新建隧道斜交下穿引起既有隧道变形计算研究

冀文有 曹树森 戴亚皎

(中车建设工程有限公司，重庆 400000)



新建隧道斜交下穿引起既有隧道变形计算研究

冀文有 曹树森 戴亚皎

(中车建设工程有限公司，重庆 400000)

基于Peck理论，假定隧道变形随着地层变形而发展，考虑隧道相互交叉角度的影响，将既有隧道视为连续弹性地基梁，提出了新建地铁隧道斜交下穿既有隧道引起既有隧道纵向变形的一种计算方法，并以重庆市轨道交通四号线一期工程为例，结合实际监测数据证明了该方法的适用性。

隧道，斜交下穿，Peck理论，纵向变形

0 引言

城市建设发展突飞猛进，城市规模不断扩大，城市人口日益增加，路面车辆拥堵，交通繁重。在这种情况下，合理开发利用地下空间成为一条有效的解决途径，越来越多的城市开始修建地铁隧道。为形成一个方便高效的地铁网络，地铁隧道之间相互交叉在所难免，研究新建隧道近距离斜交下穿既有隧道引起既有隧道的纵向变形规律成为一个必要的课题。

1 新建隧道斜交下穿既有隧道引起的纵向变形计算方法

墨西哥学者Peck[1]通过大量实测数据分析提出了地层损失理论，推测得到了地下隧道开挖引起的地表沉降估算公式：

(1)

式中：S——横断面上与隧道轴线距离x处地面点的沉降；

Smax——隧道轴线处地面沉降，即最大沉降量；

V——地层损失量；

i——沉降槽宽度系数，取沉降槽曲线反弯点至原点的距离[2]，一般可表示为：

(2)

式中：z0——地表至隧道中心距离；

D——隧道直径。

魏纲[3]通过分析多个工程实测数据，考虑隧道埋深和地质的影响，得到了地表以下土层沉降槽宽度系数随深度的变化规律：

(3)

式中：i(0)——地表的沉降槽宽度系数；

z0——隧道中心至地表的距离；

n——影响系数，由隧道埋深z0和地质条件决定，一般为0.3～0.85。

假定隧道的变形随着地层的变形而发展，通过研究新建隧道开挖引起既有隧道所处土层的沉降规律来推测既有隧道的纵向变形，将既有隧道视为连续弹性地基梁[4]，其基本微分方程表示为:

(4)

式中：(EI)eq——既有隧道等效抗弯刚度；

St，S——隧道和隧道轴心对应深度处地层的变形；

K——地层基床系数。

考虑到隧道变形随着土层变形而发展，隧道和土层变形可表示为：

(5)

(6)

将式(5)，式(6)代入式(4)得到：

(7)

将等式右边泰勒展开，取前三项，左右系数对应后解得：

(8)

(9)

以上得到了新建隧道与既有隧道正交时既有隧道的纵向变形规律，考虑到两隧道交叉角度θ的影响，既有隧道x处离新建隧道轴线的实际水平距离为xcosθ，其纵向变形为：

(10)

式(9)中地层沉降为远离既有隧道处的同深度地层沉降，应与式(1)计算得到的该深度地层沉降相等，得到：

(11)

从而得到既有隧道的纵向变形计算公式：

(12)

2 实例验证

重庆轨道交通四号线一期工程全长15.754 km，其中民安大道—火车北站区间隧道以竖向4.6 m净距斜向下穿渝怀铁路隧道，平面布置图如图1所示。新建隧道的施工难度大，技术复杂，同时还会引起渝怀铁路隧道的纵向变形，影响其安全运营，因此对渝怀铁路隧道的纵向变形进行推测尤为重要。

上行隧道埋深31 m，直径9.2 m，与新建隧道间距4.6 m，下行隧道埋深28 m，直径9.2 m，与新建隧道间距7 m，新建隧道直径7.2 m，两隧道交叉角度为138°，取Stmax为实际监测数据中的最大值，由于隧道埋深较深，对于沉降槽宽度系数中的影响n取较大值，本算例取0.7，按式(2)～式(12)计算得到的隧道纵向变形曲线同监测数据如图2所示。

根据TB 10003—2005铁路隧道设计规范[5]中轨道10 m范围内的差异沉降允许值，见表1。

表1 轨道静动态几何尺寸容许偏差管理值

本工程中既有隧道的安全性满足要求。另可见理论计算结果同现场监测数据吻合较好，相同范围内的差异沉降要大于监测数据，差异沉降越大，隧道内力越大，用来验算隧道的安全性是比较保守的，说明了该方法的可行性。

对于纵向变形较小的区域，其影响可以忽略，从图2中可以获得新建隧道斜交下穿对既有隧道的影响范围，本算例为隧道轴线两侧各40 m。

3 结语

1)通过理论分析，得出了新建隧道斜交下穿既有隧道引起的既有隧道纵向变形计算公式，符合高斯分布规律，同实际监测数据比较后，发现该方法适用可行。

2)沉降槽宽度系数的计算尤为重要，其中关键是影响系数n值的选取，埋深越大、地质条件越好，n值的取值越大。

3)本文的计算方法可以确定新建隧道对既有隧道的主要影响范围，在影响范围内隧道的施工过程中，应加强监控量测，设计超前支护，严格控制开挖进尺，每循环不超过0.5 m，并采用工字钢架、系统锚杆、网片、早强喷射混凝土进行支护。

[1] Peck R B. Deep excavations and tunneling in soft ground. Proceedings of the 7th International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering[Z].

[2] Loganathan N,Poulos H G,Analytical prediction for tunneling-induced ground movements in clays[J].Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering,1998(9):846-856.

[3] 魏 纲.盾构隧道深层土体沉降槽宽度系数计算方法研究[J].公路交通科技，2010，27(4)：45-46.

[4] 白海卫.新建隧道下穿施工对既有隧道纵向变形的影响和工程措施研究[D].北京：北京交通大学硕士学位论文，2007.

[5] TB 10003—2005，铁路隧道设计规范[S].

[6] 戴宏伟.地面新施工荷载对临近地铁隧道纵向变形的影响分析研究[J].岩土工程，2006，21(4)：46-50.

Study on calculation of existing tunnel longitudinal deformation caused by obliquely undercrossing tunnel construction

Ji Wenyou Cao Shusen Dai Yajiao

(CRRCConstructionEngi.Co.,Ltd,Chongqing400000,China)

Based on the theory of Peck, this paper assumed that the tunnel deformation develops along with the deformation of the strata. The impact of tunnel intersection angle has been considered and the existing tunnel is regarded as continuous elastic foundation ground beam. The calculation of existing tunnel longitudinal deformation caused by obliquely undercrossing tunnel construction is firstly presented by this paper. Taking Chongqing metro line four as the engineering background, according to the actual monitoring data the applicability of the method has been proved.

tunnel， obliquely undercrossing， theory of Peck, longitudinal deformation

1009-6825(2016)10-0147-02

2016-01-22

冀文有(1966- )，男，高级工程师

U455

A