暗挖隧道多断面开挖对紧邻既有隧道结构影响的模拟分析

刘明武

（华南理工大学，广东 广州 510641）

0 引言

随着城市化建设的不断深入，暗挖隧道工程日益增多。在新建隧道的同时，会使紧邻既有隧道结构的围岩应力重分布，导致既有隧道结构的内力和位移发生变化[1]，且随着施工的不断深入，也会引起地面的沉降[2]，进而影响既有隧道的正常运营。因此，在新建隧道时对既有隧道结构的保护也引发了学者们、设计、建设单位的重视和思考。

浅埋暗挖法是一种距离地表较近的地下各类型洞室暗挖的施工方法，具有无污染、无噪声的特点，可控制地表沉降达到最小值[3]，常见的开挖技术方法包括全断面开挖、台阶开挖等[4]。在面对不同的地层环境时应灵活地选择施工技术，保障隧道工程安全高效地进行施工。本文基于某紧邻既有隧道的暗挖隧道工程，借助三维有限元软件对多断面暗挖施工过程进行模拟，就浅埋暗挖法的相关施工技术对紧邻既有隧道结构的影响进行探讨分析，其结论和经验可为类似工程的隧道结构安全保护提供参考。

1 工程概况

某暗挖隧道渡线区域位于既有隧道下方，与既有隧道最小竖向净距约为13.4m。渡线区域涉及A型、B1型、B2型、B3型、H型、K型等多个断面，隧道各断面施作情况如表1所示。

表1 隧道各断面施作情况

渡线区间设有1#和2#竖井，竖井通过H型横通道进入到左右线暗挖隧道的施作位置。其中，1#竖井尺寸为14.8m×12.8m，深度37.9m，采用钻孔咬合桩，Φ800素砼钻孔灌注桩和Φ1000钢筋砼钻孔灌注桩间隔650mm布置，设置6道混凝土支撑，支撑尺寸800mm×1000mm，1#竖井与既有隧道的最小水平净距约为25.8m，基坑底深于既有隧道底约为27.7m。2#竖井尺寸为10m×6m，采用倒挂井壁法进行施工，井壁采用砼+钢架+锚杆进行支护，厚度约0.5m，中间支撑采用工字钢，竖向间隔为0.5～0.75m，环向间隔为1.0m。2#竖井支护桩与既有隧道的最小水平净距约为4.7m，基坑底深于既有隧道底约为28.1m。渡线区暗挖隧道与既有隧道的平面位置如图1所示。

图1 渡线区暗挖隧道与既有隧道的平面位置图

既有隧道区域地层主要为填土、中粗砂、可塑残积土。既有隧道下卧地层主要为可塑残积土层，暗挖隧道所处地层主要为强风化、中风化、微风化泥质粉砂岩。

2 三维有限元数值模拟分析

2.1 计算模型

采用MIDAS/GTS有限元软件建立三维有限元数值模型，模拟暗挖隧道的施工过程，探究多断面开挖对紧邻既有隧道结构的变形影响，同时开展水位下降诱发既有隧道沉降计算分析。

为消除模型边界对计算结果的影响，计算模型尺寸为100m（纵向长度）×80m（水平宽度）×60m（垂向深度），土体采用3D实体单元模拟，暗挖隧道的衬砌结构、既有隧道的外壁采用2D板壳单元模拟，锚杆、竖井内支撑采用1D梁单元模拟，管棚支护的模拟参照文献[5]，按照1D梁单元进行模拟[5]。计算模型的上端为自由边界，底部施加完全约束，各侧面施加对应方向的位移约束。

计算模型采用的本构为摩尔-库伦本构，将各土层简化为各向同性、均匀且连续的土层，土层自上而下简化为填土、可塑残积土、强风化泥质粉砂岩和中风化泥质粉砂岩。根据现场勘察报告，土层的力学参数取值如表2所示。

表2 土层力学参数

2.2 模拟结果及分析

2.2.1 暗挖施工对既有隧道位移量影响

暗挖隧道施工诱发紧邻既有隧道结构的位移量如表4所示，既有隧道结构的最大位移发展曲线图如图2所示，既有隧道结构的纵向沉降曲线如图3所示。

图2 暗挖隧道施工过程既有隧道结构的最大位移发展曲线

图3 暗挖隧道施工过程既有隧道结构的纵向沉降曲线

施工工况为场地初始地应力场分析、1#竖井和2#竖井的开挖、H型断面开挖、靠近1#竖井的B1和B3型隧道断面开挖、靠近2#竖井的B2和B3型隧道断面开挖、B1型断面开挖、A型断面开挖、K型断面开挖，此外还包括超前小导管的施作、临时中隔墙的拆除，三维模拟的动态施工过程如表3所示，计算工况共49个。

表3 三维动态施工过程

经分析可得出以下结论：

（1）由表4和图2可知，暗挖隧道施工诱发紧邻既有隧道结构的最大水平位移为1.3mm，最大竖向沉降为6.2mm，最大总位移为6.2mm，表明在既有隧道下方进行暗挖隧道施工，对其产生的位移影响主要以竖向位移为主。

表4 暗挖隧道施工诱发紧邻既有隧道结构的位移量（单位：mm）

（2）由图3可知，既有隧道沉降缝最大的差异沉降为0.6mm，发生在多断面同步开挖施作时，施工过程应实时对既有隧道结构的沉降进行监控。

2.2.2 水位下降诱发既有隧道沉降计算分析

根据工程地质资料，采用分层总和法计算分析水位下降幅度对既有隧道沉降所产生的不利影响，为预测既有隧道沉降量以及暗挖隧道施工诱发的水位下降幅度提供依据。图4为水位下降诱发既有隧道结构沉降计算曲线。分析可得以下结论：

图4 水位下降诱发既有隧道结构沉降计算曲线

（1）鉴于既有隧道下卧地层主要为可塑残积土层，存在可压缩土层，且由于土层厚度和土性存在一定的差异，水位下降将导致既有隧道发生一定程度的沉降，并诱发既有隧道纵向产生不均匀沉降差，因此需要严格控制水位下降的幅值。

（2）由图4可知，当地下水位下降2.5m时，既有隧道的最大沉降为4.8mm，鉴于按大面积水位下降进行的隧道沉降计算结果对工程偏于安全，因此，认为该范围内地下水水位下降幅度严格控制在2.0m内，以确保隧道结构的安全和正常行车。

3 结束语

本文通过三维有限元模拟暗挖隧道施工过程对既有隧道结构的影响，并开展水位下降对既有隧道沉降计算，得出结论如下：

（1）在既有隧道下方进行暗挖隧道施工，对其产生的位移影响主要以竖向位移为主。

（2）既有隧道沉降缝的差异沉降在多断面同步开挖施作时最大，因此，在施工过程中应对既有隧道结构的沉降进行实时监控。

（3）当既有隧道所处的地层存在可压缩土层时，水位下降将导致既有隧道发生一定程度的沉降，并诱发既有隧道纵向产生不均匀沉降差，因此需要严格控制水位下降的幅值。