新建隧道施工对既有运营隧道的力学影响分析

叶建龙，宋 洋，丁海洋

（1.浙江省交通规划设计研究院，浙江杭州310058；2.西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，四川成都610031）

新建隧道施工对既有运营隧道的力学影响分析

叶建龙*1，宋 洋2，丁海洋1

（1.浙江省交通规划设计研究院，浙江杭州310058；2.西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，四川成都610031）

以杭金衢高速公路新岭隧道为工程背景，通过对新建隧道对既有运营隧道在静力开挖条件下的受力和变形分析可知，随着新建隧道与既有隧道之间的净距增大，新建隧道开挖对既有隧道的影响逐渐减小，当净距超过20m时，新建隧道的开挖引起衬砌位移、受力变化相对较小，既有隧道结构处于安全状态。据此判别杭金衢高速公路新岭隧道净距设计是科学合理的。

新建隧道；既有隧道；净距；影响

1 概述

在现代公路、铁路工程的隧道建设中，分离式隧道因力学机理简单明确、施工技术十分成熟得到了广泛的应用。公路隧道设计规范(JTG-D70-2004)中规定了分离式隧道的最小净距，一般情况可按表1确定[1]。

表1 分离式独立双洞间的最小间距

然而，随着人类对地下空间的不断利用,在某些地区,由于复线工程的建设或受既有建(构)筑物、地质条件的限制及地下空间综合开发利用的需要,使得新建隧道近接既有隧道的现象越来越多[2-4]。

目前为止，针对两平行隧道合理间距的相关理论与设计施工中关键技术问题的研究成果并不统一[5]，理论支撑和研究成果的运用较为滞后，导致设计理论滞后于工程实践的被动局面，突显了针对小净距隧道合理净距进行研究的重要性和紧迫性。由于小净距隧道合理净距受到众多因素的影响，采用解析方法分析是十分困难的，采用数值计算方法则可以较有针对性地解决上述问题[6-7]。基于此，本文通过数值仿真手段，研究不同围岩、不同净距情况下，新建隧道对既有隧道衬砌位移和内力的影响规律，以期为合理净距的确定提供参考。

2 工程背景

杭金衢高速公路是沪昆高速浙江境内的重要路段，新岭隧道路段拓宽工程为整个杭金衢高速公路拓宽工程的一部分，也是目前交通拥堵最为严重的一段。

既有新岭隧道采用双向四车道的标准设计，左洞长1413m，右洞长1432.5m，单洞行车道宽度2×3.75m，单个隧道宽度10.75m，净高5.0m，隧道轴线走向160°，最大埋深156m，设计行车速度120km/h。

新建隧道宽度17.58m，净高7.2m。隧道左侧进洞口距离原左侧隧道最近距离27.29m，出洞口距离原左侧隧道最近距离35.62m；新建隧道右侧进洞口距离原右侧隧道最近距离23.08m，新建隧道右侧出洞口距离原右侧隧道最近距离28.16m，新建隧道洞身段距既有隧道41m。

隧道工程穿过大平岗—马楼岭山脉，地形起伏较大，丘陵区顶部高程约273.3m，植被茂盛。隧道围岩以寒武系炭质页岩、泥质灰岩、震旦系粉砂岩地层为主，岩体理节裂隙发育，较破碎，质较坚硬—坚硬。

由于新建隧道与既有隧道净距变化且既有隧道运营时间较长，结构强度有所减弱，为了确保既有隧道的安全运营，有必要研究新建隧道开挖对既有隧道衬砌的影响特征，以确定新建隧道与既有隧道的合理净距等关键性指标。

3 有限元计算

3.1 计算方案

本次计算采用大型通用有限元程序ANSYS进行，围岩采用实体单元（plane42）模拟，二次衬砌采用梁单元（beam3）模拟。计算模型中隧道埋深35m，模型左边界距既有隧道中线40m，右边界距新建隧道中线40m，下边界距隧道底部32m。模型上部为碎石粉质粘土，厚度为10m，中间部分为强风化粉砂岩，厚度为15m，下部为中风化粉砂岩，厚度为55m。模型位移边界条件为上边界为自由边界，其余边界为人工边界；模型力边界条件为自重应力。计算模型简图如图1所示。

