基于数值模拟及现场监测的新建隧道开挖对既有隧道影响分析

廖坤阳，林灿阳

(1. 福建林业职业技术学院 建筑工程系，福建 南平 353000；2. 福建省建筑轻纺设计院有限公司，福州 350001)

我国的大城市圈一般人口密集、经济发达，为了增加土地资源追求更大的发展空间，地铁建设成为了城市地下空间开发的主要形式，这源于其具有运载量大、便捷性高和安全性强等优点.截至2020 年底，中国内地累计有40 个城市开通城轨交通运营，总里程超过了4 500 km.地铁修建的初期难题主要集中在地铁隧道与地表建筑物相互作用的影响[1-5].近年来城市地下空间工程中的交叠隧道间的相互影响问题被广泛讨论.

Liang 等[6]将新建双线隧道简化为具有一定等效抗弯刚度的连续欧拉-伯努利梁，研究其斜交上穿既有隧道带来的影响响应，间隙距离、推进距离、多隧道施工等因素对既有隧道的影响，重点讨论了盾构施工过程中地面沉降槽和作用于既有隧道的土压力的变化规律.Lin 等[7]研究了新建双线隧道斜交下穿既有隧道的变形特性，重点讨论了盾构施工过程中地面沉降槽和作用于既有隧道的土压力的变化规律.Vinod 等[8]采用PLAXIS 软件，利用数值计算方法对圆形和矩形双线隧道衬砌的表面沉降和产生的弯矩进行了研究.结果表明：矩形隧道与圆形隧道相比，沉降较小，适用于软弱地基中的浅埋隧道.Ng 等[9]研究了现有马蹄形隧道宽度与新建圆形隧道直径之比(B/D)对二者在垂直穿越时的相互影响，结果表明：在不同覆盖深度下，现有隧道仰拱中心的最大沉降量不受其大小的影响，在覆盖深度较小的情况下，随着B/D比值的增大，既有隧道顶部的沉降剖面逐渐变为拱型.

综上，当前对交叠隧道的研究还是集中于隧道的空间排布形式、不同的几何形状参数、施工采用的关键技术参数以及工程地质条件4 个系统之间的相互作用[10-16]，且现有研究的空间交叠隧道在几何位置上只存在空间角度上的相交，在同一面上隧道之间不存在相交关系.

然而在在云贵高原的山地城市由于其地形地貌原因会出现一类位置较为特殊的浅埋临坡隧道，即隧道临近边坡及地表面.本文考虑了贵州省某新建隧道位于道路下方的实际工况，基于18 种不同参数组合，采用三维数值法进行参数分析以确定临坡浅埋隧道施工对道路的影响，该研究方法及成果可为类似工程在初步设计阶段评估隧道修建带来的影响和风险提供参考.

1 工程地质条件

贵州省六盘水市蟠龙乡清水河隧道下穿水黄公路，隧道进口路面标高为1 175.3 m，隧道出口路面标高1 177.8 m，隧道总长100 m.隧道北部周边地形显著高于南部，隧道横穿40 m 的边坡，其坡角为82°，隧道走向与边坡走向近似平行.

该隧道穿越地层为二迭系下统栖霞组灰岩地层，其物理力学性质指标见表1.其地下水主要为岩溶裂隙水；岩溶主要表现形式为溶孔与溶隙，根据现场勘察钻孔发现，岩芯溶孔或溶隙规模一般为1～6 cm，有方解石结晶体析出，未探测到溶洞；地表及隧道出口陡崖处的调查，也未发现有溶洞.

表1 岩石物理力学性质指标

新建隧道在边坡内部近似平行于边坡走向修建，隧道底标高高于地下水位，隧道埋深较小，顶部为山体斜坡地带，有利于地面排水.其地表水大部分通过地表径流排泄，少部分下渗补给地下水，通过岩溶裂隙及岩溶管道自高向低运移.对既有隧道现场调查还发现，既有隧道内偶见局部洞壁有潮湿及滴水现象.因此，新建隧道发生突水的可能性小.

