基于數(shù)值模擬及現(xiàn)場監(jiān)測的新建隧道開挖對既有隧道影響分析

廖坤陽，林燦陽

(1. 福建林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程系，福建 南平 353000；2. 福建省建筑輕紡設(shè)計院有限公司，福州 350001)

我國的大城市圈一般人口密集、經(jīng)濟發(fā)達(dá)，為了增加土地資源追求更大的發(fā)展空間，地鐵建設(shè)成為了城市地下空間開發(fā)的主要形式，這源于其具有運載量大、便捷性高和安全性強等優(yōu)點.截至2020 年底，中國內(nèi)地累計有40 個城市開通城軌交通運營，總里程超過了4 500 km.地鐵修建的初期難題主要集中在地鐵隧道與地表建筑物相互作用的影響[1-5].近年來城市地下空間工程中的交疊隧道間的相互影響問題被廣泛討論.

Liang 等[6]將新建雙線隧道簡化為具有一定等效抗彎剛度的連續(xù)歐拉-伯努利梁，研究其斜交上穿既有隧道帶來的影響響應(yīng)，間隙距離、推進距離、多隧道施工等因素對既有隧道的影響，重點討論了盾構(gòu)施工過程中地面沉降槽和作用于既有隧道的土壓力的變化規(guī)律.Lin 等[7]研究了新建雙線隧道斜交下穿既有隧道的變形特性，重點討論了盾構(gòu)施工過程中地面沉降槽和作用于既有隧道的土壓力的變化規(guī)律.Vinod 等[8]采用PLAXIS 軟件，利用數(shù)值計算方法對圓形和矩形雙線隧道襯砌的表面沉降和產(chǎn)生的彎矩進行了研究.結(jié)果表明：矩形隧道與圓形隧道相比，沉降較小，適用于軟弱地基中的淺埋隧道.Ng 等[9]研究了現(xiàn)有馬蹄形隧道寬度與新建圓形隧道直徑之比(B/D)對二者在垂直穿越時的相互影響，結(jié)果表明：在不同覆蓋深度下，現(xiàn)有隧道仰拱中心的最大沉降量不受其大小的影響，在覆蓋深度較小的情況下，隨著B/D比值的增大，既有隧道頂部的沉降剖面逐漸變?yōu)楣靶?

綜上，當(dāng)前對交疊隧道的研究還是集中于隧道的空間排布形式、不同的幾何形狀參數(shù)、施工采用的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)以及工程地質(zhì)條件4 個系統(tǒng)之間的相互作用[10-16]，且現(xiàn)有研究的空間交疊隧道在幾何位置上只存在空間角度上的相交，在同一面上隧道之間不存在相交關(guān)系.

然而在在云貴高原的山地城市由于其地形地貌原因會出現(xiàn)一類位置較為特殊的淺埋臨坡隧道，即隧道臨近邊坡及地表面.本文考慮了貴州省某新建隧道位于道路下方的實際工況，基于18 種不同參數(shù)組合，采用三維數(shù)值法進行參數(shù)分析以確定臨坡淺埋隧道施工對道路的影響，該研究方法及成果可為類似工程在初步設(shè)計階段評估隧道修建帶來的影響和風(fēng)險提供參考.

1 工程地質(zhì)條件

貴州省六盤水市蟠龍鄉(xiāng)清水河隧道下穿水黃公路，隧道進口路面標(biāo)高為1 175.3 m，隧道出口路面標(biāo)高1 177.8 m，隧道總長100 m.隧道北部周邊地形顯著高于南部，隧道橫穿40 m 的邊坡，其坡角為82°，隧道走向與邊坡走向近似平行.

該隧道穿越地層為二迭系下統(tǒng)棲霞組灰?guī)r地層，其物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表1.其地下水主要為巖溶裂隙水；巖溶主要表現(xiàn)形式為溶孔與溶隙，根據(jù)現(xiàn)場勘察鉆孔發(fā)現(xiàn)，巖芯溶孔或溶隙規(guī)模一般為1～6 cm，有方解石結(jié)晶體析出，未探測到溶洞；地表及隧道出口陡崖處的調(diào)查，也未發(fā)現(xiàn)有溶洞.

