新建隧道施工引起下卧既有隧道结构位移变化规律研究

张 琳,邱 琼,薛子斌,杨馨茹,4,于广明

(1.青岛理工大学 青岛市 266520； 2.中建隧道建设有限公司 重庆市 401320；3.中建五局土木工程有限公司 长沙市 410000； 4.中天设计集团有限公司长春分公司 长春市 130012)

0 引言

地铁隧道修建会受到既有地铁隧道空间布局与线路布置的限制，新建隧道穿越既有隧道，影响既有隧道结构安全。针对新建隧道穿越既有隧道结构问题，刘亮等[1]运用Midas GTS有限元软件进行数值模拟，分析新建隧道上穿施工对既有隧道变形的影响，得出既有隧道结构上浮值随新旧隧道间净距的减小而增大；许有俊等[2]运用FLAC3D软件建立数值模型，分析了新建地铁车站上穿引起的既有隧道上浮变形规律；高利宏[3]通过实测数据及数值模型计算，对双线盾构隧道下穿引起的既有隧道结构沉降变形进行研究，分别对新建左、右线依次穿越过程中引起的既有双线隧道沉降变形规律进行分析；王超东等[4]通过室内模型试验研究了新建盾构隧道不同交角上穿施工对既有隧道的影响，得出交角从0°～90°变化时，既有隧道整体主要受纵向变形协调性的影响；此外，针对新建隧道穿越施工对既有隧道结构的影响问题，众多学者[5-7]采用数值模拟、模型实验、现场监测等方法对既有隧道结构的位移及内力变化进行研究。

运用Midas GTS软件建立三维数值模型，探究新建隧道正交上穿施工引起的既有隧道结构上浮变形规律，并找到既有隧道受影响最大位置采取防护措施，保证施工安全。

1 工程实例概况

本工程新建隧道上穿既有隧道区间段岩土类型从上至下依次为杂填土、粉质黏土和中细砂。该新建隧道为双线隧道，采用盾构机掘进施工，隧道断面为单心圆断面，左右线净距为12.0m，内径5.2m，外径5.9m，拱顶埋深为13.5m，既有隧道为单线隧道，内径5.9m，外径6.6m，拱顶埋深为25m，两隧道均采用钢筋混凝土衬砌，管片厚度0.35m，环宽1.5m，且新建隧道正交于既有隧道。

2 新建隧道施工对既有隧道结构上浮影响分析

整个新建隧道施工的过程，对既有隧道结构相当于卸荷后再加载的过程。在新建隧道开挖前，既有隧道处于平衡状态且结构变形已经稳定，而新建隧道开挖会对隧道周围岩土层产生扰动作用，使围岩中既有隧道的平衡状态被打破，产生附加力并引起变形。由于新建隧道位于既有隧道上方，新建隧道开挖后，既有隧道结构上层土体荷载转移，形成开挖卸荷区，产生向上的附加荷载力，使既有隧道结构产生上浮现象，见图1；同时，新建隧道开挖时间与开挖长度影响既有隧道变形，隧道开挖时间越长、开挖长度越大，既有隧道产生的竖向隆起变形越大。

图1中L表示两隧道间距；D表示隧道直径。

新建隧道施工前，既有隧道水平方向(侧向)土压力与竖直方向土压力间的关系如式(1)[8]所示：

Fx=K0Fy

(1)

式中：Fx为侧向土压力；Fy为竖向土压力；K0为土的侧压力系数。

3 新建隧道上穿施工引起既有隧道上浮的数值模拟

3.1 三维数值模型的建立

针对新建隧道上穿施工引起既有隧道上浮问题，采用Midas GTS NX软件进行数值模拟分析，并假定地层为半无限空间体；岩土体为均质、各向同性的连续介质，地表不存在高程变化；只考虑自重应力场。故基于假定建立模型时，岩土体采用莫尔-库伦弹塑性本构，管片采用实体弹性本构，模型尺寸为50m×60m×40m，隧道位置三维模型如图2。同时，为保证计算结果收敛，在模型底面施加固定端约束，四周施加法向约束，上表面为自由面。

图2 隧道位置三维模型图

3.2 物理力学参数选取

新建隧道和既有隧道主体分别位于粉质黏土和中细砂中，模型土体及管片的物理力学参数如表1所示。

表1 土体及管片的物理力学参数表

3.3 工况界定

新建隧道左线为先行隧道，右线为后行隧道，盾构机以管片宽度1.5m为一个进尺掘进，为简化计算步骤，以左线隧道掘进为例界定具体工况。工况1：初始地应力计算，并位移清零，模拟地层的初始应力场；工况2：钝化既有隧道土体，激活相应支护结构，并位移清零，模拟既有隧道的应力分布；工况3～工况6：定义隧道一次开挖6m，钝化开挖区土体，激活支护结构；工况7～工况10：定义隧道一次开挖3m，钝化开挖区土体，激活支护结构；工况11～工况14的施工步骤同工况3～工况6。

