新建隧道下穿对既有隧道稳定性影响研究

王春国

(中铁十四局集团 隧道工程有限公司，山东 济南 250000)

在城市轨道交通工程建设中，会遇到隧道下穿的问题，给工程施工的变形控制带来考验。如果不严格控制隧道的稳定性，就可能造成严重的事故。不同的隧道开挖方式，会对隧道稳定性有不同影响。若开挖方式不当，也会造成隧道应变的增加[1−4]。国内外有关隧道下穿的研究较多。王清标[5]等人以不同开挖方式对隧道周围地层和围岩的变化进行研究，分析了多隧道交汇处岩石受力的变化规律。姚勇[6]等人以某地区小净距隧道为背景，利用数值计算，分析了软岩隧道开挖稳定后，对围岩和衬砌进行了力学分析，并且研究了不同净距隧道开挖对中间岩层的影响。晏启祥[7]等人通过数值模拟不同开挖方法对锚杆和混凝土的作用，分析了不同净距对中间岩层的影响。Zhang[8]等人对黏性摩擦土圆形隧道的稳定性进行了三维数值模拟，分析了隧道直径与深度比和土壤性质的圆形隧道面稳定性。但对全断面开挖、台阶法、双侧壁导洞法及CD法的研究鲜见[9−12]。因此，作者拟依托深圳地铁9号线工程，将数值模拟值和工程实测值进行对比，分析了不同施工法对隧道的拱顶沉降、水平收敛及地表沉降的影响，以期为该工程的施工方法选择最佳方案。

1 工程概况

深圳地铁9 号线总长为25.38 km，纵穿南山、福田及罗湖3 个区。地铁9 号线与地铁1 号线因有交汇，所以会出现新建隧道下穿既有隧道的施工情况。深圳地铁1 号线开挖后，隧道外径为6.0 m，内径为5.4 m，掘进施工为土压盾构。隧道管片为标准管片，每环为6 片，宽度为1.5 m。新建隧道直径为6.0 m。沿既有隧道与新建隧道的交界处，布置检测断面，断面间隔5.0 m，对隧道附近同一埋深带MC-A 处的地表沉降进行了检测。隧道的监测点布置如图1 所示。

图1 隧道断面(单位：m)Fig. 1 Tunnel section (unit: m)

隧道采用台阶法施工，根据现场地质勘查情况，隧址区土体由素填土、细粉砂、砾质粘性土及花岗岩等组成。

2 数值分析

采用FLAC3D软件，模拟新建隧道的开挖过程。为分析不同开挖方法对隧道及周围岩体的稳定性，分别模拟台阶法、全断面、双侧壁导洞法及CD 法施工新建隧道对既有隧道的影响。在模拟中，假设土为厚度不变的均匀介质，新建隧道尺寸为54 m×50 m×70 m。隧道衬砌与既有隧道为弹性模型，土体为摩尔库伦模型。隧道模型如图2 所示。各开挖方式的隧道断面如图3 所示。

图2 数值模型Fig. 2 Numerical simulation model

图3 开挖断面Fig. 3 Excavation section

数值模拟的步骤：①建立模型，确定相关参数；②初始重力运算，达到平衡；③开挖方式计算，结果分析；④改变开挖方式，重新进行计算，结果分析。土体参数见表1。

表1 数值计算参数Table 1 Parameters of numerical calculation

3 模拟值与实测值对比分析

3.1 地表沉降

MC-A 监测数据如图4 所示。从图4 可以看出，采用台阶法、CD 法及双侧壁导洞法施工，对地表的影响均较小。地表沉降量最大的区域为新建隧道正上方约10 m 范围。且距离新建隧道越远，地表沉降越小。工程实测值也是中间大两边小的趋势，监测最大值为9.7 mm。采用台阶法施工，地表沉降的检测值与模拟值相比，趋势相似，但实测值比模拟值大17%。

