新建隧道對臨近地下隧道的影響分析

趙 剛

（貴州省六盤水市盤州市水務局，貴州 六盤水 553500）

中國經濟的快速發展導致城市交通頻繁擁堵，地鐵在繁華地區修建。 傳統的礦山法和明挖法對周邊環境影響太大， 盾構法憑借其優勢成為城市修建隧道的首選，這不可避免地造成隧道交叉施工。新建隧道對既有隧道的影響不容小覷， 已成為當前研究的熱點。 眾多的科研工作者針對新建隧道對周邊環境影響的問題做了一系列研究。 魏綱等［1］利用數值手段研究了軟土地區盾構水工隧道施工對周邊環境的影響，提出了一種預測變形的方法。 張瓊方等［2］建立三維有限元模型分析了盾構水工隧道施工引起的既有隧道變形，并提出了控制措施。 白文波等［3］和朱蕾等［4］基于現場實測數據，分析了盾構下穿既有隧道引起的既有隧道變形規律。邵華等［5］通過ABAQUS有限元軟件分析盾構近距離穿越施工對已運營隧道的擾動影響。陳亮等［6］和劉招偉等［7］對隧道近距離穿越上部隧道過程進行分析， 總結了既有隧道變形和地表沉降規律。 李強等［8］通過三維數值軟件研究了盾構施工中垂直交叉隧道變形規律。

上述研究大多將隧道簡化模擬為直線隧道，為模擬實際工況， 現結合某水工隧道盾構施工的工程背景， 利用三維有限元軟件數值分析了水工隧道盾構施工對近距離既有隧道的影響。 研究了新建隧道與臨近隧道間距、土體泊松比、地層損失率等因素的影響，并對水工隧道盾構施工過程進行分析。

1 工程概況

某新建水工隧道緊鄰既有地鐵隧道。 該區間起點里程為YK15+722，終點為YK16+833，隧道左右線總長均為1111m。新建隧道與既有地鐵隧道位置關系如圖1。 隧道采用土壓平衡盾構機進行施工。 新建隧道最外側直徑為6.3m，內徑為6m。該既有盾構水工隧道拱頂距地表約19.5m，外徑為6.5m，內徑為6.2m。 新建隧道與既有地下隧道的剖面關系如圖2。

圖1 新建隧道與既有地鐵隧道地理位置

圖2 新建隧道與既有地下隧道剖面

2 三維模型建立

利用有限元軟件建立三維數值模型，如圖3。 根據已有數值計算經驗，水工隧道盾構掘進僅對周邊5倍直徑范圍內的土體有顯著影響，基于此，建立模型長166m、寬110m、高37m。上表面為自由邊界，四周和底部為固定邊界。

圖3 整體模型圖

土體本構模型采用摩爾-庫倫模型。該研究區間段主要穿越含礫石黏性土。 土體參數取值如表1。 隧道結構相關參數取值如表2。

表1 土體參數

表2 盾構結構相關參數

3 影響因素分析

主要研究新建隧道與臨近隧道間距、 土體泊松比、 地層損失率和新建隧道與臨近隧道夾角對新建隧道引起的臨近隧道變形的影響。 為此選定一組參照參數： 新建隧道與臨近隧道間距為5m、 泊松比為0.3、地層損失率為0.5%、注漿壓力為200kPa、掌子面壓力為250kPa。

為研究新建隧道與臨近隧道位置關系的影響，建立4種新建隧道與臨近隧道間距工況：2.5，5，7.5，10m（保持其他參數不變，余同）。 圖4給出了4種不同間距下已有隧道拱頂的變形曲線。從圖4可以看出，4種不同間距下的隧道拱頂變形峰值分別為：-13.5，-9.5，-8.1，-7.5mm。 可見，已有隧道拱頂變形隨著新建隧道與臨近隧道間距的增大而減小， 但新建隧道對已有隧道的變形影響逐漸減弱。 區間水工隧道安全控制指標中水平和豎向位移預警值為10mm。 可見，當新建隧道與臨近隧道間距小于5m時，既有隧道豎向位移超過規范限值。綜合考慮，新建隧道與臨近隧道合理間距為5m。

圖4 不同間距下既有隧道的位移

為研究土體不同泊松比下新建隧道施工對臨近隧道的影響（保持其他參數不變），建立3種不同泊松比工況：0.30，0.35，0.4。 圖5給出了不同泊松比下已有隧道拱頂的變形曲線。 從圖5可看出，不同泊松比下已有隧道拱頂的變形幾乎不變， 可見泊松比對新建隧道施工引起臨近隧道的變形影響可忽略。

