公路隧道下穿施工对既有隧道的影响

刘玉骞 王寅辰 姜 涛

(河北建筑工程学院，河北 张家口 075000)

随着国家基础设施的发展,隧道建设在工程中有很大作用.在公路隧道的施工中，通常会遇到下穿既有隧道的情况.由于下穿既有隧道工程实施很容易对既有隧道产生不利影响，对既有隧道的位移和应力变化，影响既有隧道结构的安全性和使用寿命.

目前，许多学者对新建隧道下穿既有隧道的影响因素开展了多方面研究，并得到了相应的成果.房明等[1]利用MIDAS/GTS软件建立交叉隧道模型，模拟新建隧道下穿盾构施工过程中在不同隧道覆土厚度、隧道间净距及土体强度条件下对既有隧道沉降变形的影响；
严鹏飞等[2]利用ABAQUS软件建立隧道三维模型，通过现场实测数据和数值模拟探讨了不同埋深隧道对地表沉降的影响，得出随着隧道埋深和沉降槽宽度的不断增大，在隧道开挖中影响周围土体范围增大，表现出拱顶地表沉降先增大后减小；
张青等[3]利用ABQUS建立近距离小角度斜隧道三维的有限元计算模型，研究下穿隧道施工对既有隧道稳定性的问题，通过数值模拟分析和现场监测的数据对比，在既有隧道竖向位移、水平位移及应力得出一些相应的规律;刘颀楠等[4]利用FLAC3D软件构建正交下穿隧道三维数值模型，以计算隧道间平面间距离不同的垂直净距和与新建隧道水平间距不同情况下，分析施工中对既有隧道和地表的变形影响；
胥俊玮等[5]运用FLAC3D软件构建正交隧道下穿既有隧道三维数值模型，分析了新建地下隧道在建设施工中荷载对新建既有的隧道结构三维变形规律及隧道地表沉降变化影响,得出隧道地表沉降的变化影响规律以及对既有地下隧道结构衬砌变形、内力的变化规律；
黄春峰等[6]采用离散元PFC3D软件建立隧道模型，模拟分析新建隧道下穿施工中对既有隧道竖向位移和应力的影响；
刘新荣等[7]采用三维物理模拟实验，分析在不同立交间距下，通过对既有隧道的位移和应力的监测，得出立交隧道的立交间距值.

本文以某立体交叉隧道为工程背景，运用FLAC3D数值计算软件对立体交叉隧道进行三维数值模拟和分析，以找出新建公路隧道的合理位置，为新建公路隧道施工提供参考.

1.1 工程概况

本文以某立体交叉隧道工程为依托，新建公路隧道矢高12.3 m，跨度10.4 m.拟建公路隧道下穿既有隧道，轴线呈90°相交，两者最小垂直净距5 m.既有隧道矢高13.7 m，跨度12.5 m.新建隧道采用台阶法施工，拟建工程岩性为Ⅳ级围岩.

1.2 计算模型及参数

按照设计方案,在MIDAS软件中创建立体交叉隧道模型并划分网格,将模型经过转换软件导入FLAC3D中.如图1所示，由圣维南原理确定模型范围为：y方向取80 m，x方向上取80 m(-40 m～40 m)，z方向取80 m[8].围岩用实体单元来模拟，衬砌等支护结构采用弹性材料提高材料参数来实现.除上边界设定为自由边界之外，模型的x、y方向均有法向约束约束位移.围岩采用M-C本构模型.根据工程资料显示，具体物理力学参数如表1所示.

图1 计算模型

表1 模型的物理力学指标

1.3 合理位置设计及开挖过程模拟

新建隧道合理位置设计内容主要包括新旧隧道垂直净距，本文旨在探讨两隧道垂直净距(5 m，10 m，15 m，20 m)对既有隧道结构变形和地表沉降变化的影响.

公路隧道采用上下台阶法施工，模型开挖选取4 m一开挖步.考虑到目前既有隧道已建成，隧道周围土体在公路隧道施工前沉降已经稳定.计算公路隧道施工对既有隧道所产生的影响时，需要先将既有隧道施工所引起土体的位移清零.

1958年，Martos利用大量隧道开挖引起的竖向地表沉降槽的实测观察结果，首次提出隧道开挖引起的隧道横向地表沉降槽形状应符合高斯分布[9],见图2.

图2 地表横向沉降槽

同年，Peck教授在统计大量隧道开挖引起地表沉降实测资料的基础上，提出了地层损失的概念及估算隧道开挖引起地表沉降的经验方法，即Peck公式[10].

﹙1﹚

i=Kz0

﹙2﹚

式中：x距离隧道轴线为x处的地表沉降值；
A为开挖面积；
Vl为地层损失率；
i为从隧道轴线到高斯沉降曲线反弯点的水平距离，称为地表沉降槽宽度系数，一般情况，地表沉降槽宽度约5i;K是地表沉降槽宽度系数;Z0是地表至隧道中心深度.

1993年,R.J.Mair等[11]通过对硬黏土和软黏土中工程实测资料进行分析,发现地表以下的沉降槽曲线同样能用Peck公式预测，并发现地表沉降槽宽度系数K随深度z的增加而减小,即

﹙3﹚

式中:K(z/z0)即为地层深度z处的沉降槽宽度系数;a为考虑地层特性的参数.

3.1 沉降分析

本隧道作为下穿隧道，采用台阶法开挖，不同净距下分别对下部隧道沉降进行数值模拟，开挖后的沉降位移云图如图3所示.

