近距離增建隧道對兩側既有隧道結構的靜力影響分析

楊尚文

摘要 在隧道改擴建工程中保證近接新建隧道開挖后既有隧道結構的安全性與穩定性極其重要。文章以京港澳高速公路既有旦架哨隧道改擴建工程為依托，在充分調研分析既有隧道襯砌病害的基礎上，采用數值模擬研究了不同凈距對新老隧道結構的影響。結論表明：（1）隨著施工凈距的增加，近接新建隧道的開挖對既有隧道結構受力的影響不斷減小，具體表現在開挖變形、襯砌應力以及既有隧道襯砌病害所帶來的不利作用。（2）新老隧道凈距大于25 m后，隨著凈距的增加，新建隧道開挖所引起的既有隧道結構位移及受力變化相對較小，且既有隧道結構處于安全狀態，故25 m的施工凈距是合理且安全的。

關鍵詞 既有隧道；靜力影響；施工凈距；開挖變形；襯砌病害

中圖分類號 U457.6文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）06-0047-04

0 引言

21世紀以來，隨著中國經濟的高速發展，珠三角區域汽車保有量逐年遞增，從而使得部分高速公路運輸能力受到前所未有的挑戰，大量高速公路隧道運能已無法滿足現有交通需求，急需對現有隧道進行改擴建，而在既有隧道周邊增建隧道已然成為最常見的改擴建方式之一[1]。

針對新建隧道開挖對既有隧道的靜力影響研究，國內外諸多學者開展了大量相關研究分析。Hiroshi和Kuriyama[2]等依托日本福崗市地鐵3號線工程，重點分析了小凈距隧道巖柱的加固方法及變形的監控量測，同時利用有限元軟件模擬了小凈距隧道施工全過程，探明了小凈距隧道關鍵施工步驟；K.W. Lo[3]等通過現場監測統計分析了新建隧道開挖施工時，已建成三條隧道的結構內力及位移的變化；汪壯壯[4]等采用FLAC3D軟件建立三維數值模型，研究了既有地鐵隧道旁開挖新隧道的施工工程，重點分析砂巖地層中新建隧道與既有隧道間的相互作用及結構位移規律；王志杰[5]等研究了不同偏壓角度及凈距條件下的新建隧道施工過程，并結合理論分析系統總結了偏壓角度和凈距對近距離隧道施工的影響規律；周文杰[6]等通過模擬在既有地鐵隧道下方掘進新建盾構隧道的施工全過程，得出了新建隧道及既有隧道結構變形分布規律，并在此基礎上明確施工安全控制技術；張志強[7]等研究了開挖順序對非對稱小凈距隧道施工的影響；劉傳利[8]等依托廣州地鐵6號線，分析了新建隧道施工給既有隧道帶來的不利作用，并提出較為合理的施工工法。

因此，對于小凈距隧道增建工程而言，探明新建隧道對既有隧道結構穩定性的靜力影響是至關重要的。該文以京港澳高速公路既有旦架哨隧道改擴建工程為依托，在充分調研分析既有隧道襯砌病害的基礎上，采用數值模擬的方式重點研究了新建隧道在不同凈距下施工對新老隧道結構變形及受力的影響，以期探明不同施工凈距下新建隧道施工對既有隧道的影響，從而提出合理的小凈距新建隧道的合理施工凈距。

1 工程概況

既有旦架哨隧道為上下行分離式的六車道高速公路隧道，隧道最大埋深約150 m。擬增建的旦架哨隧道同樣為上下行分離式的六車道高速公路隧道，最大埋深約146 m，為中長隧道。該項目改擴建方案如圖1所示。隧道穿越的巖層主要為中風化千枚巖，圍巖級別主要為Ⅳ級、Ⅴ級，其中，Ⅴ級圍巖占比超61%，巖體整體較破碎，自穩能力較差，開挖后圍巖易出現小規模坍塌。