圖5 不同泊松比下既有隧道的位移

為研究不同地層損失率下新建隧道施工對臨近隧道的影響， 建立4種不同地層損失率工況：0.5%，1%，1.5%，2%。 圖6給出了不同地層損失率下已有隧道拱頂的變形曲線。 從圖6可以看出，隨著地層損失率的增大，以后隧道變形迅速增大，且變形增長速率也呈增長趨勢。 當地層損失率為1%時，既有隧道豎向變形約為12.5mm，超過規范限值10mm。綜合考慮，合理的地層損失率為0.5%。

圖6 不同地層損失率下既有隧道的位移

為研究不同注漿壓力下新建隧道施工對臨近隧道的影響（保持其他參數不變），建立4種不同注漿壓力工況：100，200，300，400kPa。 圖7給出了不同注漿壓力下已有隧道拱頂的變形曲線。 如圖7所示，注漿壓力的提升可以有效控制既有隧道的變形， 但隨著注漿壓力的增大，這種提升效果逐漸削弱，且注漿壓力為100kPa 工況的隧道豎向變形超過規范限值10mm。 綜合考慮，合理的注漿壓力為200kPa。

圖7 不同注漿壓力下既有隧道的位移

為研究不同掌子面壓力下新建隧道施工對臨近隧道的影響（保持其他參數不變），建立4種不同掌子面壓力工況：150，250，350，450kPa。 圖8給出了不同掌子面壓力下已有隧道拱頂的變形曲線。 如圖8所示， 既有隧道的豎向變形隨著掌子面壓力的增大逐漸減小， 但減小幅度越來越小。 且掌子面壓力為150kPa工況的隧道豎向變形超過規范限值。 綜合考慮，合理的掌子面壓力為250kPa。

圖8 不同掌子面壓力下既有隧道的位移

4 盾構水工隧道施工過程分析

4.1 不同施工工況介紹

選擇合理參數進行數值模擬： 新建隧道與臨近隧道間距為5m、泊松比為0.3、地層損失率為0.5%、注漿壓力為200kPa、掌子面壓力為250kPa。

為研究盾構施工過程中新建隧道對既有隧道及周邊環境的影響，將盾構水工隧道施工全過程分為5個工況，如表3。 圖9為數值模型圖。

表3 盾構施工過程詳細工況

圖9 工況一模擬圖

4.2 數值模擬結果分析

圖10給出了盾構掘進過程不同位置變形曲線圖。 如圖10所示，水工隧道盾構掘進過程中，地表位移和既有隧道變形隨著刀盤的前進首先緩慢增大，隨后快速增大，最后趨于穩定。 其中當刀盤距兩隧道交叉處-15～15m范圍內， 盾構掘進對地表和既有隧道變形影響最大，可見，新建隧道施工對地層和既有隧道的影響范圍為兩隧道交叉點2.5D范圍。 此外，當刀盤距兩隧道交叉處-6～6m范圍內，地表和既有隧道變形曲線斜率最大，說明新建隧道施工對該范圍內的土體和既有隧道擾動最為顯著，在實際施工的時候，當新建隧道施工到兩隧道交叉點1.0D范圍內，需要采取一定的加固措施，減小新建隧道施工對既有結構的影響。 進一步分析圖10可知，當水工隧道下穿既有隧道過程中，隧道拱頂位置沉降曲線斜率小于拱底位置沉降曲線斜率， 這是由于上方既有隧道的存在對上方土體的沉降變形起到阻隔作用。

圖10 地層變形圖

圖11給出了新建水工隧道盾構掘進過程中5種工況的既有隧道拱腰處的沉降。從圖11可看出，隨著盾構機刀盤掘進， 既有隧道拱腰處的沉降量越來越大，并且主要沉降變形發生在工況2、工況3和工況4階段。受下方新建隧道施工的影響，既有隧道的主要沉降范圍隨著盾構機掘進向掘進方向移動。 當盾構機刀盤達到兩隧道相交位置時， 既有隧道的沉降變形達到峰值并趨于穩定。 對比圖11（a）和（b）可知，新建隧道施工對先穿越一側的隧道拱腰沉降量和沉降范圍的影響更加顯著。

圖11 不同工況的隧道變形曲線

5 結語

（1）新建隧道與臨近隧道間距、地層損失率、注漿壓力和掌子面壓力對新建隧道引起的既有隧道變形有顯著影響。 該工程合理的新建隧道與臨近隧道間距為5m，合理的地層損失率為0.5%，合理的注漿壓力為200kPa，合理的掌子面壓力為250kPa。

（2）新建隧道施工對地層和既有隧道的影響范圍為兩隧道交叉點2.5D范圍。 其中新建隧道施工到兩隧道交叉點1.0D范圍內影響最為顯著， 需采取一定的加固措施，減小新建隧道施工對既有結構的影響。

（3）隧道主要沉降變形發生在刀盤距離既有隧道結構邊線大約-6～12m范圍內，既有隧道的主要沉降范圍隨著盾構機掘進向掘進方向移動。 且新建隧道施工對先穿越一側的隧道拱腰沉降量和沉降范圍的影響更加顯著。