2 工程数值模型及施工方案

拟建隧址原存在人工开凿的人行通道，基岩裸露，其断面宽1.5 m，高2.2 m；新建隧道长度为100 m，断面宽度5.88 m，高度6.35 m，新建隧道进口位置会与既有隧道位置重合，然后2 者轴线会逐渐分离，进口段围岩及断面示意图分别见图1 和图2.

图1 进口段围岩

图2 隧道断面尺寸/cm

由于新建隧道临近边坡表面与地表，因此需要综合考虑现场施工条件，对新建隧道与既有隧道的空间位置进行系统地研究.通常，隧道埋深越浅，距边坡自由面的距离越小，工程造价会相对较低，但工程安全性却面临巨大的潜在风险；反之，工程安全性虽能够得到保证，但工程造价却会大大增加.此外，因施工期间该工程地表道路不能封路，故地表荷载也是极为重要的影响因素；同时，是否对既有隧道先进行混凝土回填也将影响新建隧道开挖后围岩位移场分布，故既有隧道回填与否也要被列入数值研究中.因此，本文共需考虑3 个新建隧道相对空间位置，3 个地表荷载大小以及既有隧道回填处置2 个工况，共计18 个破坏条件.

假设新建隧道的埋深为C，高度为H，宽度为W，隧道距边坡坡顶垂线的距离为D.预设C/H=0.764，假定Model a, Model b, Model c 3 个破坏模型，其对应的D/W值分别为0.378, 0.251和0.124，见图3.

图3 新建隧道位置示意

采用数值方式建立模型，其尺寸为100.0 m(长)×54.2 m(宽)×52.7 m(高)，上方为宽10 m 的道路，其临近边坡的垂直高度38.1 m，预设坡角为82°，如图4 所示.

图4 数值模型三维尺寸/m

新建隧道从X轴负向全断面开挖，采用强度等级为C25 的混凝土进行喷射，厚度100 mm.此外，根据现场调研情况得知，无法在隧道施工期间封闭上覆道路，因此可将模型中的地表超载简化为对于道路面的均布荷载，根据前人研究结果[17]，本研究选取其大小分别为10, 20 和30 kPa3种情况进行分析.数值分析的基本条件设置如下：

1)计算时间为80 步，单步长为1，奇数计算步中对岩体开挖进行模拟，偶数计算步中则对支护结构生成进行模拟.

2)岩体及既有隧道回填混凝土模拟采用实体单元方式，衬砌结构模拟则采用壳单元方式.

3)本构模型采用摩尔-库伦(M-C)本构模型，衬砌与回填混凝土均为弹性本构模型，模型的主要计算参数见表2.

表2 本构模型参数

4)容许位移边界条件为在所有垂直网格边界上仅有垂直位移，沿网格底部边界没有垂直和水平位移但可以自由地沿最高边界移动，每个模型的单元总数约860 000.

3 数值模拟结果分析

由于隧道开挖会导致围岩应力场重新进行分布调整，因此围岩位移场也会随着二次应力的调整出现对应的分布规律.实际工程中一般更加关注围岩位移场的变化过程，因为围岩位移相比应力状态更加容易量测.图5 为D/W=0.378 时数据提取位置示意图（D/W= 0.251 及0.124 类似）。根据图5 可知，100 m 的隧道前90 m 被均分为3 段沉降研究线，第1 段30 m 处节点Line1 为既有隧道与新建隧道边墙交界处，第2 段节点Line 2 为既有隧道与新建隧道边墙小距离分离处，第3 段节点Line3 为既有隧道与新建隧道边墙大距离分离处.本研究重点对地表路面中心线 (Line A)，隧道左边墙中心外边坡坡面线(Line B)、既有隧道与新建隧道边墙分离交界处(Line 1)、既有隧道与新建隧道边墙小距离分离处(Line 2)及既有隧道与新建隧道边墙大距离分离处(Line 3)5 个关键位置的模拟结果进行综合对比分析.

