大斷面隧道開挖對相鄰既有隧道穩定性影響的數值分析

李旺林，郭浩宇

（西南交通大學希望學院，四川 成都 610400）

1 前言

我國交通領域建設快速發展，早期建造的單洞公路隧道在現如今的交通流量下已經不足以滿足需求。因此，為了增加交通流量，近年來修建了越來越多的隧道復線[1]。但新建隧道開挖施工會導致相鄰已運營隧道周邊圍巖的應力分布發生變化，從而對既有隧道的支護結構造成不利影響，為了確保相鄰隧道的安全性和穩定性，需要對相鄰隧道支護結構的位移演化規律進行研究[2]。

許德鵬[3]利用實地測量和數值模擬技術研究了隧道洞口開挖對已支護相鄰隧道圍巖穩定性的影響，結果表明洞口開挖對支護隧道圍巖的變形影響較大。

羅陽[4]和何劍[5]通過數值模擬軟件模擬了新建隧道掌子面爆破對先行隧道圍巖振動的影響，發現相鄰隧道迎爆面的圍巖受到的爆破振動影響較大于背部爆破面。

吳文琦[6]等人采用有限元軟件，深入研究了側壁導坑法分階段開挖施工對小距離相鄰隧道爆破振動的影響，研究結果表明小距離隧道的拱腰和拱腳部位所受到的爆破振動影響最大。

此外，周杰[7]、李軍[8]及鄧宏[9]等學者也利用數值模擬軟件，對新建隧道施工對鄰近已運營隧道的安全影響進行了系統評估。

由此可見，新建隧道的施工過程對相鄰既有隧道結構的安全性產生的不同程度的影響，已經引起了國內學術界的高度關注和深入研究。

綜上，本文以某典型已運營隧道旁側新建大斷面公路隧道為背景，建立數值模型。基于數值模擬結果，重點分析新建公路隧道開挖施工對已運營相鄰隧洞穩定性的影響，并給出結構支護的優化建議。

2 工程背景

新建隧道和既有隧道洞均長為837m，道路等級為一級公路。根據勘察結果，隧道洞身穿越地段以凝灰熔巖為主，圍巖處于微風化的狀態，屬于堅硬巖石類別，雖然其結構面的結合程度一般，但巖體的完整性較好；由于受到區域構造的影響，部分地方的巖體完整性較差，表現為局部破碎。據現場地質調查和收集新建隧道施工成果，隧道開挖時，地下水呈點滴狀出水，開挖后局部拱部易產生掉塊、小坍塌及初期支護變形破壞。根據本次勘察和收集到的相關資料，兩隧道該段圍巖等級暫定為Ⅲ級，與巖土工程勘察報告圍巖等級基本吻合，若施工階段存在局部巖體破碎，節理裂隙較為發育，拱部存在掉塊等影響隧道穩定性情況，應降低圍巖等級至Ⅳ級，加強支護措施和洞內超前地質預報。

3 數值模擬

3.1 模型建立

在考慮隧道結構特征和圍巖條件的基礎上，建立三維有限元模型。該模型包括一個新建隧道和一個既有隧道，兩個隧道之間相距15m。模型包含了254610個單元和259191 個結點。在模型計算時，模型的環側和底部邊界采用了嚴格垂直約束。對于隧道圍巖，采用了基于摩爾-庫倫屈服準則的彈塑性模型，而對于隧道襯砌，采用了彈性模型。為了確保有限元模型固定邊界條件對隧道開挖模擬計算的影響最小化，對圍巖模型進行了改進，通過將圍巖模型的橫向寬度增加到隧道直徑的5 倍，將隧道底板與圍巖模型底邊距離增加到隧道直徑的4 倍，極大地減少了影響。同時將圍巖上表面的模擬距離擴展到地表，埋深達100m，以盡可能準確地模擬真實環境。根據隧道的結構特征和圍巖條件，對隧道支護結構和圍巖體采用了三維實體單元模擬，支護結構厚度為1m。

3.2 參數設置

根據JTG 3370.1-2018《公路隧道設計規范》，選擇表1 中列出的各材料物理力學參數取值。

表1 圍巖及襯砌結構基本物理力學參數

3.3 工況設置

在模型建立后，模型左側模擬新建隧道的實際開挖過程，模型右側分析既有隧洞的支護結構變形演化規律。在進行數值計算時：

首先，進行了地應力的平衡分析，以確保隧道的開挖前的穩定。

其次，模擬了新建隧道的開挖過程，并在適當的位置施加了支護結構，在釋放圍巖的壓力的時候確保隧道的穩定性和安全性。

新建隧道開挖時，對開挖進尺進行控制。本次模擬總開挖深度為300m，共設置11 個工況，即記錄開挖前初始狀態和每次開挖30m 時既有隧道支護結構的豎向位移和橫向位移的變形發展，對既有隧道的支護結構的變形進行監測，直至新建隧道開挖且支護完成的隧道長度達到300m。對支護結構危險斷面設置監測點，包括拱頂、左拱肩、右拱肩、左拱腰、右拱腰、左拱腳、右拱腳和拱底，如圖1 所示，監測該位置的位移演化規律。

