新建隧道下穿對既有隧道穩定性影響研究

王春國

(中鐵十四局集團 隧道工程有限公司，山東 濟南 250000)

在城市軌道交通工程建設中，會遇到隧道下穿的問題，給工程施工的變形控制帶來考驗。如果不嚴格控制隧道的穩定性，就可能造成嚴重的事故。不同的隧道開挖方式，會對隧道穩定性有不同影響。若開挖方式不當，也會造成隧道應變的增加[1?4]。國內外有關隧道下穿的研究較多。王清標[5]等人以不同開挖方式對隧道周圍地層和圍巖的變化進行研究，分析了多隧道交匯處巖石受力的變化規律。姚勇[6]等人以某地區小凈距隧道為背景，利用數值計算，分析了軟巖隧道開挖穩定后，對圍巖和襯砌進行了力學分析，并且研究了不同凈距隧道開挖對中間巖層的影響。晏啟祥[7]等人通過數值模擬不同開挖方法對錨桿和混凝土的作用，分析了不同凈距對中間巖層的影響。Zhang[8]等人對黏性摩擦土圓形隧道的穩定性進行了三維數值模擬，分析了隧道直徑與深度比和土壤性質的圓形隧道面穩定性。但對全斷面開挖、臺階法、雙側壁導洞法及CD法的研究鮮見[9?12]。因此，作者擬依托深圳地鐵9號線工程，將數值模擬值和工程實測值進行對比，分析了不同施工法對隧道的拱頂沉降、水平收斂及地表沉降的影響，以期為該工程的施工方法選擇最佳方案。

1 工程概況

深圳地鐵9 號線總長為25.38 km，縱穿南山、福田及羅湖3 個區。地鐵9 號線與地鐵1 號線因有交匯，所以會出現新建隧道下穿既有隧道的施工情況。深圳地鐵1 號線開挖后，隧道外徑為6.0 m，內徑為5.4 m，掘進施工為土壓盾構。隧道管片為標準管片，每環為6 片，寬度為1.5 m。新建隧道直徑為6.0 m。沿既有隧道與新建隧道的交界處，布置檢測斷面，斷面間隔5.0 m，對隧道附近同一埋深帶MC-A 處的地表沉降進行了檢測。隧道的監測點布置如圖1 所示。

圖1 隧道斷面(單位：m)Fig. 1 Tunnel section (unit: m)

隧道采用臺階法施工，根據現場地質勘查情況，隧址區土體由素填土、細粉砂、礫質粘性土及花崗巖等組成。

2 數值分析

采用FLAC3D軟件，模擬新建隧道的開挖過程。為分析不同開挖方法對隧道及周圍巖體的穩定性，分別模擬臺階法、全斷面、雙側壁導洞法及CD 法施工新建隧道對既有隧道的影響。在模擬中，假設土為厚度不變的均勻介質，新建隧道尺寸為54 m×50 m×70 m。隧道襯砌與既有隧道為彈性模型，土體為摩爾庫倫模型。隧道模型如圖2 所示。各開挖方式的隧道斷面如圖3 所示。

圖2 數值模型Fig. 2 Numerical simulation model

圖3 開挖斷面Fig. 3 Excavation section

數值模擬的步驟：①建立模型，確定相關參數；②初始重力運算，達到平衡；③開挖方式計算，結果分析；④改變開挖方式，重新進行計算，結果分析。土體參數見表1。

表1 數值計算參數Table 1 Parameters of numerical calculation

3 模擬值與實測值對比分析

3.1 地表沉降

MC-A 監測數據如圖4 所示。從圖4 可以看出，采用臺階法、CD 法及雙側壁導洞法施工，對地表的影響均較小。地表沉降量最大的區域為新建隧道正上方約10 m 范圍。且距離新建隧道越遠，地表沉降越小。工程實測值也是中間大兩邊小的趨勢，監測最大值為9.7 mm。采用臺階法施工，地表沉降的檢測值與模擬值相比，趨勢相似，但實測值比模擬值大17%。

