近距离增建隧道对两侧既有隧道结构的静力影响分析

杨尚文

摘要 在隧道改扩建工程中保证近接新建隧道开挖后既有隧道结构的安全性与稳定性极其重要。文章以京港澳高速公路既有旦架哨隧道改扩建工程为依托，在充分调研分析既有隧道衬砌病害的基础上，采用数值模拟研究了不同净距对新老隧道结构的影响。结论表明：（1）随着施工净距的增加，近接新建隧道的开挖对既有隧道结构受力的影响不断减小，具体表现在开挖变形、衬砌应力以及既有隧道衬砌病害所带来的不利作用。（2）新老隧道净距大于25 m后，随着净距的增加，新建隧道开挖所引起的既有隧道结构位移及受力变化相对较小，且既有隧道结构处于安全状态，故25 m的施工净距是合理且安全的。

关键词 既有隧道；静力影响；施工净距；开挖变形；衬砌病害

中图分类号 U457.6文献标识码 A文章编号 2096-8949（2024）06-0047-04

0 引言

21世纪以来，随着中国经济的高速发展，珠三角区域汽车保有量逐年递增，从而使得部分高速公路运输能力受到前所未有的挑战，大量高速公路隧道运能已无法满足现有交通需求，急需对现有隧道进行改扩建，而在既有隧道周边增建隧道已然成为最常见的改扩建方式之一[1]。

针对新建隧道开挖对既有隧道的静力影响研究，国内外诸多学者开展了大量相关研究分析。Hiroshi和Kuriyama[2]等依托日本福岗市地铁3号線工程，重点分析了小净距隧道岩柱的加固方法及变形的监控量测，同时利用有限元软件模拟了小净距隧道施工全过程，探明了小净距隧道关键施工步骤；K.W. Lo[3]等通过现场监测统计分析了新建隧道开挖施工时，已建成三条隧道的结构内力及位移的变化；汪壮壮[4]等采用FLAC3D软件建立三维数值模型，研究了既有地铁隧道旁开挖新隧道的施工工程，重点分析砂岩地层中新建隧道与既有隧道间的相互作用及结构位移规律；王志杰[5]等研究了不同偏压角度及净距条件下的新建隧道施工过程，并结合理论分析系统总结了偏压角度和净距对近距离隧道施工的影响规律；周文杰[6]等通过模拟在既有地铁隧道下方掘进新建盾构隧道的施工全过程，得出了新建隧道及既有隧道结构变形分布规律，并在此基础上明确施工安全控制技术；张志强[7]等研究了开挖顺序对非对称小净距隧道施工的影响；刘传利[8]等依托广州地铁6号线，分析了新建隧道施工给既有隧道带来的不利作用，并提出较为合理的施工工法。

因此，对于小净距隧道增建工程而言，探明新建隧道对既有隧道结构稳定性的静力影响是至关重要的。该文以京港澳高速公路既有旦架哨隧道改扩建工程为依托，在充分调研分析既有隧道衬砌病害的基础上，采用数值模拟的方式重点研究了新建隧道在不同净距下施工对新老隧道结构变形及受力的影响，以期探明不同施工净距下新建隧道施工对既有隧道的影响，从而提出合理的小净距新建隧道的合理施工净距。

1 工程概况

既有旦架哨隧道为上下行分离式的六车道高速公路隧道，隧道最大埋深约150 m。拟增建的旦架哨隧道同样为上下行分离式的六车道高速公路隧道，最大埋深约146 m，为中长隧道。该项目改扩建方案如图1所示。隧道穿越的岩层主要为中风化千枚岩，围岩级别主要为Ⅳ级、Ⅴ级，其中，Ⅴ级围岩占比超61%，岩体整体较破碎，自稳能力较差，开挖后围岩易出现小规模坍塌。

2 既有隧道衬砌病害调研分析

为清晰了解既有隧道衬砌病害的分布情况，并给计算过程中病害的模拟提供参考，对既有隧道衬砌病害状况进行统计分析。

2.1 衬砌裂缝统计

在既有隧道洞身衬砌裂缝中，环向裂缝最多，主要分布于边墙区域，其次为斜向裂缝，纵向裂缝最少。不同宽度裂缝的分布统计如表1所示。

2.2 衬砌空洞统计

既有公路隧道衬砌空洞主要分布在隧道拱顶，空洞长度与深度的分布统计如表2所示。

3 基于数值模拟的小净距增建隧道的结构影响性分析

3.1 数值模型建立

3.1.1 计算假设

①围岩、二次衬砌采用实体单元。②超前小导管和锚杆的模拟，采用提升锚固区围岩参数的方式进行近似模拟，无实际单元。③临时支撑采用Beam结构单元进行模拟。④围岩、初支、二衬及临时支撑均采用弹性本构模型。

3.1.2 计算工况

由于Ⅴ级围岩占比较高，故该文重点分析Ⅴ级围岩条件下，新老隧道采用不同净距施工时增建隧道对临近既有隧道受力变形的影响，净距分别选取10 m、15 m、25 m、40 m进行分析。计算工况如表3所示。

