新建隧道下穿施工对既有隧道的影响

杨满仓

（中铁十二局集团第三工程有限公司，山西 太原 030024）

引言

随着城市轨道技术的快速发展，应地下交通网络布局的需求，不可避免地出现隧道下穿上部隧道的情况，而隧道的施工会对周围土层造成扰动，特别是施工所带来的土体损失及应力释放会改变周围土体的应力场，由此产生的荷载增量造成上部既有隧道的纵向变形[1-2]，若变形过量，会对隧道正常的服役产生较大影响[3-4]，如北京地铁6号线下穿越4号线隧道，白水江电站引水隧洞下穿内昆铁路隧道[5-6]。为保证既有隧道的安全性，有必要对新建隧道引起的上部隧道沉降进行预测分析。针对此类问题，一些学者做了相关的研究。梁荣柱等[7]对隧道结构进行了简化，采用两阶段分析方法求得了既有隧道的纵向变形规律，丁智等[8]采用数值分析方法分析了不同工况下地铁衬砌的变形。戴志仁等[9]分析了新建矿山法隧道近距离下穿已运营隧道工程时的支护技术手段，陈城等[10]分析了下穿施工时注浆对既有隧道的加固作用。

1 工程概况

上海某新建隧道采用盾构法从既有隧道下方穿越，两条隧道的平面关系接近正交，隧道外径均为6.2 m，管片厚度为0.35 m，每环管片的宽度为1.2 m。已建隧道轴线埋深为9 m，新建隧道的埋深为20 m。土层参数见表1。

表1 土体物理力学参数

2 三维数值分析模型

数值模拟中一般将盾构推进、管片安装以及盾尾注浆的连续性循环过程进行简化，通常情况下采用刚度与荷载迁移法，通过改变材料参数与荷载条件来反映隧道施工的过程。采用FLAC3D软件模拟计算，先在模型里预设隧道开挖单元、管片单元及注浆体单元，使用model null命令模拟隧道开挖，改变相应单元的材料属性来模拟管片安装和注浆过程，见图1。根据张云等[11]的研究，可采用等代层的方法模拟注浆及施工扰动影响，等代层厚度δ=η△，△为计算的盾尾空隙，即盾构外径与衬砌外径之间的差值的一半（m），η为系数，根据土层类型取值。

图1 盾构推进示意

建立三维数值分析模型，其尺寸为48 m×48 m×40 m，即沿既有隧道和新建隧道纵向方向的长度均为48 m，沿竖向方向取40 m。低应力条件下的土体的应力应变关系基本符合理想弹塑性，屈服规律符合Mohr-Coulomb 屈服准则。因此数值模拟计算分析中，土体的本构模型取弹塑性模型，屈服采用 Mohr-Coulomb 屈服准则。根据以往的经验，管片在外荷载的作用下其变形一般处于弹性阶段，因此采用线弹性本构模型。考虑管片接缝的影响对其弹性模型进行折减，折减系数取 0.85，弹性模量取3×e10Pa，泊松比取0.2。对于等代层，根据相关的研究，线弹性本构模型可以很好地模拟盾构施工的过程，等代层中的材料是土、水泥浆及土与水泥浆的混合体，其弹性模量参考水泥土的压缩模量取12×e6Pa，泊松比为0.2。数值分析模型见图2。模拟中，先贯通上部隧道，然后模拟下穿隧道开挖的影响，根据孙钧等的研究[12]，隧道每次开挖6 m对计算结果影响不大。为了节省计算资源，模拟中隧道每次开挖4.8 m，即4环，开挖10次后隧道贯通。

图2 三维数值分析模型

3 计算结果分析

下部隧道贯穿后整体竖向位移云图见图3。土层及管片位移呈对称分布，隧道轴线正上方土层沉降最大，地表处最大沉降为10 mm左右。

图3 隧道贯穿后位移云图

开挖40环后隧道贯通，开挖至20环位置正好位于上部既有隧道的正下方，为分析下穿隧道开挖对上部隧道的影响，取此交叉位置前后一定范围的各开挖步下既有隧道沉降曲线进行分析对比，见图4。可知，开挖面靠近上部隧道8环范围时已经产生了一定的影响，但没有明显的沉降差异，及至开挖至上部隧道下方时，上部隧道出现明显的沉降差异，最大沉降位于为叠交处位置（中点），之后随着开挖的进行，上部隧道持续性沉降，及至开挖至36环时，继续开挖时上部隧道的沉降曲线无明显变化，既有隧道基本稳定下来，最终最大沉降值达到5.7 mm。

图4 下穿隧道施工时上部隧道的沉降曲线

上部隧道沉降量随着隧道开挖环数的变化而变化，取上部隧道中点位置沉降进行分析，见图5，横坐标表示下部隧道开挖面到上部隧道中点的水平距离，用环数表示。

图5 上部隧道沉降量随着隧道开挖环数的变化

可以看出，开挖面靠近叠交处时上部隧道沉降速度变大，开挖至叠交处时上部隧道最大沉降为3.2 mm，此时沉降值主要由下部开挖引起的土体损失造成。过叠交处16环后下穿施工不再对既有隧道产生影响，最终沉降为5.7 mm，是下部隧道过叠交处时的1.8倍左右，过叠交处后的开挖扰动对上部隧道有巨大影响，工程中应准确把握这种影响大小及范围。

4 与监测结果对比

下部隧道贯穿后既有隧道沉降稳定，将模拟的隧道沉降曲线与工程监测结果进行对比，见图6。

图6 既有隧道沉降值对比

可以得出，模拟的沉降值与实测值有差异但基本接近，可以验证三维数值模拟有效地反应了下穿隧道开挖对上部隧道的影响。

5 结语

研究了下穿施工中既有隧道的沉降规律，结合实测数据验证了数值模拟的有效性：既有隧道随着下穿隧道的开挖而持续性沉降，中点处为沉降最大位置，整体上呈左右对称状，下部隧道开挖面过叠交处16环后继续开挖对上部隧道沉降无影响，上部隧道基本稳定，最终沉降为5.7 mm，是下部隧道过叠交处时的1.8倍左右，过叠交处后的开挖扰动对上部隧道有巨大影响，工程中应准确把握这类影响大小及范围。