黃土地區隧道施工對臨近既有隧道影響的數值模擬研究

摘要：通過數值模擬軟件探討在兩條既有隧道間新建隧道時，新建隧道在不同開挖方式下對既有隧道的影響特點，以此選出最合適的施工方法。通過模擬新建隧道施工時對既有隧道的位移影響，得出最危險線路及斷面，并以此為基礎，探討新建隧道的最佳開挖方法。從結果看，建議以三臺階法進行施工。

關鍵詞：黃土地區；隧道施工；三臺階；數值模擬

0" "引言

隨著隧道數量不斷增多，在既有隧道臨近位置修建新隧道的情況越來越多。既有隧道臨近位置修建新隧道施工過程中，難免會出現上穿、下穿和重疊等情況[1]。新建隧道會對既有隧道產生二次擾動，導致一定深度范圍內的既有隧道產生應力重分布的情況，進而引發不同程度的沉降和變形。若該種附加變形過大，則可能會導致隧道出現滲水或沉降等情況，不利于隧道的運營安全。

在確保既有隧道安全的基礎上，如何快速修建新隧道是值得重點關注的內容[2]。黃土因其特殊性而難以量化相關性質，導致黃土地區隧道近接的施工研究難度大大提升。從遠期規劃看，黃土地區隧道近接施工會持續存在，且會越來越多，這就使其成為鐵路建設中必須解決的問題之一。本人基于現有研究成果，探討黃土地區隧道近接施工對既有隧道的影響非常有必要。

1" "工程概況

某新建隧道全長908m，位于兩條既有線路之間。從現場勘察資料可知，該隧道周圍以黃土地質為主，整體表現出東高西低的走勢，因長期受到水流沖刷的作用，導致其局部有發育滑坡。

2" "模型建立

考慮到該隧道所處環境降雨量較少，因此在模型建立時不考慮雨水的滲透作用。從相關經驗和研究可知，隧道施工往往會對其3～5倍的洞徑產生較大影響，因此所建模型大小為左右側隧道邊界110m以及下側邊界40m。以上述分析為基礎劃分相應單元格，共有497000個單元和490850個節點。按位移邊界施加約束，底邊施加豎向位移約束，上邊則為自由邊界，具體模型如圖1所示。

3" "新建隧道開挖對既有隧道影響分析

隧道施工會導致地層出現不均勻沉降，從而影響既有隧道的運營質量[3]。因既有隧道和中線新建隧道存在夾角，中線新建隧道施工時，既有隧道不同斷面位置會受到不同的影響，因此需先確定研究斷面[4]。考慮到邊界效應的影響下，既有隧道邊界斷面會出現過大的應力或位移，因此制定如表1所示工況。

各斷面觀測點布置見圖2。下文以全斷面法施工時、1m施工進尺下，C25初期襯砌混凝土挖通后的中線隧道為研究背景，探討不同斷面處左右兩條既有隧道的位移變化情況。

3.1" " 既有左線不同斷面處襯砌位移分析

3.1.1" "左線隧道各斷面水平位移

左線隧道各斷面水平位移具體變化見圖3。從圖3可以看出，左線水平位移均朝左，且在5m斷面處有2.91mm的襯砌水平位移最大值，35m斷面處則最小。左線各斷面均在拱頂處有最大水平位移，并從拱頂到拱底不斷減小。拱頂有最大位移變化量，其余觀測點變化較小，說明各斷面有較為接近的水平位移。分析認為，其原因在于左線和中線距離較遠，中線開挖對各觀測點的擾動較小。

3.1.2" "左線隧道各斷面豎向位移

左線隧道各斷面豎向位移見圖4。從圖4可知，各斷面左拱腰和左拱腳隨著不斷掘進的新建隧道施工而不斷下沉，且下沉值不斷增加。各斷面右拱腰和右拱腳隨著不斷掘進的新建隧道施工表現為隆起，且隆起值不斷減小。

分析認為，其原因在于左側山體朝左下的偏壓力對左側壁產生沉降作用，襯砌為整體結構且該隧道埋深較淺，導致右側壁出現上翹、上浮，而左壁不斷下沉。隨著不斷增大的施工里程，左壁和左側山體距離越發接近，所承受的偏壓力不斷增大，因而沉降量不斷增大。

