新建隧道下穿施工對既有隧道的影響

楊滿倉

（中鐵十二局集團第三工程有限公司，山西 太原 030024）

引言

隨著城市軌道技術(shù)的快速發(fā)展，應(yīng)地下交通網(wǎng)絡(luò)布局的需求，不可避免地出現(xiàn)隧道下穿上部隧道的情況，而隧道的施工會對周圍土層造成擾動，特別是施工所帶來的土體損失及應(yīng)力釋放會改變周圍土體的應(yīng)力場，由此產(chǎn)生的荷載增量造成上部既有隧道的縱向變形[1-2]，若變形過量，會對隧道正常的服役產(chǎn)生較大影響[3-4]，如北京地鐵6號線下穿越4號線隧道，白水江電站引水隧洞下穿內(nèi)昆鐵路隧道[5-6]。為保證既有隧道的安全性，有必要對新建隧道引起的上部隧道沉降進行預(yù)測分析。針對此類問題，一些學(xué)者做了相關(guān)的研究。梁榮柱等[7]對隧道結(jié)構(gòu)進行了簡化，采用兩階段分析方法求得了既有隧道的縱向變形規(guī)律，丁智等[8]采用數(shù)值分析方法分析了不同工況下地鐵襯砌的變形。戴志仁等[9]分析了新建礦山法隧道近距離下穿已運營隧道工程時的支護技術(shù)手段，陳城等[10]分析了下穿施工時注漿對既有隧道的加固作用。

1 工程概況

上海某新建隧道采用盾構(gòu)法從既有隧道下方穿越，兩條隧道的平面關(guān)系接近正交，隧道外徑均為6.2 m，管片厚度為0.35 m，每環(huán)管片的寬度為1.2 m。已建隧道軸線埋深為9 m，新建隧道的埋深為20 m。土層參數(shù)見表1。

表1 土體物理力學(xué)參數(shù)

2 三維數(shù)值分析模型

數(shù)值模擬中一般將盾構(gòu)推進、管片安裝以及盾尾注漿的連續(xù)性循環(huán)過程進行簡化，通常情況下采用剛度與荷載遷移法，通過改變材料參數(shù)與荷載條件來反映隧道施工的過程。采用FLAC3D軟件模擬計算，先在模型里預(yù)設(shè)隧道開挖單元、管片單元及注漿體單元，使用model null命令模擬隧道開挖，改變相應(yīng)單元的材料屬性來模擬管片安裝和注漿過程，見圖1。根據(jù)張云等[11]的研究，可采用等代層的方法模擬注漿及施工擾動影響，等代層厚度δ=η△，△為計算的盾尾空隙，即盾構(gòu)外徑與襯砌外徑之間的差值的一半（m），η為系數(shù)，根據(jù)土層類型取值。

圖1 盾構(gòu)推進示意

建立三維數(shù)值分析模型，其尺寸為48 m×48 m×40 m，即沿既有隧道和新建隧道縱向方向的長度均為48 m，沿豎向方向取40 m。低應(yīng)力條件下的土體的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系基本符合理想彈塑性，屈服規(guī)律符合Mohr-Coulomb 屈服準則。因此數(shù)值模擬計算分析中，土體的本構(gòu)模型取彈塑性模型，屈服采用 Mohr-Coulomb 屈服準則。根據(jù)以往的經(jīng)驗，管片在外荷載的作用下其變形一般處于彈性階段，因此采用線彈性本構(gòu)模型。考慮管片接縫的影響對其彈性模型進行折減，折減系數(shù)取 0.85，彈性模量取3×e10Pa，泊松比取0.2。對于等代層，根據(jù)相關(guān)的研究，線彈性本構(gòu)模型可以很好地模擬盾構(gòu)施工的過程，等代層中的材料是土、水泥漿及土與水泥漿的混合體，其彈性模量參考水泥土的壓縮模量取12×e6Pa，泊松比為0.2。數(shù)值分析模型見圖2。模擬中，先貫通上部隧道，然后模擬下穿隧道開挖的影響，根據(jù)孫鈞等的研究[12]，隧道每次開挖6 m對計算結(jié)果影響不大。為了節(jié)省計算資源，模擬中隧道每次開挖4.8 m，即4環(huán)，開挖10次后隧道貫通。

圖2 三維數(shù)值分析模型

3 計算結(jié)果分析

下部隧道貫穿后整體豎向位移云圖見圖3。土層及管片位移呈對稱分布，隧道軸線正上方土層沉降最大，地表處最大沉降為10 mm左右。

圖3 隧道貫穿后位移云圖

開挖40環(huán)后隧道貫通，開挖至20環(huán)位置正好位于上部既有隧道的正下方，為分析下穿隧道開挖對上部隧道的影響，取此交叉位置前后一定范圍的各開挖步下既有隧道沉降曲線進行分析對比，見圖4。可知，開挖面靠近上部隧道8環(huán)范圍時已經(jīng)產(chǎn)生了一定的影響，但沒有明顯的沉降差異，及至開挖至上部隧道下方時，上部隧道出現(xiàn)明顯的沉降差異，最大沉降位于為疊交處位置（中點），之后隨著開挖的進行，上部隧道持續(xù)性沉降，及至開挖至36環(huán)時，繼續(xù)開挖時上部隧道的沉降曲線無明顯變化，既有隧道基本穩(wěn)定下來，最終最大沉降值達到5.7 mm。

圖4 下穿隧道施工時上部隧道的沉降曲線

上部隧道沉降量隨著隧道開挖環(huán)數(shù)的變化而變化，取上部隧道中點位置沉降進行分析，見圖5，橫坐標表示下部隧道開挖面到上部隧道中點的水平距離，用環(huán)數(shù)表示。

圖5 上部隧道沉降量隨著隧道開挖環(huán)數(shù)的變化

可以看出，開挖面靠近疊交處時上部隧道沉降速度變大，開挖至疊交處時上部隧道最大沉降為3.2 mm，此時沉降值主要由下部開挖引起的土體損失造成。過疊交處16環(huán)后下穿施工不再對既有隧道產(chǎn)生影響，最終沉降為5.7 mm，是下部隧道過疊交處時的1.8倍左右，過疊交處后的開挖擾動對上部隧道有巨大影響，工程中應(yīng)準確把握這種影響大小及范圍。

4 與監(jiān)測結(jié)果對比

下部隧道貫穿后既有隧道沉降穩(wěn)定，將模擬的隧道沉降曲線與工程監(jiān)測結(jié)果進行對比，見圖6。

圖6 既有隧道沉降值對比

可以得出，模擬的沉降值與實測值有差異但基本接近，可以驗證三維數(shù)值模擬有效地反應(yīng)了下穿隧道開挖對上部隧道的影響。

5 結(jié)語

研究了下穿施工中既有隧道的沉降規(guī)律，結(jié)合實測數(shù)據(jù)驗證了數(shù)值模擬的有效性：既有隧道隨著下穿隧道的開挖而持續(xù)性沉降，中點處為沉降最大位置，整體上呈左右對稱狀，下部隧道開挖面過疊交處16環(huán)后繼續(xù)開挖對上部隧道沉降無影響，上部隧道基本穩(wěn)定，最終沉降為5.7 mm，是下部隧道過疊交處時的1.8倍左右，過疊交處后的開挖擾動對上部隧道有巨大影響，工程中應(yīng)準確把握這類影響大小及范圍。