图3 不同净距下的沉降位移云图

由图3所示位移云图可得：5 m、10 m、15 m和20 m四种工况下最大沉降位移值分别是86.81 mm、81.01 mm、96.29 mm和109.38 mm.由位移云图颜色的变化程度，显示出隧道拱顶和仰拱均发生不同程度的变形，应及时做好初衬，通过有效控制衬砌参数以限制拱顶沉降和仰拱隆起，同样也减小周边围岩变形程度，对上部隧道能够有效的控制沉降变形[12].

3.2 水平沉降分析

为分析新建下部隧道开挖引起的地层扰动对上部既有隧道的水平位移影响，提取既有隧道不同特征点处的水平变形值，见表2.

表2 既有隧道水平收敛值

从表2中可知：既有隧道的拱腰和拱脚的水平变形随着垂直净距的增加而减小.净距为5 m时，拱脚比拱腰的水平变形大，新建公路隧道施工过程中，拱脚比拱腰距离掌子面近.当垂直净距的增加，新建公路隧道在施工过程中对上部隧道影响小，既有隧道的拱腰和拱脚的水平方向变形均减少.新建公路隧道埋深的增加，围岩的强度提高，新建隧道在施工中产生的扰动力，会被围岩自身抵消大部分，减小既有隧道在水平方向变形.

3.3 不同垂直净距的影响

为分析隧道垂直净距对既有隧道的影响，分别取隧道垂直净距为5 m、10 m、15 m和20 m时，进行计算.图4为不同垂直净距下地表沉降曲线，图5和图6分别既有隧道拱顶和仰拱的位移曲线.

图4 不同垂直净距下的地表沉降

图5 不同垂直净距下既有隧道拱顶沉降曲线 图6 不同垂直净距下既有隧道仰拱隆起曲线

由图4可得：不同垂直净距的沉降曲线均呈现出先增大后减小的变化规律，在两隧道交叉段，地表沉降明显增大.垂直净距为5 m，地表沉降量最大为7.86 mm；
随着净距的不断增大，垂直净距为10 m，地表沉降达到最小值，为5.80 mm，由此可以看出，当隧道埋深较浅时，围岩的自承能力可以得到充分发挥.当垂直净距超过10 m，地表沉降速率突增，垂直净距为20 m，地表沉降值最大，后者较前者沉降量增大了16.33 mm.随着隧道埋深的增加，围岩的自重应力和自承能力也逐渐增大，围岩自承能力增加速度低于围岩自重应力增加速度，即垂直净距超过10 m，地表沉降会随着隧道埋深的增加而增大.

从图5和图6可得：既有隧道拱顶和仰拱位移曲线均先减小后增大，垂直净距为5 m，既有隧道拱顶和仰拱最大变形分别为8.82 mm、9.72 mm，垂直净距的增加，既有隧道拱顶和仰拱沉降变形减小.垂直净距为10 m，既有隧道拱顶和仰拱最大位移为5.74 mm、5.79 mm，此时位移值最小.垂直净距超过10m，既有隧道拱顶和仰拱变形快速增大，其位移值大于5 m、10 m的最大位移值，15 m和20 m的变形速率大于5 m和10 m的变形速率，新建公路隧道为浅埋隧道，既有隧道周围围岩的承载能力高，可减缓既有隧道拱顶和仰拱变形.新建隧道埋深超过2D(D为新建隧道跨度)时，既有隧道周围围岩的承载能力小于围岩本身的自重应力，既有隧道拱顶和仰拱的变形增大.在选定新建公路隧道的位置时，可适当增加隧道垂直净距，减小新建公路隧道施工过程中引起的地表和既有隧道变形.当新建公路隧道埋深为2D～3D之间，平衡拱[13]发展至上部隧道，拱效应不能充分发挥自稳作用，导致既有隧道的拱顶和仰拱位移值变大，相应的隧道施工及运营成本就越大.故综合考虑各方面因素建议隧道垂直净距应在10 m左右.

3.4 应力分析

新建公路隧道施工过程中对既有隧道衬砌内力有较大影响.不同净距下既有隧道衬砌最大应力变化情况，见表3.

表3 既有隧道衬砌最大应力变化情况

从表3中可知：隧道垂直净距为5 m，既有隧道衬砌的第一主应力为1.84 MPa，第三主应力为-6.16 MPa(主应力为拉正压负)，随着垂直净距不断增大，最大应力逐渐增大，垂直净距为15 m，既有隧道衬砌应力最大，当垂直净距超过15 m，既有隧道衬砌应力减小.随着新建公路隧道埋深增加，隧道围岩应力增强，会减小对既有隧道衬砌影响，相比垂直净距在10 m内，既有隧道衬砌变形程度较大.为减小新建公路隧道下穿施工对既有隧道的影响，隧道垂直净距在10 m左右为合理净距.

通过分析不同隧道垂直净距下既有隧道的变形和受力情况，得出以下结论：

(1)不同隧道垂直净距下，新建隧道在施工过程中对既有隧道的扰动和地表沉降规律不同.随着隧道垂直净距的增加，既有隧道变形和地表沉降均为先减后增，为有效控制地表和既有隧道的沉降变形，同时考虑到施工及成本问题，隧道垂直净距宜控制在10 m左右，新建公路隧道施工中对既有隧道水平方向变形影响较小.

(2)新建公路隧道施工过程中，既有隧道衬砌结构会产生应力重分布.不同垂直净距影响下，既有隧道衬砌结构应力变大，既有隧道内部衬砌发生不均匀变形，且仰拱变形略大于拱顶变形，产生了较大的相对位移变形，将会影响既有隧道的安全性.

(3)新建公路隧道正交下穿施工对地表及既有隧道均产生一定程度的影响，为保证既有隧道结构的安全性，同时减少地表沉降，可以采用注浆加固隧道周围土体等施工措施.

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