上穿雙線隧道開挖對既有隧道變形規律研究

文／重慶科技學院 張慶 李哲 劉海壯

關鍵字:上穿；雙線隧道；開挖順序

1 引言

隨著城市規模不斷擴大，城市人口數量急劇增長，噪音污染、交通擁堵等問題日益突出，嚴重制約城市健康發展。地鐵運量大、速度快，可有效解決上述問題，是當前我國城市建設發展的重要方向。然而，在地鐵修建過程中將不可避免會遇到諸多特殊工況，其中立體“井”字交叉隧道就是交叉隧道中少見的特殊工況之一。王莉[1]依托北京某城市綜合管廊，運用有限差分軟件研究不同施工方案下，上穿管廊修建對地鐵隧道圍巖、地鐵結構的應力、位移影響。于建新[2]以某上穿既有隧道的公路隧道為背景，基于光電、傳感等傳輸技術構建了隧道健康在線監測系統，通過對施工影響的實時監測保證了施工安全。劉傳濤[3]依托羊子嶺隧道上穿鐵路隧道，研究了不同工法下施工對既有隧道的影響，得到了多步開挖對減少隧道拱部及仰拱的應力釋放有明顯效果。張孟喜[4]依托佛莞城際鐵路隧道上穿廣州地鐵七號線工程，研究了實際工程中注漿支護的注漿壓力最佳范圍。魏綱[5]統計分析了多個交叉隧道工程的實測數據和支護措施，得到了上、下的不同穿越形式會造成既有隧道不同的變形。

然而，由于交叉隧道工況復雜導致隧道圍巖變形破壞的因素眾多，關于此類地質條件下隧道圍巖穩定性尚需進一步研究。因此，研究新建上覆雙洞隧道施工對既有隧道產生的影響并探究其規律，據此保障既有隧道結構安全，維護既有下臥隧道正常運營，是新建施工時需要解決的問題。以重慶市9 號線某在建地鐵區間隧道作為研究對象，構造了上穿隧道數值計算模型，考慮不同施工順序，進行了數值模擬對比研究。

2 工程概況

重慶某段在建隧道工程巖土工程附近下穿建構筑物有很多。該工程隧道土體主要以中風化的砂巖與中風化砂質泥巖為主，全采用暗挖法進行施工建設。本區間隧道上跨TBM 區間。距離區間豎向最小距離約3.5m，屬于二級危險源。擬建區間采用單洞單線的隧道洞型，洞寬8.00m，洞高7.63m，洞軸間距15.17 ～22.30m，采用鉆爆法施工。

3 數值模擬

3.1 模型尺寸及網格劃分

考慮隧道開挖的影響范圍，數值模型左右邊界取距離新建隧道左右邊緣10 倍洞徑處，底部邊界取距離新建隧道下邊緣5倍洞徑處，頂部邊界取自然地面。

建立尺寸為120m×60m×60m 的模型，坐標原點位于模型正面中心處，在模型中建立三層土體從上至下依次為填土（厚5m）、砂巖（厚10m）、砂質泥巖（厚35m）；四條隧道皆位于砂質泥巖地層中。兩條上覆新建隧道之間的凈距為12.5m，兩條下臥既有盾構隧道之間的凈距為12m。模型單元劃分：土體采用實體單元，本構關系采用Mohr——Coulomb 準則。如圖1 所示。

圖1 三維模型

3.2 數值計算施工工況

（1）不同工況

為研究上覆隧道不同開挖順序對下臥隧道圍巖的影響規律，采用FLAC3D 軟件，進行以下多組工況計算：先開挖完成左洞，再開挖右洞；先開挖完成右洞，再開挖左洞；兩洞同時開挖三種工況。針對不同開挖順序模擬隧道開挖施工，上穿隧道采取單向開挖，且不考慮新建隧道支護對既有隧道的影響。

（2）監測方案

監測方案：在每條既有隧道拱頂從左至右沿隧道軸線每10m 布置一個監測點，共布置26 個監測點。

3.3 數值計算結果分析

為進一步分析不同工況下下臥既有盾構隧道圍巖變形規律，根據既有隧道圍巖的系列測點，計算得到了不同工況下各測點變形量，并繪制出了不同工況下隧道開挖后對應的既有隧道拱頂沉降曲線。

圖2 既有隧道左線拱頂位移

圖3 既有隧道右線拱頂位移

從圖2 和圖3 可以看出，上覆新建隧道的開挖會對既有隧道拱頂的圍巖造成影響，在三種不同工況下完成上覆隧道開挖后，既有隧道拱頂圍巖產生了變形。在遠離隧道交叉中心處既有隧道拱頂圍巖呈現沉降變形，隨著既有隧道不斷靠近隧道交叉中心，既有隧道拱頂圍巖變形出現由沉降逐步向隆起發展的趨勢。不同的開挖順序對既有隧道拱頂造成的最終變形基本相同，在新建隧道正下方處既有隧道拱頂圍巖變形達到最大值。

從圖4 可以看出，在先開挖左洞和先開挖右洞的工況下，既有隧道左線拱頂的位移變化發展過程十分接近，且不同于兩洞同時開挖。在單洞貫通后，既有隧道左線拱頂位移會因另一個隧道的開挖而受到影響再次產生隆起變形。

4 結論

在這個工程中不同開挖順序對于既有隧道總變形值影響較小，都會使既有隧道拱頂圍巖產生隆起變形，在新建隧道正下方處既有隧道變形達到最大，既有隧道最終變形受上穿雙線隧道影響整體呈“M”形。相較于兩洞同時開挖，先貫通單洞的工況下既有隧道拱頂圍巖會因另一洞的開挖而再次產生變形。

圖4 既有隧道左線監測點位移