中線隧道施工時，初期襯砌施加時間較為滯后。在中線隧道施工的影響下，左線隧道遠離洞口位置的擾動不斷增強，且擾動所形成的下沉作用逐漸比偏壓所形成的上浮大，因此與洞口較遠的上浮量不斷減小。拱頂和拱底所承受的偏壓和擾動作用在左側壁和右側壁間，因此在第1個斷面和第4個斷面均表現為隆起，在后續斷面中則表現為沉降。

綜合上述分析可知，左線隧道的左側壁出現下沉，而右側壁出現上浮，隧道整體出現逆時針旋轉趨勢，但因位移值較小，因此旋轉程度較小。

3.2" " 既有右線不同斷面處襯砌位移分析

3.2.1" "既有右線隧道各斷面水平位移

既有右線隧道各斷面水平位移見圖5。從圖5可知，各斷面觀測點均出現朝右的水平位移，拱底有最大水平位移，拱頂有最小水平位移。在5m斷面位置有最大水平位移，35m斷面處有最小水平位移。各斷面拱底水平位移均比拱頂水平位移大。此外，與洞口斷面接近的拱頂和拱底水平位移，大于遠離洞口斷面的水平位移。

3.2.2" "既有右線隧道各斷面豎向位移

既有右線隧道各斷面豎向位移見圖6。從圖6可以看出，各斷面觀測點均有所下沉，且左拱腰和左拱腳有最大下沉量，右拱腰和右拱腳有最小下沉量。在5m斷面處有最大沉降量，該斷面的左拱腰有最大沉降量。各觀測點沉降量隨著不斷掘進的隧道而不斷減小，在35m斷面處右拱腰有最小沉降量，左拱腰沉降量均大于右拱腰，因此右線隧道有逆時針旋轉趨勢。分析認為，其原因在于中線新建隧道施工，導致右側隧道出現左側臨空面，且右線上部山體為左低右高，左側壁有較薄的覆土，因此產生較大擾動[5]。

3.3" " 確定斷面及研究線路

從上述研究可以看出，左線隧道在5m斷面的拱頂位置有2.82mm的最大水平位移，右線隧道在5m斷面的拱底位置有14.23mm的最大水平位移，兩側隧道均在5m斷面出現的最大水平位移約，且有12.6mm的差值，相差較大。

左線在45m斷面的左拱腰處有3.18mm的最大豎向位移，右線在5m斷面的左拱腰處有17.52mm的最大豎向位移，兩側隧道的最大豎向位移有13.66mm的差值，相差較大。

綜上左線的水平位移和豎向位移均小于右線隧道，右線為危險線路，需對右線隧道加以重點關注，且右線5m斷面有最大的豎向位移和水平位移。下文將以右線隧道的5m斷面作為研究對象。

4" "不同開挖方式對既有隧道穩定性影響分析

以右線5m斷面為研究對象，探討全斷面法和三臺階法施工對隧道穩定性的影響。

4.1" " 全斷面法施工對既有隧道穩定性影響分析

4.1.1" "既有右線隧道各觀測點水平位移

全斷面法施工時，既有右線隧道各觀測點水平位移見圖7。從圖7中可知，在掘進2m時，拱頂處有朝左1.11mm的水平位移。在掘進4m時，拱頂處有朝左1.82m的水平位移，相對而言數值有所上升。在掘進4～6m時，水平位移變化較小。分析認為拱頂水平位移峰值為1.8mm，再6m后繼續掘進時，其水平位移逐漸減小，到12m時水平位移減小到0。隨后其水平位移則不斷朝右邊增加，直到掘進到40m時其朝右位移穩定在1.3m左右。

分析認為，中線隧道挖掘時，右線左壁會出現臨空面，且中線隧道上方土體因受到擾動而產生下沉，隨之出現偏向左下方的位移，加之襯砌施加較為滯后，因此拱頂出現朝左的水平位移。在掘進到6m之前，朝左的水平位移不斷增大。在6m之后，因襯砌施加完畢且開始發揮作用，襯中線襯砌表現出剛體作用，因而拱頂的位移逐漸朝右側發展。又因為該斷面與掌子面距離較遠，影響逐漸減小，最終得以保持穩定。