3.1.3 模型建立

该文重点分析不同施工净距下新建隧道对既有隧道的静力影响，为简化计算，故只选择新建左线隧道进行计算。通过Ansys 有限元软件建立二维平面模型，模型边界在隧洞左右、上下均取约3～4倍洞径长度，模型左右边界及下边界设为位移边界，而上边界取自由边界。该文重点研究近接新建隧道的合理施工间距，故不同计算净距下模型尺寸有所不同，最大模型尺寸为264 m×140 m。同时结合既有隧道衬砌缺陷实际情况，在模型中对既有隧道衬砌拱顶空洞和边墙裂缝进行模拟（如图2所示）。

3.1.4 计算参数

依据地勘资料结合相关隧道设计规范中的围岩及支护参数取值，该次计算参数如表4所示。其中，依据既有计算经验和类似工程实践，设定超前小导管加固区或锚杆支护区内的围岩变形模量、黏聚力、内摩擦角依次提升20%、15%、10%；叠合加固区（超前小导管加固区+锚杆支护区）内依次提升40%、30%、20%。

3.1.5 模拟过程

计算步骤：初始地应力模拟—既有隧道施工模拟（全断面开挖）—既有隧道衬砌病害模拟—新建隧道施工模拟（双侧壁导坑法开挖）。

3.2 计算结果分析

3.2.1 开挖变形分析

不同施工净距下（10 m、15 m、25 m和40 m）的结构整体水平及竖向位移如图3、图4所示。由图3可看出，随着施工净距的增大，新老隧道水平位移减小。净距为10 m、15 m、25 m和40 m时，隧道结构最大水平位移分别为2.67 mm、2.51 mm、2.39 mm和2.31 mm，降幅分别为0%、5.9%、10.4%和13.4%，即随着施工净距的增大，结构水平位移减小程度不断降低。由图4可知，随着施工净距的增大，新老隧道竖向位移也逐渐减小。净距为10 m、15 m、25 m和40 m时，拱顶沉降和拱底隆起分别为（11.13 mm，13.8 mm）、（9.84 mm，12.97 mm）、

（8.83 mm，12.33 mm）和（8.50 mm，12.04 mm），降幅分别为（0%，0%）、（11.6%，6%）、（20.6%，10.6%）和（23.6%，12.7%），即随着施工净距的不断增大，结构竖向位移减小程度也不断降低。综上，虽然新老隧道结构变形均随净距的增大不断减小，但实际工程中施工净距受到工程占地等问题的约束，且净距为25 m时新建隧道位移与净距40 m时的位移相差较小且均远小于净距为10 m和15 m时的位移，故施工净距25 m较为合理。

3.2.2 衬砌应力分析

不同施工净距下新建隧道开挖完成后，既有左右線隧道衬砌主压应力如图5所示。由图5可知，随着净距的增大，既有隧道衬砌整体应力逐渐降低，既有左右线隧道衬砌应力基本呈对称分布，以既有左线隧道为例，净距为10 m、15 m、25 m和40 m时，隧道衬砌最大压应力分别为12.4 MPa、11.2 MPa、10.1 MPa和9.9 MPa，相较于10 m净距，施工净距25 m时结构最大压应力降低18.5%；而相较于25 m净距，施工净距为40 m时最大压应力降幅仅2%。

不同净距下新建隧道开挖时，既有隧道衬砌病害对结构的影响规律基本相同。以既有左线为例，净距为10 m、15 m、25 m和40 m时，拱顶空洞处衬砌压应力分别为

1.21 MPa、1.02 MPa、0.83 MPa和0.76 MPa，且出现不足

0.1 MPa的拉应力，分别为0.04 MPa、0.03 MPa、

0.02 MPa和0.02 MPa，其值均小于衬砌混凝土的承载力；不同净距时，边墙裂缝均会减小其附近衬砌压应力，减小幅度均在50%左右，同时在裂缝尖端产生应力集中现象，出现较大的压应力，净距10 m、15 m、25 m和40 m时，分别为6.86 MPa、6.19 MPa、5.58 MPa和5.48 MPa，这表明净距越大，病害所带来的不利影响越小，且净距为25 m和40 m时的裂缝尖端应力相差很小，即当施工净距大于25 m后，裂缝不利影响的降低程度不再明显。

综上分析可知，随着净距的增大，既有隧道衬砌整体应力和衬砌病害所带来的不利影响均逐渐降低，且降低幅度逐渐放缓；净距大于25 m后，两者减小程度均不再明显，故25 m可以被视为该工程的合理施工净距。

4 结语

（1）该文依托京港澳高速公路既有旦架哨隧道改扩建工程，利用有限元软件Ansys模拟了10 m、15 m、25 m和40 m四种施工净距下的新建隧道开挖过程。随着施工净距的增加，近接新建隧道的开挖对既有隧道结构的影响不断减小，具体表现在开挖变形、衬砌应力和衬砌病害所带来的不利作用，同时该影响的减小程度随净距的增加而逐渐放缓。

（2）净距大于25 m时，新建隧道开挖所引起的既有隧道衬砌位移及受力变化相对较小，且既有隧道结构处于安全状态，由此认为25 m的施工净距是合理且安全的，该改扩建工程施工净距建议采用25 m。

参考文献

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