图5 数据采集位置示意

3.1 地表纵向沉降

图6 为当C/H为0.764 时不同D/W对应的纵向地表沉降，图中10, 20 和30 kPa 表示地表荷载大小，htn 表示不回填既有隧道，而hty 表示回填既有隧道.如图6(a)所示，在相同的htn 条件下，不同地表荷载引起的纵向沉降曲线形态基本一致，地表荷载增加对应更大的沉降值，10, 20 和30 kPa荷载对应的最大沉降量分别为2.7, 5.2 和7.8 mm，而hty 条件下的沉降量却与htn 条件十分接近，说明在隧道开挖初期因既有隧道轮廓被新建隧道包括，因此回填对地表沉降的影响十分有限.而当既有隧道开始与新建隧道相交时，此时既有隧道回填对新建隧道的有效宽度产生影响，因此会进一步影响到围岩二次应力场与位移场的调整，故将该区域设为敏感区.当新建隧道开挖长度大于35 m 时，既有隧道回填与否引发的最大沉降差异位于65 m 处，即既有隧道与新建隧道产生分离的临界处，如图5 所示.3 个地表荷载下既有隧道回填后，与不回填时相比，沉降量分别降低了63.2%、48.5%及41.5%，较好地证实了既有隧道回填对地表沉降有控制作用.当既有隧道与新建隧道之间的距离逐渐扩大时，既有隧道对沉降影响程度迅速降低，因此该区域设为无影响区.与图6(a)相比，图6(b)所示的地表沉降规律与其基本一致，但由于在临坡面方向隧道开始产生偏移，既有隧道与新建隧道产生分离的临界位置与其回填对地表沉降产生的最大位置一致.另外，包括于新建隧道开挖面内的既有隧道长度有所减小，因此相比图6(a)，在90～100 m 的范围内，既有隧道是否进行回填对后期开挖引起的地表沉降差异更加显著.

对比图6(c)可知，沉降趋势出现了新规律：在既有隧道与新建隧道的重合区，地表沉降差异较小；当新建隧道与既有隧道分离后，沉降差异显著增加，既有隧道回填加剧了地表变形，其主要原因是新建隧道的D/W比过小，临坡岩柱厚度成为此时新建隧道稳定的主控因素.当新建隧道开挖后边坡岩柱向隧道内部产生位移，而围岩侧向变形又受到隧道上部围岩的沉降变形协调制约.因此，当既有隧道被回填时，隧道的横跨度减小，此时C/H比远高于D/W比，导致地表沉降受侧向变形影响更大，沉降量也越大；反之，既有隧道不回填时可等效为增加隧道的跨度，增大的C/H比增加了其对侧向变形的抑制能力，此时沉降量反而降低.经过多次试算，可以确定，当C/H=0.764 时，D/W=0.16 是地表沉降出现相反规律的临界位置.

图6 不同模型的地表纵向沉降

3.2 地表横向沉降

已有类似地表沉降研究的结果显示，单洞开挖引发的最大沉降处基本均在隧道轴线位置.因为了更好地反映相交隧道对地表变形的相关影响，本文进一步对地表的横向沉降规律进行分析.如图5 所示，从开挖方向每隔30 m 设置1 条沉降研究线，3 条线分别对应了新建隧道与既有隧道临界分离、小距离分离及大距离分离3 个特殊空间位置.3 个破坏模型对应的地表横向沉降见图7～图9，各图中以隧道中心线为零点，既有隧道回填时的最大沉降出现在隧道中心线，其不回填时的最大沉降一般出现在隧道中心线右侧.

图7 模型在D/W=0.378 时地表横向沉降

图8 模型在D/W=0.251 时地表横向沉降

图9 模型在D/W=0.124 时地表横向沉降

由图7 可知，随着地表荷载的增大，地表横向沉降量也随之增大，沉降曲线呈现槽形.由图7(a)可知，此时既有隧道回填对地表沉降量存在以下显著影响：未回填时最大沉降量11.6 mm 左右，而回填时沉降量仅有8.3 mm，产生了28.4%的折减，而在Line 2 处回填产生的折减量约为20%，在Line 3 处折减程度亦逐渐降低，因此可推测既有隧道距新建隧道的距离同样显著影响着沉降量的大小.另外，当新建隧道的中心线与道路中心线重合时(D/W=0.378)，在hty 条件下沉降槽曲线对称轴与隧道中心线及道路中心重合，而在htn 条件下沉降曲线对称轴向既有隧道方向发生偏移.随着新建隧道与既有隧道的不断分离，相应产生的地表沉降量也不断降低，最终Line 3处最大沉降量在7.6 mm 左右.