左拱腳和右拱腳位移變化規律一致，位移均朝右且不斷增加，并分別穩定在12.5mm和12.7mm。相比之下，左拱腳的位移要小于右拱腳的位移。分析認為，中線施工時，右線左壁所受到的右下偏壓作用，大于臨空面產生的向左的擠壓作用[6]，因此從位移一開始就朝向右邊，表現出右線受壓狀態，從而出現右拱腳水平位移較大情況。

相比左拱腰，右拱腰的水平位移也較大。拱底位移不斷增加，并在14mm處穩定下來，有最大的水平位移。分析認為，開挖中線時，上部土體受到干擾而出現下沉現象，對右線左壁造成一定的擠壓，且中線底部比右線底部低，導致擠壓作用更加明顯，因而拱底處的水平位移最大。

4.1.2" "既有右線隧道各觀測點豎向位移

全斷面法施工時，既有右線隧道各觀測點水平位移見圖8。從圖8中可知，隨著掘進里程的不斷增加，各觀測點的豎向位移變化基本一致。但相對而言，右側拱腰和拱腳處的位移較小，且右拱腰的豎向位移小于右拱腳。各觀測點豎向位移最終穩定后，左拱腰豎向位移最大，右拱腰豎向位移最小。

兩者有著較大的沉降差，達7mm左右，可能會有逆時針旋轉趨勢。此時中隔墻有較大的剪切作用，即對于既有線路的穩定性而言，新建隧道的中隔墻施工質量對其有著較大的影響。因此在施工時，應對左壁關鍵點的位移變化情況加以重點監測，若發現有著較大位移差距，要采用一定的加固措施，避免出現安全問題。

4.2" " 三臺階法施工對既有隧道穩定性影響分析

4.2.1" "既有右線隧道各觀測點水平位移

三臺階法施工時，既有右線隧道各觀測點水平位移見圖9。從圖9中可知，在掘進到2m時，拱頂有朝左的0.82mm水平位移，比全斷面法施工時的下沉量減小約25%。當掘進到4m時，拱頂有朝左的1.33mm水平位移，比全斷面法施工時的下沉量減小約26.5%。中線新建隧道掘進到6m后，既有右線隧道的水平位移逐漸降低，并在掘進到11m時趨于0。三臺階施工所導致的水平位移，要小于全斷面法施工時的水平位移，即從控制隧道的水平位移看，采用三臺階法進行施工效果更好。

4.2.2" "既有右線隧道各觀測點豎向位移

三臺階法施工時，既有右線隧道各觀測點豎向位移見圖10。從圖10中可知，隧道各個測點有一致的豎向位移變化規律，左側拱腰和拱腳的豎向位移穩定在18m處，拱底穩定在12m處，拱頂則穩定在20m處，右側拱腰和拱腳的豎向位移最小，且右側拱腰的豎向位移小于右側拱腳。最終穩定后，左側拱腰豎向位移最大，右側拱腰豎向位移最小。三臺階法施工時所產生的豎向位移，要小于全斷面法施工時所產生的豎向位移。綜上可知，采用三臺階法施工時沉降值較小，即采用三臺階法能有效控制既有隧道沉降。

5" "結語

在確保既有隧道安全的基礎上，如何快速修建新隧道是值得重點關注的內容。黃土因其特殊性而難以量化相關性質，導致黃土地區隧道近接的施工研究難度大大提升。從遠期規劃看，黃土地區隧道近接施工會持續存在，且會越來越多，這就使其成為鐵路建設中必須解決的問題之一。

本文通過數值模擬軟件探討了黃土地區新建隧道施工對臨近既有隧道的影響，從結果看，新建隧道通過三臺階法施工時，既有右線隧道襯砌位移要明顯小于全斷面法施工時產生的位移，有利于既有隧道的穩定性，因此在忽略其他條件的情況下，建議以三臺階法進行施工。

參考文獻

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[4] 李俊杰.暗挖區間隧道近接既有地鐵隧道施工變形影響及控制措施研究[J].現代隧道技術，2019，56（4）：168-174.

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