图1 计算模型示意图

计算中材料参数的选取是在重点参考新岭既有运营隧道及新建隧道地勘资料的基础上，结合《公路隧道设计规范》综合选取（表2），需要说明的是,围岩加固区根据《公路隧道设计规范》对部分围岩参数进行了适当提高。

表2 计算中材料参数的选取

在计算过程中，采用多点重启动和生死单元依次对地应力场形成、既有隧道开挖、新隧道开挖进行模拟，有限元模型节点位移的计算则采用完全的牛顿—拉普森解法。

3.2 测点布置

为了研究不同围岩、不同净距情况下，新建隧道对既有隧道衬砌位移和内力的影响，采用3种净距（10m、20m、30m）和3种围岩等级（Ⅲ级、Ⅳ级、Ⅴ级）向正交的计算方案，共计算9种情况。分别对新隧道开挖过程中既有隧道衬砌的位移和内力进行监控。位移监控8个点，内力监控3个点。测点布置如图2、图3所示。

图2 位移监控测点布置

3.3 围岩级别的影响

当新建隧道与既有隧道净距一定时，在不同的围岩级别条件下，新隧道的开挖对既有隧道衬砌的影响是不同的，这说明在近接问题中，围岩级别是重要影响因素。

在净距为10m的情况下，计算结果包括既有隧道衬砌的水平位移、竖直位移、弯矩变化值和轴力变化值。见图4～图7。

图3 内力监控测点布置

图4 净距10m既有隧道衬砌的水平位移

图5 净距10m既有隧道衬砌的竖直位移

图6 净距10m既有隧道衬砌的弯矩变化

图7 净距10m既有隧道衬砌的轴力变化

图4中显示，在既有隧道右侧的新隧道开挖将导致其向左侧（远离新隧道的方向）位移；位移量随围岩的劣化呈增大趋势，但并非简单的线性关系。例如测点3（右拱腰）在Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级围岩时的水平位移分别为：0.31mm、0.44mm、0.72mm。水平位移还与测点的位置有关，右边测点（离新隧道较近）在每级围岩下的位移都明显大于左边测点（离新隧道较远）位移。例如测点2（右拱肩）在Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级围岩时的水平位移分别为：0.23mm、0.33mm、0.54mm，而测点8（左拱肩）在Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级围岩时的水平位移分别为：0.07mm、0.15mm、0.33mm。

图5中显示，在既有隧道旁的新隧道开挖将导致其向下沉降，且沉降不均匀；沉降量随围岩的劣化呈增大趋势，但并非简单的线性关系。例如测点1（拱顶）在Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级围岩时的沉降分别为：0.24mm、0.52mm、1.06mm。沉降还与测点的位置有关，右边测点（离新隧道较近）在每级围岩下的沉降都明显大于左边测点（离新隧道较远）沉降。例如测点4（右拱脚）在Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级围岩时的水平位移分别为：0.33mm、0.63mm、1.21mm，而测点6（左拱脚）在Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级围岩时的水平位移分别为：0.13mm、0.30mm、0.66mm。

图6中显示，在既有隧道旁的新隧道开挖将导致其二次衬砌弯矩发生变化，发生何种变化则与围岩的等级有关，例如Ⅲ级围岩中，3个测点的弯矩均变小；Ⅳ级围岩中，测点1（拱顶）和测点2（右拱腰）的弯矩变小，而测点3（左拱腰）的弯矩变大；Ⅴ级围岩中，只有测点2（右拱腰）的弯矩变小，而测点1（拱顶）和测点3（左拱腰）的弯矩都变大。并且随着围岩的劣化，弯矩的变化会越来越明显。这是因为，围岩较好（Ⅲ级围岩）的情况下，新隧道开挖引起的应力重分布范围较小，且围岩刚度大，能分担更多荷载，所以既有隧道二次衬砌的弯矩只在离新隧道很近的测点2（右拱腰）有较大变化；反过来围岩较差（Ⅴ级围岩）的情况下，新隧道开挖引起的应力重分布范围较大，且围岩刚度小，只能分担较少荷载，所以既有隧道二次衬砌的弯矩在3个测点都有较大变化。