2 既有隧道襯砌病害調研分析

為清晰了解既有隧道襯砌病害的分布情況，并給計算過程中病害的模擬提供參考，對既有隧道襯砌病害狀況進行統計分析。

2.1 襯砌裂縫統計

在既有隧道洞身襯砌裂縫中，環向裂縫最多，主要分布于邊墻區域，其次為斜向裂縫，縱向裂縫最少。不同寬度裂縫的分布統計如表1所示。

2.2 襯砌空洞統計

既有公路隧道襯砌空洞主要分布在隧道拱頂，空洞長度與深度的分布統計如表2所示。

3 基于數值模擬的小凈距增建隧道的結構影響性分析

3.1 數值模型建立

3.1.1 計算假設

①圍巖、二次襯砌采用實體單元。②超前小導管和錨桿的模擬，采用提升錨固區圍巖參數的方式進行近似模擬，無實際單元。③臨時支撐采用Beam結構單元進行模擬。④圍巖、初支、二襯及臨時支撐均采用彈性本構模型。

3.1.2 計算工況

由于Ⅴ級圍巖占比較高，故該文重點分析Ⅴ級圍巖條件下，新老隧道采用不同凈距施工時增建隧道對臨近既有隧道受力變形的影響，凈距分別選取10 m、15 m、25 m、40 m進行分析。計算工況如表3所示。

3.1.3 模型建立

該文重點分析不同施工凈距下新建隧道對既有隧道的靜力影響，為簡化計算，故只選擇新建左線隧道進行計算。通過Ansys 有限元軟件建立二維平面模型，模型邊界在隧洞左右、上下均取約3～4倍洞徑長度，模型左右邊界及下邊界設為位移邊界，而上邊界取自由邊界。該文重點研究近接新建隧道的合理施工間距，故不同計算凈距下模型尺寸有所不同，最大模型尺寸為264 m×140 m。同時結合既有隧道襯砌缺陷實際情況，在模型中對既有隧道襯砌拱頂空洞和邊墻裂縫進行模擬（如圖2所示）。

3.1.4 計算參數

依據地勘資料結合相關隧道設計規范中的圍巖及支護參數取值，該次計算參數如表4所示。其中，依據既有計算經驗和類似工程實踐，設定超前小導管加固區或錨桿支護區內的圍巖變形模量、黏聚力、內摩擦角依次提升20%、15%、10%；疊合加固區（超前小導管加固區+錨桿支護區）內依次提升40%、30%、20%。

3.1.5 模擬過程

計算步驟：初始地應力模擬—既有隧道施工模擬（全斷面開挖）—既有隧道襯砌病害模擬—新建隧道施工模擬（雙側壁導坑法開挖）。

3.2 計算結果分析

3.2.1 開挖變形分析

不同施工凈距下（10 m、15 m、25 m和40 m）的結構整體水平及豎向位移如圖3、圖4所示。由圖3可看出，隨著施工凈距的增大，新老隧道水平位移減小。凈距為10 m、15 m、25 m和40 m時，隧道結構最大水平位移分別為2.67 mm、2.51 mm、2.39 mm和2.31 mm，降幅分別為0%、5.9%、10.4%和13.4%，即隨著施工凈距的增大，結構水平位移減小程度不斷降低。由圖4可知，隨著施工凈距的增大，新老隧道豎向位移也逐漸減小。凈距為10 m、15 m、25 m和40 m時，拱頂沉降和拱底隆起分別為（11.13 mm，13.8 mm）、（9.84 mm，12.97 mm）、

（8.83 mm，12.33 mm）和（8.50 mm，12.04 mm），降幅分別為（0%，0%）、（11.6%，6%）、（20.6%，10.6%）和（23.6%，12.7%），即隨著施工凈距的不斷增大，結構豎向位移減小程度也不斷降低。綜上，雖然新老隧道結構變形均隨凈距的增大不斷減小，但實際工程中施工凈距受到工程占地等問題的約束，且凈距為25 m時新建隧道位移與凈距40 m時的位移相差較小且均遠小于凈距為10 m和15 m時的位移，故施工凈距25 m較為合理。

