新建隧道对临近地下隧道的影响分析

2022-09-15赵刚

水科学与工程技术 2022年4期

赵刚

（贵州省六盘水市盘州市水务局，贵州六盘水 553500）

中国经济的快速发展导致城市交通频繁拥堵，地铁在繁华地区修建。传统的矿山法和明挖法对周边环境影响太大，盾构法凭借其优势成为城市修建隧道的首选，这不可避免地造成隧道交叉施工。新建隧道对既有隧道的影响不容小觑，已成为当前研究的热点。众多的科研工作者针对新建隧道对周边环境影响的问题做了一系列研究。魏纲等［1］利用数值手段研究了软土地区盾构水工隧道施工对周边环境的影响，提出了一种预测变形的方法。张琼方等［2］建立三维有限元模型分析了盾构水工隧道施工引起的既有隧道变形，并提出了控制措施。白文波等［3］和朱蕾等［4］基于现场实测数据，分析了盾构下穿既有隧道引起的既有隧道变形规律。邵华等［5］通过ABAQUS有限元软件分析盾构近距离穿越施工对已运营隧道的扰动影响。陈亮等［6］和刘招伟等［7］对隧道近距离穿越上部隧道过程进行分析，总结了既有隧道变形和地表沉降规律。李强等［8］通过三维数值软件研究了盾构施工中垂直交叉隧道变形规律。

上述研究大多将隧道简化模拟为直线隧道，为模拟实际工况，现结合某水工隧道盾构施工的工程背景，利用三维有限元软件数值分析了水工隧道盾构施工对近距离既有隧道的影响。研究了新建隧道与临近隧道间距、土体泊松比、地层损失率等因素的影响，并对水工隧道盾构施工过程进行分析。

1 工程概况

某新建水工隧道紧邻既有地铁隧道。该区间起点里程为YK15+722，终点为YK16+833，隧道左右线总长均为1111m。新建隧道与既有地铁隧道位置关系如图1。隧道采用土压平衡盾构机进行施工。新建隧道最外侧直径为6.3m，内径为6m。该既有盾构水工隧道拱顶距地表约19.5m，外径为6.5m，内径为6.2m。新建隧道与既有地下隧道的剖面关系如图2。

图1 新建隧道与既有地铁隧道地理位置

图2 新建隧道与既有地下隧道剖面

2 三维模型建立

利用有限元软件建立三维数值模型，如图3。根据已有数值计算经验，水工隧道盾构掘进仅对周边5倍直径范围内的土体有显著影响，基于此，建立模型长166m、宽110m、高37m。上表面为自由边界，四周和底部为固定边界。

图3 整体模型图

土体本构模型采用摩尔-库伦模型。该研究区间段主要穿越含砾石黏性土。土体参数取值如表1。隧道结构相关参数取值如表2。

表1 土体参数

表2 盾构结构相关参数

3 影响因素分析

主要研究新建隧道与临近隧道间距、土体泊松比、地层损失率和新建隧道与临近隧道夹角对新建隧道引起的临近隧道变形的影响。为此选定一组参照参数：新建隧道与临近隧道间距为5m、泊松比为0.3、地层损失率为0.5%、注浆压力为200kPa、掌子面压力为250kPa。

为研究新建隧道与临近隧道位置关系的影响，建立4种新建隧道与临近隧道间距工况：2.5，5，7.5，10m（保持其他参数不变，余同）。图4给出了4种不同间距下已有隧道拱顶的变形曲线。从图4可以看出，4种不同间距下的隧道拱顶变形峰值分别为：-13.5，-9.5，-8.1，-7.5mm。可见，已有隧道拱顶变形随着新建隧道与临近隧道间距的增大而减小，但新建隧道对已有隧道的变形影响逐渐减弱。区间水工隧道安全控制指标中水平和竖向位移预警值为10mm。可见，当新建隧道与临近隧道间距小于5m时，既有隧道竖向位移超过规范限值。综合考虑，新建隧道与临近隧道合理间距为5m。