表1 巖石物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

新建隧道在邊坡內(nèi)部近似平行于邊坡走向修建，隧道底標(biāo)高高于地下水位，隧道埋深較小，頂部為山體斜坡地帶，有利于地面排水.其地表水大部分通過地表徑流排泄，少部分下滲補給地下水，通過巖溶裂隙及巖溶管道自高向低運移.對既有隧道現(xiàn)場調(diào)查還發(fā)現(xiàn)，既有隧道內(nèi)偶見局部洞壁有潮濕及滴水現(xiàn)象.因此，新建隧道發(fā)生突水的可能性小.

2 工程數(shù)值模型及施工方案

擬建隧址原存在人工開鑿的人行通道，基巖裸露，其斷面寬1.5 m，高2.2 m；新建隧道長度為100 m，斷面寬度5.88 m，高度6.35 m，新建隧道進口位置會與既有隧道位置重合，然后2 者軸線會逐漸分離，進口段圍巖及斷面示意圖分別見圖1 和圖2.

圖1 進口段圍巖

圖2 隧道斷面尺寸/cm

由于新建隧道臨近邊坡表面與地表，因此需要綜合考慮現(xiàn)場施工條件，對新建隧道與既有隧道的空間位置進行系統(tǒng)地研究.通常，隧道埋深越淺，距邊坡自由面的距離越小，工程造價會相對較低，但工程安全性卻面臨巨大的潛在風(fēng)險；反之，工程安全性雖能夠得到保證，但工程造價卻會大大增加.此外，因施工期間該工程地表道路不能封路，故地表荷載也是極為重要的影響因素；同時，是否對既有隧道先進行混凝土回填也將影響新建隧道開挖后圍巖位移場分布，故既有隧道回填與否也要被列入數(shù)值研究中.因此，本文共需考慮3 個新建隧道相對空間位置，3 個地表荷載大小以及既有隧道回填處置2 個工況，共計18 個破壞條件.

假設(shè)新建隧道的埋深為C，高度為H，寬度為W，隧道距邊坡坡頂垂線的距離為D.預(yù)設(shè)C/H=0.764，假定Model a, Model b, Model c 3 個破壞模型，其對應(yīng)的D/W值分別為0.378, 0.251和0.124，見圖3.

圖3 新建隧道位置示意

采用數(shù)值方式建立模型，其尺寸為100.0 m(長)×54.2 m(寬)×52.7 m(高)，上方為寬10 m 的道路，其臨近邊坡的垂直高度38.1 m，預(yù)設(shè)坡角為82°，如圖4 所示.

圖4 數(shù)值模型三維尺寸/m

新建隧道從X軸負(fù)向全斷面開挖，采用強度等級為C25 的混凝土進行噴射，厚度100 mm.此外，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研情況得知，無法在隧道施工期間封閉上覆道路，因此可將模型中的地表超載簡化為對于道路面的均布荷載，根據(jù)前人研究結(jié)果[17]，本研究選取其大小分別為10, 20 和30 kPa3種情況進行分析.數(shù)值分析的基本條件設(shè)置如下：

1)計算時間為80 步，單步長為1，奇數(shù)計算步中對巖體開挖進行模擬，偶數(shù)計算步中則對支護結(jié)構(gòu)生成進行模擬.

2)巖體及既有隧道回填混凝土模擬采用實體單元方式，襯砌結(jié)構(gòu)模擬則采用殼單元方式.

3)本構(gòu)模型采用摩爾-庫倫(M-C)本構(gòu)模型，襯砌與回填混凝土均為彈性本構(gòu)模型，模型的主要計算參數(shù)見表2.

表2 本構(gòu)模型參數(shù)

4)容許位移邊界條件為在所有垂直網(wǎng)格邊界上僅有垂直位移，沿網(wǎng)格底部邊界沒有垂直和水平位移但可以自由地沿最高邊界移動，每個模型的單元總數(shù)約860 000.