圖4 新建隧道的地表沉降Fig. 4 Surface settlement of new tunnel

3.2 既有隧道的拱頂沉降

當監測斷面為MC6(MC′6)時，既有隧道的拱頂沉降變化曲線如圖5 所示。從圖5 可以看出，在初期，2 個既有隧道拱頂的沉降表有增大趨勢，然后趨于穩定。對于既有隧道一，全斷面開挖的拱頂沉降最大，為7.8 mm。其次為臺階法開挖的，最大值為5.3 mm。然后為CD 法開挖的，最大值為3.4 mm。雙側壁導洞法的最小，最大值為2.6 mm。既有隧道二與既有隧道一相似，對拱頂沉降的影響，從大到小依次為全斷面法，臺階法，CD 法，雙側壁導洞法。在既有隧道二中，全斷面法開挖的拱頂沉降，最大值為8.4 mm，比既有隧道一的增加了0.5 mm。之所以既有隧道二的拱頂沉降在相同的工法，均大于既有隧道一的，是因為既有隧道一比既有隧道二距施工作業現場較遠，受到的施工影響稍小。拱頂沉降的實測值與模擬值趨勢基本一致。開始開挖時，模擬值較大。開挖完成后，實測值比模擬值增大約20%。

3.3 新建隧道拱頂沉降

圖5 既有隧道監測點的拱頂沉降Fig. 5 Settlement of existing tunnel

圖6 新建隧道的拱頂沉降Fig. 6 Settlement of existing new tunnel

MC-B 監測斷面的拱頂沉降值如圖6 所示。由于新建隧道的拱頂沉降影響隧道穩定性，因此，對不同施工方法的隧道進行拱頂沉降監測。從圖6 可以看出，新建隧道的拱頂沉降隨施工的進程逐漸增加，在距開挖距離20 m 后，沉降趨于穩定。其中，在4 種施工方法中，雙側壁導洞法開挖的拱頂沉降最小，為5 mm；其次為CD 法開挖的，最大值為5.8 mm；臺階法開挖的最大值為8.4 mm；全斷面開挖的最大值為11 mm。表明：施工時，采用雙側壁導洞法和CD 法，開挖的拱頂沉降較小，更有利于隧道整體的穩定。臺階法開挖的拱頂沉降適中。而全斷面開挖最大，不適用于此工程。對比臺階法的模擬值和實測值，實測值偏大，最大拱頂沉降為11 mm，比模擬值增大了18%。實際測量與數值模擬的趨勢相似，開挖距離監測斷面較近時，模擬值較大，實測值隨著開挖進程，逐漸超過模擬值。

3.4 新建隧道的水平收斂

新建隧道的水平收斂如圖7 所示。隧道水平收斂的監測點為MC-C。從圖7 可以看出，隧道支護后，開挖掌子面距離的增大，水平收斂不斷增加，在距離監測面30 m 后，逐漸趨于穩定。對于隧道穩定后的水平收斂值，從小到大依次為雙側壁導洞法，CD 法，臺階法，全斷面開挖方法。其中，雙側壁導洞法的水平收斂為4.5 mm。CD 法在隧道掌子面距離監測斷面20 m 后，逐漸穩定，水平收斂為6.2 mm。臺階法開挖和全斷面開挖方法的水平收斂和開挖距離，呈線性關系，30 m 后趨于穩定，臺階法開挖的水平收斂為8.1 mm，全斷面法的水平收斂值最大，為11 mm。在實際工程中，現場實測的水平收斂為9 mm，與模擬值相比，大1 mm 左右。表明：模擬值和實際測量結果較為接近。在施工條件相同的情況下，采用雙側壁導洞法，能夠有效地減小水平收斂。

圖7 新建隧道的水平收斂Fig. 7 Horizontal convergence of new tunnels

在施工條件相同的情況下，通過比較全斷面開挖方法，臺階法施工，CD 法開挖及雙側壁導洞法對下穿新建隧道穩定性的影響，考慮施工成本和時間成本，該工程選擇臺階法施工為最佳開挖方案。

4 結論

以深圳地鐵9 號線地鐵下穿工程為背景，采用FLAC3D有限差分法進行計算，并與現場監測值進行對比分析。得到的結論為：

1) 新建隧道開挖過程中，隧道地表沉降量在正上方部位最大，隨著與隧道距離的增加而減小。交叉隧道施工對地表沉降的影響，從大到小依次為全斷面開挖，臺階法，CD 法，雙側壁導洞法。

2) 相同的工法上，既有隧道二的拱頂沉降大于既有隧道一的。對于拱頂沉降，實測值與模擬值相近。開挖完成后，實測值比模擬值大20%。新建隧道的拱頂沉降隨著施工進程逐漸增加，在距開挖距離20 m 后趨于穩定。

3) 隧道支護后，水平收斂隨著開挖掌子面距離的增大不斷增加，在距離監測面30 m 后，逐漸趨于穩定。在實際施工中，考慮到施工成本和時間成本，該工程采用臺階法為最佳開挖方案。