圖1 既有隧道支護結構監測點布置圖

4 結果分析

4.1 支護結構整體變形分布趨勢

隨著新建隧道的開挖，既有隧道支護結構的豎向變形會逐漸增大。隧道洞口的豎向變形是整個支護結構變形的顯著體現。根據開挖數據，當開挖深度達到60m 時，隧道洞口的支護結構最大豎向位移為0.4mm，位于拱頂-左拱肩-左拱腰區域。隨著開挖深度增加至150m，隧道洞口的支護結構最大豎向位移為0.47mm。而在開挖深度達到300m 時，洞口的支護結構最大豎向位移仍為0.47mm，同樣位于拱頂-左拱肩-左拱腰區域。可以看出，隨著隧道深度的增加，洞口的豎向位移呈現出逐漸增大并趨于穩定的趨勢，表明洞口支護結構的變形程度較大，同時，隨著開挖深度的增加，洞口周邊圍巖的穩定性受新建隧道開挖的影響越來越小，而與隧道掌子面較近的圍巖穩定性受新建隧道開挖的影響較大，但與新建隧道掌子面較近的圍巖變形程度仍不如洞口周邊的圍巖變形程度。

綜上，新建隧道開挖時，相鄰既有隧道的洞口變形較大，是整座支護結構的危險斷面。為進一步研究支護結構危險斷面位移演化規律，對洞口設置監測點，包括拱頂、左拱肩、右拱肩、左拱腰、右拱腰、左拱腳、右拱腳和拱底，分別監測已支護隧道在新建隧道開挖0m至300m 全過程中的豎向變形量和橫向變形量的發展趨勢。

4.2 支護結構危險斷面位移演化規律

對隧道的變形位移監測和安全評估是確保隧道安全運營的重要環節，如圖2 所示，對于既有隧道洞口面上監測點的豎向位移和橫向位移的變形情況，在隧道開挖的不同階段，變形的幅度和趨勢有所不同。可以看出：既有隧道的支護結構的變形隨著新建隧道的開挖可以分為兩個階段。當新建隧道剛開挖時，既有隧道的支護結構的豎向位移和橫向位移會出現急劇變化。這是由于地層的松動和應力重分布，支護結構受到較大的變形影響。隨著新建隧道的開挖深度增加，支護結構的豎向變形趨于穩定。在開挖至150m 時，豎向位移的變形幅度較小，變形趨勢相對平穩。這意味著隧道的穩定性得到了較好的控制和保證。相比豎向位移，支護結構的橫向變形相對穩定的階段較早。在新建隧道開挖至90m時，支護結構的橫向變形趨于穩定。

圖2 既有隧道洞口面上監測點的豎向位移和橫向位移的變形發展趨勢

支護結構在不同監測點的變形情況是不同的。從拱頂、左拱肩、右拱肩、左拱腰、右拱腰、左拱腳、右拱腳以及拱底區域來看，豎向位移變形最大的是左拱肩區域。在新建隧道未開挖至開挖300m 這個階段，豎向位移變形量增長了5.6 倍。而在左拱腰區域，橫向位移變形最大，相比未開挖階段，橫向位移變形量增長了33 倍。雖然變形增長的數值較小，但其變形量與初始變形量的比重不可忽視。拱底和右側區域的變形雖然也有所變化，但與左側區域相比，數值更小。

對既有隧道左右側區域的位移變化進行比較，可以發現相對于隧道左側區域，位于隧道的右側區域整體位移變化較小。這可能是因為既有隧道左側靠近新建隧道掌子面，新建隧道的開挖工作導致左側區域的巖體松散，而右側區域相對穩定。因此，在新建隧道施工過程中，需要采取相應的支護措施來降低左側區域的位移變形。故針對既有隧道旁隧道復線的修建工程過程，應加強同側的支護結構強度，同時對同側的支護結構的變形隨時監測，防止已運營隧道支護結構破壞及洞口段邊坡失穩等工程災害發生。

5 結論與建議

（1）通過對某大斷面隧道開挖施工對相鄰既有隧道影響的數值分析表明：新建隧道開挖對已運營隧道洞口造成較大變形，特別是靠近新建隧道一側。需要關注洞口支護結構的安全問題。（2）既有隧道的支護結構變形可分為兩個階段。新建隧道剛開挖時，支護結構的豎向和橫向位移急劇變化；開挖至150m 時，豎向變形趨于穩定；新建隧道開挖至90m 時，橫向變形趨于穩定。（3）在復線工程中，需要加強同側支護結構的強度，監測其變形情況，以避免已運營隧道支護結構的破壞和洞口邊坡失穩等工程災害發生。特別需要關注同側拱肩區域的豎向位移變形和同側拱腰區域的橫向位移變形，這兩個區域變形最為明顯。