新建隧道右线施工工况15～工况26同左线隧道工况界定相同。

4 数值模拟计算结果分析

新建隧道与既有隧道正交重叠部分为两隧道正交区域，由于新建隧道上穿施工对既有隧道存在时空效应，故将新建隧道施工分为盾构机机头未到达正交区域、盾构机穿越正交区域、盾构机盾尾穿过正交区域三个阶段，并分析既有隧道结构的位移变化规律。

4.1 既有隧道结构竖向变形分析

图3为新建隧道左线施工既有隧道拱顶竖向位移变化曲线图，由图3(a)可知，左线隧道开挖至6m时(工况3)，既有隧道拱顶沉降，但由于土体开挖量小，卸载率低，产生的沉降较小；当盾构机机头距离正交区域6m时(工况5)，拱顶开始由沉降变为隆起，但隆起量较小；当左线隧道开挖至正交区域交界面时，隆起量突然变大，且在盾构机穿越正交区域时(工况8、工况9)，隆起量逐步增大；随着隧道施工的继续进行，既有隧道拱顶隆起量增大，并达到5.89mm，这是由于隧道开挖卸载和盾尾远离的二次卸载使既有隧道回弹变形造成的。由图3(b)可知，右线隧道开挖，既有隧道拱顶隆起曲线为“双峰”形态，随右线隧道施工的进行，既有隧道拱顶隆起不断增加，在与新建隧道正交位置产生的隆起值最大，为7.68mm。

图3 既有隧道拱顶竖向位移曲线图

4.2 既有隧道结构纵向变形分析

新建隧道施工引起的既有隧道拱顶纵向变形曲线如图4所示。

图4 既有隧道拱顶纵向位移曲线图

(1)左线开挖引起的既有隧道拱顶纵向变形

由图4(a)可知，盾构机未到达正交区域时(工况3、工况5)，既有隧道拱顶几乎不产生纵向变形；当盾构机穿越正交区域与盾尾驶出正交区域时，两阶段各工况既有隧道拱顶纵向位移变化规律相同，均在盾构机未到达正交区域施工时，拱顶纵向位移沿X轴负方向变形，且最大变形在与新建左线隧道正交位置，为0.07mm；在两隧道穿越正交区域与盾尾驶出正交区域时，拱顶纵向位移在左线隧道与既有隧道交界面位置迅速增大，沿X轴正向变形，并在既有隧道长度方向中间位置达到最大，为0.54mm。通过分析不同工况拱顶纵向位移曲线：既有隧道拱顶纵向位移随开挖深度的增加而增大，且纵向位移峰值均在既有隧道中间位置，说明该位置受新建隧道施工影响最大，应采取防护措施。

(2)右线开挖引起的既有隧道拱顶纵向变形

由图4(b)可以看出，新建隧道右线施工，各工况引起的拱顶纵向位移曲线变化形式相同。在盾构机未到达正交区域时，拱顶纵向位移峰值在既有隧道中间位置，但随着盾构机穿越与盾尾驶出正交区域两个阶段施工的进行，既有隧道拱顶纵向位移峰值有所降低，并出现在与右线隧道相交位置，说明随新建隧道施工的进行，既有隧道的纵向位移影响区域变大。

4.3 既有隧道结构的横向变形分析

既有隧道结构的横向变形是指沿既有隧道横断面方向的变形，选取拱腰为特征点，拱腰横向变形曲线如图5所示。由图5可知，新建隧道工况2～工况6施工，既有隧道结构位移峰值呈线性增加，且位移增量较大；当左线隧道穿过既有隧道至左线隧道施工完成，既有隧道的横向变形峰值缓慢减小并趋于平稳；而右线隧道开挖的继续进行，使既有隧道结构位移峰值增加，在工况26下达到最大值5.2mm。

图5 既有隧道结构横向变形曲线图

5 结论

采用定性分析和数值模拟方法分析新建隧道上穿施工引起既有隧道结构上浮问题，得出以下结论：

(1)新建隧道上跨既有隧道施工，既有隧道结构竖向变形以隆起为主，新建隧道与既有隧道相交断面位置处的隆起变形量最大；既有隧道结构的纵向变形主要发生在拱顶位置，表现为沿隧道长度方向拉伸变形，并随开挖深度的增加而增大，甚至可能被拉坏；横断面变形表现为“横向压缩、竖向拉伸”，隧道结构整体上浮。

(2)新建隧道正交上穿既有隧道结构，既有隧道中间位置拱顶处受影响最大，应加强该位置的防护与监测。