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

由于隧道開挖會導(dǎo)致圍巖應(yīng)力場重新進行分布調(diào)整，因此圍巖位移場也會隨著二次應(yīng)力的調(diào)整出現(xiàn)對應(yīng)的分布規(guī)律.實際工程中一般更加關(guān)注圍巖位移場的變化過程，因為圍巖位移相比應(yīng)力狀態(tài)更加容易量測.圖5 為D/W=0.378 時數(shù)據(jù)提取位置示意圖（D/W= 0.251 及0.124 類似）。根據(jù)圖5 可知，100 m 的隧道前90 m 被均分為3 段沉降研究線，第1 段30 m 處節(jié)點Line1 為既有隧道與新建隧道邊墻交界處，第2 段節(jié)點Line 2 為既有隧道與新建隧道邊墻小距離分離處，第3 段節(jié)點Line3 為既有隧道與新建隧道邊墻大距離分離處.本研究重點對地表路面中心線 (Line A)，隧道左邊墻中心外邊坡坡面線(Line B)、既有隧道與新建隧道邊墻分離交界處(Line 1)、既有隧道與新建隧道邊墻小距離分離處(Line 2)及既有隧道與新建隧道邊墻大距離分離處(Line 3)5 個關(guān)鍵位置的模擬結(jié)果進行綜合對比分析.

圖5 數(shù)據(jù)采集位置示意

3.1 地表縱向沉降

圖6 為當(dāng)C/H為0.764 時不同D/W對應(yīng)的縱向地表沉降，圖中10, 20 和30 kPa 表示地表荷載大小，htn 表示不回填既有隧道，而hty 表示回填既有隧道.如圖6(a)所示，在相同的htn 條件下，不同地表荷載引起的縱向沉降曲線形態(tài)基本一致，地表荷載增加對應(yīng)更大的沉降值，10, 20 和30 kPa荷載對應(yīng)的最大沉降量分別為2.7, 5.2 和7.8 mm，而hty 條件下的沉降量卻與htn 條件十分接近，說明在隧道開挖初期因既有隧道輪廓被新建隧道包括，因此回填對地表沉降的影響十分有限.而當(dāng)既有隧道開始與新建隧道相交時，此時既有隧道回填對新建隧道的有效寬度產(chǎn)生影響，因此會進一步影響到圍巖二次應(yīng)力場與位移場的調(diào)整，故將該區(qū)域設(shè)為敏感區(qū).當(dāng)新建隧道開挖長度大于35 m 時，既有隧道回填與否引發(fā)的最大沉降差異位于65 m 處，即既有隧道與新建隧道產(chǎn)生分離的臨界處，如圖5 所示.3 個地表荷載下既有隧道回填后，與不回填時相比，沉降量分別降低了63.2%、48.5%及41.5%，較好地證實了既有隧道回填對地表沉降有控制作用.當(dāng)既有隧道與新建隧道之間的距離逐漸擴大時，既有隧道對沉降影響程度迅速降低，因此該區(qū)域設(shè)為無影響區(qū).與圖6(a)相比，圖6(b)所示的地表沉降規(guī)律與其基本一致，但由于在臨坡面方向隧道開始產(chǎn)生偏移，既有隧道與新建隧道產(chǎn)生分離的臨界位置與其回填對地表沉降產(chǎn)生的最大位置一致.另外，包括于新建隧道開挖面內(nèi)的既有隧道長度有所減小，因此相比圖6(a)，在90～100 m 的范圍內(nèi)，既有隧道是否進行回填對后期開挖引起的地表沉降差異更加顯著.

