近距离下穿大直径隧道扰动效应分析

李军发

（山西省交通科技研发有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

随地下空间发展，隧道施工会对近距离既有隧道产生扰动。相关研究认为[1]，近距离下穿施工对既有隧道扰动影响较大，施工风险较高。为确保既有隧道安全，需进行理论分析并制定严密施工控制方案。

隧道下穿既有线路施工安全分析已有相关文献报道，朱红霞等[2]基于武汉地铁3号线斜交下穿地铁2号线工程，提出了对既有线路的加固体系；祝思然等[3]以北京地铁某区间盾构斜交下穿既有隧道工程为背景，对盾构近距离下穿既有线路的整个过程进行了调查、研究与分析；袁金秀等[4]结合北京6号线斜交下穿既有盾构区间的矿山法隧道施工实例，从隧道支护机理出发，介绍了该隧道施工方案；靳晓光等[5]结合重庆市渝中区朝天门大型互通式地下下穿工程，对下穿平交（15°）和上下正交两种情况钻爆法动态施工力学进行研究；方勇等[6]采用三维有限元方法对正交下穿盾构隧道施工进行数值模拟，分析新隧道动态掘进对既有隧道位移、变形和内力的影响。随地下空间发展及空间利用率提升，近距离下穿工程数量将增加。因此，针对隧道下穿情况，亟待开展近距离双线下穿对既有隧道及地表扰动机理研究。

基于此，以某下穿隧道施工工程为例，采用FLAC 3D软件对隧道近距离下穿既有线进行三维建模仿真，对比数值模拟与实际监测结果来验证模型合理性，分析下穿线路施工对地表沉降、既有线路沉降及衬砌应力扰动效应。研究成果可为近距离隧道下穿既有线工程施工安全及优化施工控制措施提供理论参考。

1 工程概况

1.1 下穿工程

某既有隧道（以下称1号隧道）左线长715 m，右线长690 m；新建隧道（以下称2号隧道）左线长483 m，右线长493 m。重叠区域2号隧道和1号隧道左线隧道的相对关系具体为1号隧道左线与2号隧道左右线斜交，最后2号隧道下穿1号隧道，1号隧道位于上方，下穿段长度约为120 m，2号隧道左右线最小间距为3.0 m，最小埋深为16.6 m，1号隧道左右线最小间距为8.45 m，最小埋深为9.7 m。1号隧道左线与2号隧道左线段隧道间最小净距仅4.2 m，1号隧道右线与2号隧道右线段隧道间最小净距仅为3.578 m。

1.2 工程地质与水文条件

工程场地内地下水主要为：上层滞水、第四系松散岩类孔隙潜水，埋深在2.0～11.0 m的范围内，接受侧向径流补给，水量较为丰富，隧道所处黏土层，土体渗透性较差，可认为不透水。

依据地质勘察资料及设计资料，场址范围内地岩层及主要物理力学参数见表1。

表1 地层物理力学参数

2 三维建模

2.1 三维模型

采用FLAC 3D软件建立三维有限差分模型，本构模型为Mohr-Coulomb模型，隧道衬砌采用实体线弹性模型构建。模型尺寸参数为：底部（Z向）距2号隧道中心线28 m，顶部距离2号隧道中心线高度20 m，左右两侧离2号隧道中心线为42 m，为了与实际工程对应，模型纵向（Y向）取120 m；1号及2号隧道内径分别为11.4 m和9.8 m，衬砌厚度为0.3 m，模拟简化为圆形衬砌。模型约束条件为：底面（Z=-30），限制其Z方向位移；侧面（X=-45,45 m），限制其X方向位移；表面（Z=51）为地表，为自由边界；网格划分的原则是距离隧道开挖部分较近的地方网格划分较密，距离隧道开挖部分较远的地方网格划分较疏。隧道下穿模型见图1。

图1 计算模型

2.2 参数选取

构建计算模型时，土层物理力学参数根据表1中参数选取。根据大量统计资料，认为地层加固数值模拟时，加固区材料的黏聚力值、内摩擦角和弹性模量可相应提高20%，本模型对地层加固区域参数选取采用此原则。隧道衬砌参数根据实际工程的衬砌参数取值，1号和2号隧道衬砌采用C35钢筋混凝土，衬砌参数见表2。