3.2.2 襯砌應力分析

不同施工凈距下新建隧道開挖完成后，既有左右線隧道襯砌主壓應力如圖5所示。由圖5可知，隨著凈距的增大，既有隧道襯砌整體應力逐漸降低，既有左右線隧道襯砌應力基本呈對稱分布，以既有左線隧道為例，凈距為10 m、15 m、25 m和40 m時，隧道襯砌最大壓應力分別為12.4 MPa、11.2 MPa、10.1 MPa和9.9 MPa，相較于10 m凈距，施工凈距25 m時結構最大壓應力降低18.5%；而相較于25 m凈距，施工凈距為40 m時最大壓應力降幅僅2%。

不同凈距下新建隧道開挖時，既有隧道襯砌病害對結構的影響規律基本相同。以既有左線為例，凈距為10 m、15 m、25 m和40 m時，拱頂空洞處襯砌壓應力分別為

1.21 MPa、1.02 MPa、0.83 MPa和0.76 MPa，且出現不足

0.1 MPa的拉應力，分別為0.04 MPa、0.03 MPa、

0.02 MPa和0.02 MPa，其值均小于襯砌混凝土的承載力；不同凈距時，邊墻裂縫均會減小其附近襯砌壓應力，減小幅度均在50%左右，同時在裂縫尖端產生應力集中現象，出現較大的壓應力，凈距10 m、15 m、25 m和40 m時，分別為6.86 MPa、6.19 MPa、5.58 MPa和5.48 MPa，這表明凈距越大，病害所帶來的不利影響越小，且凈距為25 m和40 m時的裂縫尖端應力相差很小，即當施工凈距大于25 m后，裂縫不利影響的降低程度不再明顯。

綜上分析可知，隨著凈距的增大，既有隧道襯砌整體應力和襯砌病害所帶來的不利影響均逐漸降低，且降低幅度逐漸放緩；凈距大于25 m后，兩者減小程度均不再明顯，故25 m可以被視為該工程的合理施工凈距。

4 結語

（1）該文依托京港澳高速公路既有旦架哨隧道改擴建工程，利用有限元軟件Ansys模擬了10 m、15 m、25 m和40 m四種施工凈距下的新建隧道開挖過程。隨著施工凈距的增加，近接新建隧道的開挖對既有隧道結構的影響不斷減小，具體表現在開挖變形、襯砌應力和襯砌病害所帶來的不利作用，同時該影響的減小程度隨凈距的增加而逐漸放緩。

（2）凈距大于25 m時，新建隧道開挖所引起的既有隧道襯砌位移及受力變化相對較小，且既有隧道結構處于安全狀態，由此認為25 m的施工凈距是合理且安全的，該改擴建工程施工凈距建議采用25 m。

參考文獻

[1]宋戰平， 張澤坤， 程昀. 既有公路隧道改擴建技術研究動態及展望[J]. 地下空間與工程學報， 2023（4）： 1216-1234.

[2]Hiroshi. Kuriyama， Tokuji. Koga， Yakaya. Ogata. The designand construetion of pillar reinforce at horizontal twin tunnels. Proeeeding of Tunnel Engineering[J]. JSCE， 2000 （10）： 125-130.

[3]K. W. Lo， L. K. Chong， L. E.? Leung. Field tnstrumentation of a multiple tunnel interaetion problem[J]. Tunnels and Tunneling， 1998 （6）： 124-128.

[4]汪壯壯， 汪學清， 趙云猛. 小凈距深埋平行隧道全斷面開挖相互影響數值分析[J]. 水利與建筑工程學報， 2023（2）： 213-219.

[5]王志杰， 蔡李斌， 李振. 隧道雙側近接既有偏壓淺埋隧道施工影響研究[J]. 鐵道工程學報， 2021（3）： 53-58+106.

[6]周文杰， 黃安， 王銘芮. 新建雙線盾構隧道下穿既有隧道變形規律及控制技術研究[J]. 國防交通工程與技術， 2023（5）： 51-55.

[7]張志強， 黃朱林， 韓飛. 非對稱小凈距隧道施工力學特性研究及方案優化[J]. 現代隧道技術， 2007（6）： 22-26.

[8]劉傳利， 漆泰岳， 譚代明. 近接隧道施工工序的數值模擬研究[J]. 隧道建設， 2009（1）： 50-53.