图4 不同间距下既有隧道的位移

为研究土体不同泊松比下新建隧道施工对临近隧道的影响（保持其他参数不变），建立3种不同泊松比工况：0.30，0.35，0.4。图5给出了不同泊松比下已有隧道拱顶的变形曲线。从图5可看出，不同泊松比下已有隧道拱顶的变形几乎不变，可见泊松比对新建隧道施工引起临近隧道的变形影响可忽略。

图5 不同泊松比下既有隧道的位移

为研究不同地层损失率下新建隧道施工对临近隧道的影响，建立4种不同地层损失率工况：0.5%，1%，1.5%，2%。图6给出了不同地层损失率下已有隧道拱顶的变形曲线。从图6可以看出，随着地层损失率的增大，以后隧道变形迅速增大，且变形增长速率也呈增长趋势。当地层损失率为1%时，既有隧道竖向变形约为12.5mm，超过规范限值10mm。综合考虑，合理的地层损失率为0.5%。

图6 不同地层损失率下既有隧道的位移

为研究不同注浆压力下新建隧道施工对临近隧道的影响（保持其他参数不变），建立4种不同注浆压力工况：100，200，300，400kPa。图7给出了不同注浆压力下已有隧道拱顶的变形曲线。如图7所示，注浆压力的提升可以有效控制既有隧道的变形，但随着注浆压力的增大，这种提升效果逐渐削弱，且注浆压力为100kPa 工况的隧道竖向变形超过规范限值10mm。综合考虑，合理的注浆压力为200kPa。

图7 不同注浆压力下既有隧道的位移

为研究不同掌子面压力下新建隧道施工对临近隧道的影响（保持其他参数不变），建立4种不同掌子面压力工况：150，250，350，450kPa。图8给出了不同掌子面压力下已有隧道拱顶的变形曲线。如图8所示，既有隧道的竖向变形随着掌子面压力的增大逐渐减小，但减小幅度越来越小。且掌子面压力为150kPa工况的隧道竖向变形超过规范限值。综合考虑，合理的掌子面压力为250kPa。

图8 不同掌子面压力下既有隧道的位移

4 盾构水工隧道施工过程分析

4.1 不同施工工况介绍

选择合理参数进行数值模拟：新建隧道与临近隧道间距为5m、泊松比为0.3、地层损失率为0.5%、注浆压力为200kPa、掌子面压力为250kPa。

为研究盾构施工过程中新建隧道对既有隧道及周边环境的影响，将盾构水工隧道施工全过程分为5个工况，如表3。图9为数值模型图。

表3 盾构施工过程详细工况

图9 工况一模拟图

4.2 数值模拟结果分析

图10给出了盾构掘进过程不同位置变形曲线图。如图10所示，水工隧道盾构掘进过程中，地表位移和既有隧道变形随着刀盘的前进首先缓慢增大，随后快速增大，最后趋于稳定。其中当刀盘距两隧道交叉处-15～15m范围内，盾构掘进对地表和既有隧道变形影响最大，可见，新建隧道施工对地层和既有隧道的影响范围为两隧道交叉点2.5D范围。此外，当刀盘距两隧道交叉处-6～6m范围内，地表和既有隧道变形曲线斜率最大，说明新建隧道施工对该范围内的土体和既有隧道扰动最为显著，在实际施工的时候，当新建隧道施工到两隧道交叉点1.0D范围内，需要采取一定的加固措施，减小新建隧道施工对既有结构的影响。进一步分析图10可知，当水工隧道下穿既有隧道过程中，隧道拱顶位置沉降曲线斜率小于拱底位置沉降曲线斜率，这是由于上方既有隧道的存在对上方土体的沉降变形起到阻隔作用。

图10 地层变形图

图11给出了新建水工隧道盾构掘进过程中5种工况的既有隧道拱腰处的沉降。从图11可看出，随着盾构机刀盘掘进，既有隧道拱腰处的沉降量越来越大，并且主要沉降变形发生在工况2、工况3和工况4阶段。受下方新建隧道施工的影响，既有隧道的主要沉降范围随着盾构机掘进向掘进方向移动。当盾构机刀盘达到两隧道相交位置时，既有隧道的沉降变形达到峰值并趋于稳定。对比图11（a）和（b）可知，新建隧道施工对先穿越一侧的隧道拱腰沉降量和沉降范围的影响更加显著。