新建隧道施工引起下臥既有隧道結構位移變化規律研究

張 琳,邱 瓊,薛子斌,楊馨茹,4,于廣明

(1.青島理工大學 青島市 266520； 2.中建隧道建設有限公司 重慶市 401320；3.中建五局土木工程有限公司 長沙市 410000； 4.中天設計集團有限公司長春分公司 長春市 130012)

0 引言

地鐵隧道修建會受到既有地鐵隧道空間布局與線路布置的限制，新建隧道穿越既有隧道，影響既有隧道結構安全。針對新建隧道穿越既有隧道結構問題，劉亮等[1]運用Midas GTS有限元軟件進行數值模擬，分析新建隧道上穿施工對既有隧道變形的影響，得出既有隧道結構上浮值隨新舊隧道間凈距的減小而增大；許有俊等[2]運用FLAC3D軟件建立數值模型，分析了新建地鐵車站上穿引起的既有隧道上浮變形規律；高利宏[3]通過實測數據及數值模型計算，對雙線盾構隧道下穿引起的既有隧道結構沉降變形進行研究，分別對新建左、右線依次穿越過程中引起的既有雙線隧道沉降變形規律進行分析；王超東等[4]通過室內模型試驗研究了新建盾構隧道不同交角上穿施工對既有隧道的影響，得出交角從0°～90°變化時，既有隧道整體主要受縱向變形協調性的影響；此外，針對新建隧道穿越施工對既有隧道結構的影響問題，眾多學者[5-7]采用數值模擬、模型實驗、現場監測等方法對既有隧道結構的位移及內力變化進行研究。

運用Midas GTS軟件建立三維數值模型，探究新建隧道正交上穿施工引起的既有隧道結構上浮變形規律，并找到既有隧道受影響最大位置采取防護措施，保證施工安全。

1 工程實例概況

本工程新建隧道上穿既有隧道區間段巖土類型從上至下依次為雜填土、粉質黏土和中細砂。該新建隧道為雙線隧道，采用盾構機掘進施工，隧道斷面為單心圓斷面，左右線凈距為12.0m，內徑5.2m，外徑5.9m，拱頂埋深為13.5m，既有隧道為單線隧道，內徑5.9m，外徑6.6m，拱頂埋深為25m，兩隧道均采用鋼筋混凝土襯砌，管片厚度0.35m，環寬1.5m，且新建隧道正交于既有隧道。

2 新建隧道施工對既有隧道結構上浮影響分析

整個新建隧道施工的過程，對既有隧道結構相當于卸荷后再加載的過程。在新建隧道開挖前，既有隧道處于平衡狀態且結構變形已經穩定，而新建隧道開挖會對隧道周圍巖土層產生擾動作用，使圍巖中既有隧道的平衡狀態被打破，產生附加力并引起變形。由于新建隧道位于既有隧道上方，新建隧道開挖后，既有隧道結構上層土體荷載轉移，形成開挖卸荷區，產生向上的附加荷載力，使既有隧道結構產生上浮現象，見圖1；同時，新建隧道開挖時間與開挖長度影響既有隧道變形，隧道開挖時間越長、開挖長度越大，既有隧道產生的豎向隆起變形越大。

圖1中L表示兩隧道間距；D表示隧道直徑。

新建隧道施工前，既有隧道水平方向(側向)土壓力與豎直方向土壓力間的關系如式(1)[8]所示：

Fx=K0Fy

(1)

式中：Fx為側向土壓力；Fy為豎向土壓力；K0為土的側壓力系數。

3 新建隧道上穿施工引起既有隧道上浮的數值模擬

3.1 三維數值模型的建立

針對新建隧道上穿施工引起既有隧道上浮問題，采用Midas GTS NX軟件進行數值模擬分析，并假定地層為半無限空間體；巖土體為均質、各向同性的連續介質，地表不存在高程變化；只考慮自重應力場。故基于假定建立模型時，巖土體采用莫爾-庫倫彈塑性本構，管片采用實體彈性本構，模型尺寸為50m×60m×40m，隧道位置三維模型如圖2。同時，為保證計算結果收斂，在模型底面施加固定端約束，四周施加法向約束，上表面為自由面。

圖2 隧道位置三維模型圖

3.2 物理力學參數選取

新建隧道和既有隧道主體分別位于粉質黏土和中細砂中，模型土體及管片的物理力學參數如表1所示。

表1 土體及管片的物理力學參數表

3.3 工況界定

新建隧道左線為先行隧道，右線為后行隧道，盾構機以管片寬度1.5m為一個進尺掘進，為簡化計算步驟，以左線隧道掘進為例界定具體工況。工況1：初始地應力計算，并位移清零，模擬地層的初始應力場；工況2：鈍化既有隧道土體，激活相應支護結構，并位移清零，模擬既有隧道的應力分布；工況3～工況6：定義隧道一次開挖6m，鈍化開挖區土體，激活支護結構；工況7～工況10：定義隧道一次開挖3m，鈍化開挖區土體，激活支護結構；工況11～工況14的施工步驟同工況3～工況6。