图7中显示，在既有隧道旁的新隧道开挖将导致其二次衬砌轴力变大。并且随着围岩的劣化，轴力的增大会越来越明显。例如测点1（拱顶）在Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级围岩时的轴力增加值分别为：185kN、223kN、274kN。

在净距为20m、30m的情况下，也有相类似的规律。

3.4 净距的影响

当围岩级别条件一定时，在不同的净距下，新隧道的开挖对既有隧道衬砌的影响是不同的，这说明在近接问题中，净距是重要影响因素。

在Ⅴ级围岩的情况下，计算结果包括既有隧道衬砌的水平位移、竖直位移、弯矩变化值和轴力变化值。见图8～图11。

图8 V级围岩既有隧道衬砌的水平位移

图9 V级围岩既有隧道衬砌的竖直位移

图10 V级围岩既有隧道衬砌的弯矩变化

图11 V级围岩既有隧道衬砌的轴力变化

图8中显示，在既有隧道右侧的新隧道开挖将导致其向左侧（远离新隧道的方向）位移；位移量随净距的增大呈减小趋势，但并非简单的线性关系。例如测点3（右拱腰）在净距为10m、20m、30m时的水平位移分别为：0.72mm、0.42mm、0.23mm。水平位移还与测点的位置有关，右边测点（离新隧道较近）在每种净距下的位移都明显大于左边测点（离新隧道较远）位移。例如测点2（右拱肩）在净距为10m、20m、30m时的水平位移分别为：0.54mm、0.32mm、0.16mm，而测点8（左拱肩）在净距为10m、20m、30m时的水平位移分别为：0.33mm、0.17mm、0.06mm。

图9中显示，在既有隧道旁的新隧道开挖将导致其向下沉降，且沉降不均匀；沉降量随净距的增大呈减小趋势，但并非简单的线性关系。例如测点1（拱顶）在净距为10m、20m、30m时的沉降分别为：1.06mm、0.53mm、0.28mm。沉降还与测点的位置有关，右边测点（离新隧道较近）在每级围岩下的沉降都明显大于左边测点（离新隧道较远）沉降。例如测点4（右拱脚）在净距为10m、20m、30m时的水平位移分别为：1.21mm、0.76mm、0.47mm，而测点6（左拱脚）在净距为10m、20m、30m时的水平位移分别为：0.66mm、0.38mm、0.22mm。

图10中显示，在既有隧道旁的新隧道开挖将导致其二次衬砌弯矩发生变化，发生何种变化则与净距有关，例如净距为20m、30m时，3个测点的弯矩均变小；净距为10m时，测点1（拱顶）和测点3（左拱腰）的弯矩变大，而测点2（右拱腰）的弯矩变小。并且随着净距的增大，弯矩的变化会越来越小。

图11中显示，在既有隧道旁的新隧道开挖将导致其二次衬砌轴力变大。随着净距的增大，轴力的变化也会越来越小。例如测点1（拱顶）在净距为10m、20m、30m时的轴力增加值分别为：274kN、145kN、77kN。

在Ⅲ、Ⅳ级围岩的情况下，也有相类似的规律。

4 结论 通过以上的分析，可以得出如下结论：

在隧道近接问题中，围岩等级和净距是重要因素；围岩越差，新建隧道对既有隧道的影响越大；净距越小，新建隧道对既有隧道的影响越大。综合不同围岩级别、不同净距条件下新建隧道开挖对既有隧道的影响可以看出，当净距超过20m时，新建隧道的开挖引起衬砌位移、受力变化相对较小，既有隧道结构处于安全状态。据此判别杭金衢高速公路新岭隧道净距设计是科学合理的。

[1]潘昌实.隧道力学数值方法[M].北京：中国铁道出版社，1995.

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U45

A

1004-5716(2015)11-0165-05

2014-11-04

2014-11-06

浙江省交通厅科技项目（2012H10）。

叶建龙（1974-），男（汉族），浙江乐清人，教授级高级工程师，现从事公路工程方面的设计、管理及研究工作。