對比圖6(c)可知，沉降趨勢出現(xiàn)了新規(guī)律：在既有隧道與新建隧道的重合區(qū)，地表沉降差異較小；當(dāng)新建隧道與既有隧道分離后，沉降差異顯著增加，既有隧道回填加劇了地表變形，其主要原因是新建隧道的D/W比過小，臨坡巖柱厚度成為此時新建隧道穩(wěn)定的主控因素.當(dāng)新建隧道開挖后邊坡巖柱向隧道內(nèi)部產(chǎn)生位移，而圍巖側(cè)向變形又受到隧道上部圍巖的沉降變形協(xié)調(diào)制約.因此，當(dāng)既有隧道被回填時，隧道的橫跨度減小，此時C/H比遠(yuǎn)高于D/W比，導(dǎo)致地表沉降受側(cè)向變形影響更大，沉降量也越大；反之，既有隧道不回填時可等效為增加隧道的跨度，增大的C/H比增加了其對側(cè)向變形的抑制能力，此時沉降量反而降低.經(jīng)過多次試算，可以確定，當(dāng)C/H=0.764 時，D/W=0.16 是地表沉降出現(xiàn)相反規(guī)律的臨界位置.

圖6 不同模型的地表縱向沉降

3.2 地表橫向沉降

已有類似地表沉降研究的結(jié)果顯示，單洞開挖引發(fā)的最大沉降處基本均在隧道軸線位置.因為了更好地反映相交隧道對地表變形的相關(guān)影響，本文進一步對地表的橫向沉降規(guī)律進行分析.如圖5 所示，從開挖方向每隔30 m 設(shè)置1 條沉降研究線，3 條線分別對應(yīng)了新建隧道與既有隧道臨界分離、小距離分離及大距離分離3 個特殊空間位置.3 個破壞模型對應(yīng)的地表橫向沉降見圖7～圖9，各圖中以隧道中心線為零點，既有隧道回填時的最大沉降出現(xiàn)在隧道中心線，其不回填時的最大沉降一般出現(xiàn)在隧道中心線右側(cè).

圖7 模型在D/W=0.378 時地表橫向沉降

圖8 模型在D/W=0.251 時地表橫向沉降

圖9 模型在D/W=0.124 時地表橫向沉降

由圖7 可知，隨著地表荷載的增大，地表橫向沉降量也隨之增大，沉降曲線呈現(xiàn)槽形.由圖7(a)可知，此時既有隧道回填對地表沉降量存在以下顯著影響：未回填時最大沉降量11.6 mm 左右，而回填時沉降量僅有8.3 mm，產(chǎn)生了28.4%的折減，而在Line 2 處回填產(chǎn)生的折減量約為20%，在Line 3 處折減程度亦逐漸降低，因此可推測既有隧道距新建隧道的距離同樣顯著影響著沉降量的大小.另外，當(dāng)新建隧道的中心線與道路中心線重合時(D/W=0.378)，在hty 條件下沉降槽曲線對稱軸與隧道中心線及道路中心重合，而在htn 條件下沉降曲線對稱軸向既有隧道方向發(fā)生偏移.隨著新建隧道與既有隧道的不斷分離，相應(yīng)產(chǎn)生的地表沉降量也不斷降低，最終Line 3處最大沉降量在7.6 mm 左右.

類似的現(xiàn)象也在圖8 中出現(xiàn)，在htn 條件下對應(yīng)的最大沉降量可達(dá)到14 mm，但Line 2 和Line 3 的最大沉降量與圖9 相比變化并不顯著，這再次表明保持C/H恒等于0.764，新建隧道與既有隧道相交區(qū)域(Line 1)是影響地表沉降變化的敏感區(qū).對照圖8(a)和圖7(a)還可發(fā)現(xiàn)，降低D/W時，沉降量僅在htn 條件下受到顯著影響，這是因htn 條件下Line 1 處隧道有效跨度不一致所致，可見此時htn 是影響沉降的敏感性因素.

當(dāng)D/W=0.251 時，由于隧道軸線偏離，造成Line 1 和Line 2 在hty 條件下沉降曲線對稱軸偏向道路中心線左側(cè).而在htn 條件下沉降曲線對稱軸偏向道路中心線右側(cè).與此同時，新建隧道斷面尺寸遠(yuǎn)大于既有隧道，使得沉降曲線對稱軸的偏心距在htn 條件下，與hty 條件的情況相比，出現(xiàn)了明顯差距.而Line 3 中的全部沉降曲線的對稱軸與隧道中心重合，依舊位于道路中心線左側(cè)區(qū)域，此時沉降量大小僅受地表荷載的影響.