新建隧道右線施工工況15～工況26同左線隧道工況界定相同。

4 數值模擬計算結果分析

新建隧道與既有隧道正交重疊部分為兩隧道正交區域，由于新建隧道上穿施工對既有隧道存在時空效應，故將新建隧道施工分為盾構機機頭未到達正交區域、盾構機穿越正交區域、盾構機盾尾穿過正交區域三個階段，并分析既有隧道結構的位移變化規律。

4.1 既有隧道結構豎向變形分析

圖3為新建隧道左線施工既有隧道拱頂豎向位移變化曲線圖，由圖3(a)可知，左線隧道開挖至6m時(工況3)，既有隧道拱頂沉降，但由于土體開挖量小，卸載率低，產生的沉降較小；當盾構機機頭距離正交區域6m時(工況5)，拱頂開始由沉降變為隆起，但隆起量較小；當左線隧道開挖至正交區域交界面時，隆起量突然變大，且在盾構機穿越正交區域時(工況8、工況9)，隆起量逐步增大；隨著隧道施工的繼續進行，既有隧道拱頂隆起量增大，并達到5.89mm，這是由于隧道開挖卸載和盾尾遠離的二次卸載使既有隧道回彈變形造成的。由圖3(b)可知，右線隧道開挖，既有隧道拱頂隆起曲線為“雙峰”形態，隨右線隧道施工的進行，既有隧道拱頂隆起不斷增加，在與新建隧道正交位置產生的隆起值最大，為7.68mm。

圖3 既有隧道拱頂豎向位移曲線圖

4.2 既有隧道結構縱向變形分析

新建隧道施工引起的既有隧道拱頂縱向變形曲線如圖4所示。

圖4 既有隧道拱頂縱向位移曲線圖

(1)左線開挖引起的既有隧道拱頂縱向變形

由圖4(a)可知，盾構機未到達正交區域時(工況3、工況5)，既有隧道拱頂幾乎不產生縱向變形；當盾構機穿越正交區域與盾尾駛出正交區域時，兩階段各工況既有隧道拱頂縱向位移變化規律相同，均在盾構機未到達正交區域施工時，拱頂縱向位移沿X軸負方向變形，且最大變形在與新建左線隧道正交位置，為0.07mm；在兩隧道穿越正交區域與盾尾駛出正交區域時，拱頂縱向位移在左線隧道與既有隧道交界面位置迅速增大，沿X軸正向變形，并在既有隧道長度方向中間位置達到最大，為0.54mm。通過分析不同工況拱頂縱向位移曲線：既有隧道拱頂縱向位移隨開挖深度的增加而增大，且縱向位移峰值均在既有隧道中間位置，說明該位置受新建隧道施工影響最大，應采取防護措施。

(2)右線開挖引起的既有隧道拱頂縱向變形

由圖4(b)可以看出，新建隧道右線施工，各工況引起的拱頂縱向位移曲線變化形式相同。在盾構機未到達正交區域時，拱頂縱向位移峰值在既有隧道中間位置，但隨著盾構機穿越與盾尾駛出正交區域兩個階段施工的進行，既有隧道拱頂縱向位移峰值有所降低，并出現在與右線隧道相交位置，說明隨新建隧道施工的進行，既有隧道的縱向位移影響區域變大。

4.3 既有隧道結構的橫向變形分析

既有隧道結構的橫向變形是指沿既有隧道橫斷面方向的變形，選取拱腰為特征點，拱腰橫向變形曲線如圖5所示。由圖5可知，新建隧道工況2～工況6施工，既有隧道結構位移峰值呈線性增加，且位移增量較大；當左線隧道穿過既有隧道至左線隧道施工完成，既有隧道的橫向變形峰值緩慢減小并趨于平穩；而右線隧道開挖的繼續進行，使既有隧道結構位移峰值增加，在工況26下達到最大值5.2mm。

圖5 既有隧道結構橫向變形曲線圖

5 結論

采用定性分析和數值模擬方法分析新建隧道上穿施工引起既有隧道結構上浮問題，得出以下結論：

(1)新建隧道上跨既有隧道施工，既有隧道結構豎向變形以隆起為主，新建隧道與既有隧道相交斷面位置處的隆起變形量最大；既有隧道結構的縱向變形主要發生在拱頂位置，表現為沿隧道長度方向拉伸變形，并隨開挖深度的增加而增大，甚至可能被拉壞；橫斷面變形表現為“橫向壓縮、豎向拉伸”，隧道結構整體上浮。

(2)新建隧道正交上穿既有隧道結構，既有隧道中間位置拱頂處受影響最大，應加強該位置的防護與監測。