新建隧道对接既有人防的结构稳定性

刘磊，吕勇刚，秦勇

（1.中国交通建设股份有限公司，北京 100088；2.中交公路规划设计院有限公司，北京 100088）

0 引言

由于历史原因，国内很多城市地下存在着大量废弃的人防隧道，随着城市地下空间的开发和利用，如何在既有人防群的复杂条件下合理开发地下空间，修建地下交通工程成为急待解决的问题。目前开发利用既有人防隧道的主要形式为对既有人防扩挖改造，如已建的哈尔滨地铁一号线及重庆地铁一号线[1-3]。随着地下工程的发展，一种新的利用既有人防的形式，即通过与既有人防横向交叉或端头凿洞等方式对接，实现利用既有人防的目的。

在交叉或分岔隧道方面，已有部分学者开展了研究，如张建强[4]以重庆轨道交通三号线红旗河沟站B、D交叉段为背景，进行了数值模拟分析，研究了交叉口结构受力特点，并提出了交叉口衬砌结构优化加固方法；靳晓光等[5]通过三维有限元数值模拟，分析了隧道横通道施工过程中主隧道结构及围岩的受力特点；梁桥欣[6]利用有限元差分数值模拟方法对斜井与主隧道构成的交叉连接段进行了模拟计算，分析了交叉段围岩及结构受力特点；许东[7]以棋盘关斜井隧道为背景，对复杂交叉隧道施工进行了有限元数值模拟研究，得出了交叉口最合理的初支支护参数及合理的施工方案。张强勇等[8]对大型分岔隧道进行了模型试验研究，分析了分岔隧道围岩受力特点。以上针对交叉隧道或分岔隧道的研究皆为同期设计、施工的近接工程，而对接既有人防的新建隧道工程有其自身特点：

1） 既有人防工程的设计理念与施工工艺陈旧，设计并未考虑隧道后期交叉工况；

2）既有人防工程修建年代久远，结构的安全储备未知；

3）既有人防工程结构断面形式大部分为马蹄形，受力较不利。

因此，新建隧道对接既有人防施工时，对既有人防工程的结构稳定性带来较高的风险，有必要对此开展专门研究。以下结合某新建隧道对接既有人防工程分别考虑不同的对接方式和对接部位，针对既有人防的力学特性进行研究。

1 计算条件

1.1 计算工况

在重复利用既有人防隧道的过程中，对接到既有人防的方式主要有两种：1）直接从既有人防的端头接入；2）从既有人防的边墙接入。如图1。

图1 对接部位示意Fig.1 Sketch of docking stations

1.2 计算参数

1）地下洞室断面参数

通过大型有限元软件ANSYS进行三维分析，新建隧道和既有人防均采用“马蹄形”断面，新建隧道断面取8.7 m（宽）×6.9m（高），既有人防断面取16m（宽）×6.9m（高）。既有人防采用传统矿山法施工，衬砌混凝土强度等级取C20，厚0.5m；新建隧道按新奥法复合式衬砌进行设计，初期支护采用C30喷射混凝土及钢筋网，厚度0.3 m，二衬作为安全储备，在计算建模中不予考虑。

2）围岩及结构材料参数

模型岩土采用黏弹性模型，服从D-P屈服准则，围岩由地表向下依次为4m厚杂填土，砂岩层；人防衬砌及新建隧道初期支护采用弹性模型。材料参数见表1。

表1 模型材料计算参数Table1 Calculation parametersofmodelmaterial

3）模型及边界参数

围岩使用实体单元（Solid45）模拟，既有人防的支护和区间隧道的衬砌采用壳单元（Shell63）模拟。模型四周边界水平约束，底部边界全约束，上部边界为自由面。

2 端头对接时既有人防力学特性

2.1 计算模型

计算模型大小为100m×40m×80 m，区段隧道取40m，既有人防洞室取40m，洞室埋深为9m。计算模型见图2。

图2 数值模型Fig.2 Simulationmodel

2.2 计算步骤

考虑到对围岩应力的多次扰动，具体计算过程为：

1）围岩自重场的计算；

2）既有人防修建后围岩应力场的计算；

3）假定新建隧道向既有人防方向采用台阶法开挖，进行隧道开挖的模拟，开挖进尺为2m。

2.3 计算结果及分析

图3为新建隧道开挖过程中既有人防靠近端头附近的拱顶沉降曲线。由图3可见，人防衬砌位移变化主要发生在隧道断面开挖贯通后，当采用台阶法开挖时，在上、下台阶分别贯通时，人防结构受力变化相对较大。