圖9 所示沉降規(guī)律與圖7 和8 的不同，造成差異的原因已在前文解釋.由圖9 可知，隨D/W進一步減小，hty 條件下沉降曲線對稱軸與道路中心線的偏距進一步增大，此時htn 條件下沉降槽曲線的對稱軸位置卻介于二者之間.沉降量與沉降趨勢的突變說明在C/H=0.764 條件下D/W必然存在一個臨界值導(dǎo)致沉降規(guī)律產(chǎn)生突變，經(jīng)反復(fù)試算，基本可以確定臨界D/W約為0.16.由此說明，地表最大沉降量不單純只受C/H控制，還受D/W影響，二者共同決定了沉降的大小.因此，根據(jù)沉降量大小可直接判定Model c 不宜列入可行施工方案的考慮范疇.

3.3 邊坡側(cè)向變形

圖10 所反映的邊坡變形趨勢與地表縱向沉降規(guī)律類似，這是由于圍巖的連續(xù)協(xié)調(diào)變形導(dǎo)致的，邊坡變形趨勢也再次說明2 洞的相交區(qū)域是影響地表沉降與邊坡變形的敏感區(qū).隨著D/W比值的降低，非擾動區(qū)與相互作用區(qū)域的分界線也沿著開挖方向反向移動，故需要通過不同條件下的邊坡變形量進一步選出可行的施工方案.

圖10 不同模型的邊坡側(cè)向變形

3.4 施工方案對比

為保證工程安全，地表沉降上限標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置為10 mm，邊坡側(cè)向最大變形不得超過5.5 mm.18個模型的計算結(jié)果匯總?cè)绫? 所示.

由表3 可知，根據(jù)地表沉降量與邊坡變形的上限要求，加粗字體所示的模型均可初步滿足施工要求.但是，由于模型中考慮了3 個地表荷載的大小：10 kPa 荷載對應(yīng)較小的深夜交通荷載，20 kPa 對應(yīng)日常的交通荷載，30 kPa 對應(yīng)嚴(yán)重交通荷載(主要為重型滿載卡車荷載，包括本工程建筑材料與渣土的運入和運出).因此除Model c 外，其余模型在10 kPa 荷載下的安全要求均可滿足，而在20 kPa 荷載下需對既有隧道進行回填方可滿足，無模型滿足30 kPa 荷載下的安全要求.同時，由于現(xiàn)場交通流量大，難以在施工期間進行交通管制，從工程安全角度應(yīng)考慮最大地表荷載.因此，Model a (hty 條件)是全部模型中唯一可行的模型，現(xiàn)場必須嚴(yán)格按照Model a 進行新建隧道的施工，并做好相關(guān)監(jiān)測工作.

表3 全部模型位移計算結(jié)果匯總

3.5 數(shù)值模擬與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果對比分析

為保證工程安全，應(yīng)驗證模擬結(jié)果的正確性，現(xiàn)場對邊坡、地表道路以及隧道圍巖的變形進行了長期實時監(jiān)測，具體測點位置見圖11.

圖11 現(xiàn)場測點位置示意

在開挖距離為30 m 時，地表設(shè)置1 條橫向沉降監(jiān)測線，包括10 個測點(完全對應(yīng)數(shù)值模型的Line 1).采用智能全站儀在Line 1 正下方隧道邊墻外邊坡面處布設(shè)測點P1，監(jiān)測邊坡水平變形；隧道左、右邊墻分別布設(shè)測點P2 和P4，監(jiān)測邊墻水平位移；隧道頂部布設(shè)測點P3.同理，在數(shù)值模型中Line 2 處同樣布設(shè)1 條監(jiān)測線(10 個測點)，對應(yīng)的邊坡及隧道內(nèi)部測點編號依次為P5～P8，Line3 以此類推.根據(jù)模擬結(jié)果將變形最大的關(guān)鍵區(qū)域選為監(jiān)測點的布置區(qū)域，因此監(jiān)測結(jié)果是極具代表性的.

