1號隧道左右線拱腰及拱底沉降曲線如圖5～圖10所示。

圖5 2號隧道施工階段1號隧道右線左拱腰沉降

圖6 2號隧道施工階段1號隧道右線右拱腰沉降

圖7 2號隧道施工階段1號隧道右線仰拱底沉降

圖8 2號隧道施工階段1號隧道左線右拱腰沉降

圖9 2號隧道施工階段1號隧道左線左拱腰沉降

圖10 2號隧道施工階段1號隧道左線仰拱底沉降

從圖5、圖6、圖8和圖9中可看出，2號隧道右線貫通后，1號隧道右線的沉降比1號隧道左線沉降大，1號隧道右線最大沉降為4.14 mm，最大沉降位置為1號隧道右線左側拱腰處，1號隧道右線左右拱腰的最大沉降差為3.12 mm，1號隧道左線最大沉降為2.10 mm，左右拱腰的最大沉降差為1.28 mm；雙線貫通后，1號隧道左右線最大沉降差較小，1號隧道右線最大沉降值為7.75 mm，最大沉降位置為左側拱腰，左右拱腰最大沉降差為6.48 mm；1號隧道左線最大沉降為7.68 mm，左右拱腰最大沉降差為6.4 mm；從圖7和圖10中可看出，仰拱底的沉降相對較小，且受開挖位置的影響較大。

3.4 隧道襯砌應力分析

2號隧道未施工時，1號隧道襯砌最大應力為7.798×105Pa，位置為靠近拱頂兩側位置；2號隧道右線貫通后，1號隧道襯砌最大應力為9.314×105Pa，相比開挖前，增加19%，最大應力位置在靠近拱頂兩側處；靠近2號隧道的一側仰拱底附近應力增大最為顯著，應力增加80%，且最大應力位置有向靠近2號隧道一側仰拱底位置發展的趨勢。2號隧道雙線貫通后，1號隧道襯砌最大應力為1.124×106Pa，相比開挖前，最大應力增加44%；拱頂應力為1.036×106Pa，相比開挖前，拱頂應力增加32%，此時最大應力位置靠近2號隧道一側仰拱底附近。開挖前和開挖后應力位置和大小變化都比較明顯。因此，施工過程中應加強對既有線隧道襯砌的應力監測，防止既有線隧道襯砌受損。

4 結論

a）基于FLAC 3D構建了施工隧道下穿既有線三維數值模型，模擬計算結果與現場實際監控結果較吻合，說明所建數值模型及采用的相關參數合理可靠，對實際工程有參考價值。

b）下穿既有線施工過程中，既有線拱腰位置處沉降最大，且兩側拱腰沉降差較大，應加強對既有線拱腰位置監測，必要時應對土層進行超前注漿加固處理。

c）下穿施工過程中對既有線隧道襯砌應力影響較大，襯砌最大應力增幅達80%。為保護既有線隧道結構安全，新建隧道施工時，應監測既有線隧道襯砌應力，防止其受施工影響變化過大。