图3 既有人防端头附近拱顶沉降时程曲线Fig.3 Vault settlementofair defense near the end wall

新建隧道开挖过程中，对接面附近的既有人防隧道均有不同程度的变形，统计对接面附近既有人防拱顶沉降（取间距2 m）的最大值并进行对比，由图4可见，沿既有人防纵线，距离对接面越远，既有人防受影响程度越小，且受影响程度的变化率也越来越小，经计算，在距离对接面6 m范围内，变化率依次为：35.77%，18.57%，7.02%。可见，要控制既有人防的变形，主要需控制既有人防端墙的变形。

图4 沿既有人防纵向的拱顶沉降Fig.4 Vault settlementofair defense through longitudinal extension

对隧道开挖过程中既有人防衬砌的受力和位移进行分析（见图5，图6），可见：

1）从整体看，隧道开挖过程中，既有人防隧道横断面上受力呈现拱顶和边墙中部受拉，其他部位主要受压的特点；

2）在隧道开挖过程中，与隧道交接的既有人防端墙有局部应力集中现象，在施工过程中应对与隧道交接的既有人防端墙采取必要的加固措施；

3）隧道开挖导致人防隧道拱顶发生轻微的沉降，仰拱底发生轻微底鼓。

图5 既有人防衬砌第一主应力Fig.5 Lining stressof theexisting air defense

图6 既有人防衬砌总竖向位移Fig.6 Lining displacementof the existing air defense

3 边墙对接时既有人防力学特性

3.1 计算模型

计算模型大小为60 m×40 m×60 m，区段隧道取30m，既有人防洞室取60m，洞室埋深为9m。计算模型见图7。

图7 数值模型Fig.7 Simulationmodel

3.2 计算步骤

考虑到对围岩应力的多次扰动，具体计算过程为：

1）围岩自重场的计算；

2）既有人防修建后围岩应力场的计算；

3）假定新建隧道由既有人防开始采用CRD法开挖，开挖进尺取2m。

3.3 计算结果及分析

图8为新建隧道开挖过程中既有人防靠近交接点附近的拱顶沉降曲线。由图8可见：1）隧道开挖对既有人防的影响主要发生在隧道掌子面距离对接部位1倍的洞宽内；2）人防拱顶受力变化在隧道左上台阶开始开挖和右上台阶开始开挖时变化最大。

图8 既有人防拱顶沉降结果Fig.8 Vault settlementof the existing air defense

新建隧道开挖过程中，对接面附近的既有人防隧道均有不同程度的变形，统计新建隧道中心线一侧的既有人防拱顶沉降（取间距4 m）的最大值并进行对比，由图9可见，沿既有人防纵线，距离新建隧道中心线越远，既有人防受影响程度越小，且受影响程度的变化率也越来越小。

经计算，在距离对接面16 m范围内，变化率依次为：36.57%，18.82%，13.40%，12.13%。从既有人防变形情况可见，新建隧道开挖对既有人防的影响范围为从新建隧道中心线向两侧辐射8m范围。

图9 沿既有人防纵向的拱顶沉降Fig.9 Vaultsettlementof the existing air defense through longitudinalextension

对隧道开挖过程中既有人防衬砌的受力和位移进行分析（见图10，图11），可见：1）从人防衬砌位移结果看，隧道开挖对既有人防的影响范围为从对接部位向两侧辐射8 m，但从应力结果看，隧道开挖对既有人防影响程度较大的范围为从对接部位向两侧辐射5 m；2）在隧道与既有人防交接处有应力集中现象；3）隧道开挖导致交接处人防隧道拱顶发生轻微沉降，仰拱底发生轻微底鼓。

图10 人防衬砌第一主应力Fig.10 Lining stressof the air defense

图11 人防衬砌总竖向位移结果Fig.11 Lining displacementof the air defense

4 结语

在考虑不同对接部位的情况下，通过对隧道施工过程中既有人防结构稳定性分析，得出以下结论：

1）当新建隧道从端头对接既有人防，且向既有人防方向开挖时，隧道开挖对既有人防隧道的影响主要发生在隧道掌子面开挖贯通时及之后；当新建隧道从边墙对接既有人防，且从既有人防开始开挖时，隧道开挖对既有人防隧道的影响主要发生在隧道掌子面距离对接点在1倍隧道洞宽范围内。

2）当新建隧道从端头对接既有人防时，隧道开挖对既有人防的影响程度较大的范围为与隧道对接部位的既有人防端墙；当新建隧道从边墙对接既有人防时，隧道开挖对既有人防的影响程度较大的范围为从隧道与既有人防对接处向两侧辐射5m范围。

3）沿既有人防纵线，距离对接中心越远，既有人防受影响程度越小，且受影响程度的变化率也越小。

4）在新建隧道与既有人防对接部位均会出现较明显的应力集中现象，在隧道施工过程中，应采取必要的结构加固措施。

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