對于邊坡與地表沉降的變形監(jiān)測，隧道施工前就已將測點安設(shè)，而隧道圍巖變形監(jiān)測只能在隧道開挖后盡快設(shè)置.由于現(xiàn)場無法獲得圍巖全過程的變形曲線，因此可以根據(jù)圍巖開挖輪廓線近似將未監(jiān)測到的位移反映在監(jiān)測曲線中.圖12(a)所示為較完整的監(jiān)測數(shù)據(jù)，圖12(b)～圖12(d)僅顯示圍巖開挖后的相對位移.由圖12 可知，影響圍巖及邊坡變形的決定性階段為隧道工作面接近階段[12].全部監(jiān)測值均低于對應(yīng)的模擬結(jié)果，其中邊坡穩(wěn)定變形監(jiān)測值要低出模擬值約20%，隧道圍巖變形的最終穩(wěn)定變形監(jiān)測值均低于隧道變形的上限要求[6]，這說明圍巖真實的平均力學(xué)參數(shù)要高于模擬選用參數(shù).因此，監(jiān)測結(jié)果不僅證明了模擬結(jié)果的正確性，同時還說明工程安全程度獲得了額外的富余.

圖12 隧道圍巖及邊坡變形監(jiān)測對比

圖13 為地表橫向沉降結(jié)果.由圖13 可知，

圖13 地表道路最終沉降監(jiān)測對比

由于數(shù)值模型地表荷載以及新建隧道位置相對道路中心呈對稱分布，因此模擬得到的沉降槽曲線也呈現(xiàn)對稱形態(tài).而在實際監(jiān)測中，地表道路因年久失修，道路右側(cè)路面情況較差，因此在允許條件下車輛均會選擇左側(cè)車道通行(在國內(nèi)，車輛靠右行駛，沿開挖方向右側(cè)即為右車道)，故實際的地表荷載存在一定程度的偏壓問題，導(dǎo)致監(jiān)測曲線形態(tài)不對稱，左側(cè)監(jiān)測值要稍稍高于模擬值，但整體趨勢基本吻合，最終最大沉降量完全滿足施工控制要求.

5 結(jié)論

1)數(shù)值計算結(jié)果顯示，除Model c 外，其余模型受既有隧道回填影響的敏感區(qū)域均位于縱向Line 1 區(qū)域；隨著新建隧道與既有隧道逐漸分離，Line 2 和 Line 3 區(qū)域受此類影響不斷降低；模擬結(jié)果還呈現(xiàn)出既有隧道回填對降低地表沉降的積極作用.

2)工程中將地表沉降上限標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置為10 mm，邊坡側(cè)向最大變形不得超過5.5 mm.將安全變形的上限要求與對應(yīng)模擬結(jié)果進行對比后發(fā)現(xiàn)，除Model c 外，其余模型在10 kPa 荷載下的安全要求均可滿足，而在20 kPa 荷載下需對既有隧道進行回填方可滿足，無模型滿足30 kPa 荷載下的安全要求.同時由于現(xiàn)場交通流量大，難以在施工期間進行交通管制，從工程安全角度出發(fā)，需要考慮最大地表荷載.因此，Model a (hty 條件)是全部模型中唯一可行的，現(xiàn)場可采用Model a進行施工.

3)Model a 模擬結(jié)果與監(jiān)測結(jié)果對比顯示，隧道工作面接近階段是影響圍巖及邊坡變形的決定性階段.地表橫向沉降的監(jiān)測結(jié)果因地表荷載的變化與模擬結(jié)果在分布形態(tài)上有些許差異，但整體上看，最終最大沉降量滿足施工控制要求.這不僅證明了模擬結(jié)果的正確性，同時說明工程的安全程度有一定的富余.