表2 隧道衬砌参数

2.3 模拟工况

工程施工阶段，先开挖2号隧道右线，待右线贯通后再开挖2号隧道左线，隧道施工速度不变。计算模型中隧道左右线施工共分为120个工况步模拟，每个工况步进尺2 m。2号隧道右线开挖步60个，开挖120 m；左线开挖步60个，开挖120 m；并施作衬砌结构，开挖后土体采用软件自带的null单元模拟。

3 结果与分析

3.1 拱顶沉降数值分析

数值模型中，在1号隧道左线拱顶分别设置ZGD-01～ZGD-09共9个监测点位，各监测点位的拱顶沉降模拟计算结果见图2和图3。

图2 开挖阶段1号隧道左线沉降曲线

图3 开挖阶段1号隧道右线沉降曲线

从图2和图3可看出，通过FLAC 3D计算所得的监测点位沉降曲线发展趋势与实际监测中监测点位沉降曲线发展趋势接近。数值模拟的各点沉降最大值与实际监测沉降最大值误差在5%内，验证了数值模拟结果的可靠性。

3.2 地表沉降分析

图4 地表沉降曲线图

地表横向沉降曲线如图4，呈“U型槽”状。从图4中可看出，2号隧道右线贯通后，地表沉降最大值为2.9 mm，地表沉降最大点位靠近2号隧道右线上方；2号隧道双线贯通后，地表沉降最大值为3.8 mm，沉降最大点位靠近2号隧道左线上方。双线贯通后，地表沉降值较小，说明注浆措施能有效控制地层损失率，减小地表的沉降。

3.3 隧道衬砌沉降分析

1号隧道左右线拱腰及拱底沉降曲线如图5～图10所示。

图5 2号隧道施工阶段1号隧道右线左拱腰沉降

图6 2号隧道施工阶段1号隧道右线右拱腰沉降

图7 2号隧道施工阶段1号隧道右线仰拱底沉降

图8 2号隧道施工阶段1号隧道左线右拱腰沉降

图9 2号隧道施工阶段1号隧道左线左拱腰沉降

图10 2号隧道施工阶段1号隧道左线仰拱底沉降

从图5、图6、图8和图9中可看出，2号隧道右线贯通后，1号隧道右线的沉降比1号隧道左线沉降大，1号隧道右线最大沉降为4.14 mm，最大沉降位置为1号隧道右线左侧拱腰处，1号隧道右线左右拱腰的最大沉降差为3.12 mm，1号隧道左线最大沉降为2.10 mm，左右拱腰的最大沉降差为1.28 mm；双线贯通后，1号隧道左右线最大沉降差较小，1号隧道右线最大沉降值为7.75 mm，最大沉降位置为左侧拱腰，左右拱腰最大沉降差为6.48 mm；1号隧道左线最大沉降为7.68 mm，左右拱腰最大沉降差为6.4 mm；从图7和图10中可看出，仰拱底的沉降相对较小，且受开挖位置的影响较大。

3.4 隧道衬砌应力分析

2号隧道未施工时，1号隧道衬砌最大应力为7.798×105Pa，位置为靠近拱顶两侧位置；2号隧道右线贯通后，1号隧道衬砌最大应力为9.314×105Pa，相比开挖前，增加19%，最大应力位置在靠近拱顶两侧处；靠近2号隧道的一侧仰拱底附近应力增大最为显著，应力增加80%，且最大应力位置有向靠近2号隧道一侧仰拱底位置发展的趋势。2号隧道双线贯通后，1号隧道衬砌最大应力为1.124×106Pa，相比开挖前，最大应力增加44%；拱顶应力为1.036×106Pa，相比开挖前，拱顶应力增加32%，此时最大应力位置靠近2号隧道一侧仰拱底附近。开挖前和开挖后应力位置和大小变化都比较明显。因此，施工过程中应加强对既有线隧道衬砌的应力监测，防止既有线隧道衬砌受损。

4 结论

a）基于FLAC 3D构建了施工隧道下穿既有线三维数值模型，模拟计算结果与现场实际监控结果较吻合，说明所建数值模型及采用的相关参数合理可靠，对实际工程有参考价值。

b）下穿既有线施工过程中，既有线拱腰位置处沉降最大，且两侧拱腰沉降差较大，应加强对既有线拱腰位置监测，必要时应对土层进行超前注浆加固处理。

c）下穿施工过程中对既有线隧道衬砌应力影响较大，衬砌最大应力增幅达80%。为保护既有线隧道结构安全，新建隧道施工时，应监测既有线隧道衬砌应力，防止其受施工影响变化过大。