图4 新建隧道的地表沉降Fig. 4 Surface settlement of new tunnel

3.2 既有隧道的拱顶沉降

当监测断面为MC6(MC′6)时，既有隧道的拱顶沉降变化曲线如图5 所示。从图5 可以看出，在初期，2 个既有隧道拱顶的沉降表有增大趋势，然后趋于稳定。对于既有隧道一，全断面开挖的拱顶沉降最大，为7.8 mm。其次为台阶法开挖的，最大值为5.3 mm。然后为CD 法开挖的，最大值为3.4 mm。双侧壁导洞法的最小，最大值为2.6 mm。既有隧道二与既有隧道一相似，对拱顶沉降的影响，从大到小依次为全断面法，台阶法，CD 法，双侧壁导洞法。在既有隧道二中，全断面法开挖的拱顶沉降，最大值为8.4 mm，比既有隧道一的增加了0.5 mm。之所以既有隧道二的拱顶沉降在相同的工法，均大于既有隧道一的，是因为既有隧道一比既有隧道二距施工作业现场较远，受到的施工影响稍小。拱顶沉降的实测值与模拟值趋势基本一致。开始开挖时，模拟值较大。开挖完成后，实测值比模拟值增大约20%。

3.3 新建隧道拱顶沉降

图5 既有隧道监测点的拱顶沉降Fig. 5 Settlement of existing tunnel

图6 新建隧道的拱顶沉降Fig. 6 Settlement of existing new tunnel

MC-B 监测断面的拱顶沉降值如图6 所示。由于新建隧道的拱顶沉降影响隧道稳定性，因此，对不同施工方法的隧道进行拱顶沉降监测。从图6 可以看出，新建隧道的拱顶沉降随施工的进程逐渐增加，在距开挖距离20 m 后，沉降趋于稳定。其中，在4 种施工方法中，双侧壁导洞法开挖的拱顶沉降最小，为5 mm；其次为CD 法开挖的，最大值为5.8 mm；台阶法开挖的最大值为8.4 mm；全断面开挖的最大值为11 mm。表明：施工时，采用双侧壁导洞法和CD 法，开挖的拱顶沉降较小，更有利于隧道整体的稳定。台阶法开挖的拱顶沉降适中。而全断面开挖最大，不适用于此工程。对比台阶法的模拟值和实测值，实测值偏大，最大拱顶沉降为11 mm，比模拟值增大了18%。实际测量与数值模拟的趋势相似，开挖距离监测断面较近时，模拟值较大，实测值随着开挖进程，逐渐超过模拟值。

3.4 新建隧道的水平收敛

新建隧道的水平收敛如图7 所示。隧道水平收敛的监测点为MC-C。从图7 可以看出，隧道支护后，开挖掌子面距离的增大，水平收敛不断增加，在距离监测面30 m 后，逐渐趋于稳定。对于隧道稳定后的水平收敛值，从小到大依次为双侧壁导洞法，CD 法，台阶法，全断面开挖方法。其中，双侧壁导洞法的水平收敛为4.5 mm。CD 法在隧道掌子面距离监测断面20 m 后，逐渐稳定，水平收敛为6.2 mm。台阶法开挖和全断面开挖方法的水平收敛和开挖距离，呈线性关系，30 m 后趋于稳定，台阶法开挖的水平收敛为8.1 mm，全断面法的水平收敛值最大，为11 mm。在实际工程中，现场实测的水平收敛为9 mm，与模拟值相比，大1 mm 左右。表明：模拟值和实际测量结果较为接近。在施工条件相同的情况下，采用双侧壁导洞法，能够有效地减小水平收敛。

图7 新建隧道的水平收敛Fig. 7 Horizontal convergence of new tunnels

在施工条件相同的情况下，通过比较全断面开挖方法，台阶法施工，CD 法开挖及双侧壁导洞法对下穿新建隧道稳定性的影响，考虑施工成本和时间成本，该工程选择台阶法施工为最佳开挖方案。

4 结论

以深圳地铁9 号线地铁下穿工程为背景，采用FLAC3D有限差分法进行计算，并与现场监测值进行对比分析。得到的结论为：

1) 新建隧道开挖过程中，隧道地表沉降量在正上方部位最大，随着与隧道距离的增加而减小。交叉隧道施工对地表沉降的影响，从大到小依次为全断面开挖，台阶法，CD 法，双侧壁导洞法。

2) 相同的工法上，既有隧道二的拱顶沉降大于既有隧道一的。对于拱顶沉降，实测值与模拟值相近。开挖完成后，实测值比模拟值大20%。新建隧道的拱顶沉降随着施工进程逐渐增加，在距开挖距离20 m 后趋于稳定。

3) 隧道支护后，水平收敛随着开挖掌子面距离的增大不断增加，在距离监测面30 m 后，逐渐趋于稳定。在实际施工中，考虑到施工成本和时间成本，该工程采用台阶法为最佳开挖方案。