类似的现象也在图8 中出现，在htn 条件下对应的最大沉降量可达到14 mm，但Line 2 和Line 3 的最大沉降量与图9 相比变化并不显著，这再次表明保持C/H恒等于0.764，新建隧道与既有隧道相交区域(Line 1)是影响地表沉降变化的敏感区.对照图8(a)和图7(a)还可发现，降低D/W时，沉降量仅在htn 条件下受到显著影响，这是因htn 条件下Line 1 处隧道有效跨度不一致所致，可见此时htn 是影响沉降的敏感性因素.

当D/W=0.251 时，由于隧道轴线偏离，造成Line 1 和Line 2 在hty 条件下沉降曲线对称轴偏向道路中心线左侧.而在htn 条件下沉降曲线对称轴偏向道路中心线右侧.与此同时，新建隧道断面尺寸远大于既有隧道，使得沉降曲线对称轴的偏心距在htn 条件下，与hty 条件的情况相比，出现了明显差距.而Line 3 中的全部沉降曲线的对称轴与隧道中心重合，依旧位于道路中心线左侧区域，此时沉降量大小仅受地表荷载的影响.

图9 所示沉降规律与图7 和8 的不同，造成差异的原因已在前文解释.由图9 可知，随D/W进一步减小，hty 条件下沉降曲线对称轴与道路中心线的偏距进一步增大，此时htn 条件下沉降槽曲线的对称轴位置却介于二者之间.沉降量与沉降趋势的突变说明在C/H=0.764 条件下D/W必然存在一个临界值导致沉降规律产生突变，经反复试算，基本可以确定临界D/W约为0.16.由此说明，地表最大沉降量不单纯只受C/H控制，还受D/W影响，二者共同决定了沉降的大小.因此，根据沉降量大小可直接判定Model c 不宜列入可行施工方案的考虑范畴.

3.3 边坡侧向变形

图10 所反映的边坡变形趋势与地表纵向沉降规律类似，这是由于围岩的连续协调变形导致的，边坡变形趋势也再次说明2 洞的相交区域是影响地表沉降与边坡变形的敏感区.随着D/W比值的降低，非扰动区与相互作用区域的分界线也沿着开挖方向反向移动，故需要通过不同条件下的边坡变形量进一步选出可行的施工方案.

图10 不同模型的边坡侧向变形

3.4 施工方案对比

为保证工程安全，地表沉降上限标准设置为10 mm，边坡侧向最大变形不得超过5.5 mm.18个模型的计算结果汇总如表3 所示.

由表3 可知，根据地表沉降量与边坡变形的上限要求，加粗字体所示的模型均可初步满足施工要求.但是，由于模型中考虑了3 个地表荷载的大小：10 kPa 荷载对应较小的深夜交通荷载，20 kPa 对应日常的交通荷载，30 kPa 对应严重交通荷载(主要为重型满载卡车荷载，包括本工程建筑材料与渣土的运入和运出).因此除Model c 外，其余模型在10 kPa 荷载下的安全要求均可满足，而在20 kPa 荷载下需对既有隧道进行回填方可满足，无模型满足30 kPa 荷载下的安全要求.同时，由于现场交通流量大，难以在施工期间进行交通管制，从工程安全角度应考虑最大地表荷载.因此，Model a (hty 条件)是全部模型中唯一可行的模型，现场必须严格按照Model a 进行新建隧道的施工，并做好相关监测工作.

表3 全部模型位移计算结果汇总

3.5 数值模拟与现场监测结果对比分析

为保证工程安全，应验证模拟结果的正确性，现场对边坡、地表道路以及隧道围岩的变形进行了长期实时监测，具体测点位置见图11.

图11 现场测点位置示意

在开挖距离为30 m 时，地表设置1 条横向沉降监测线，包括10 个测点(完全对应数值模型的Line 1).采用智能全站仪在Line 1 正下方隧道边墙外边坡面处布设测点P1，监测边坡水平变形；隧道左、右边墙分别布设测点P2 和P4，监测边墙水平位移；隧道顶部布设测点P3.同理，在数值模型中Line 2 处同样布设1 条监测线(10 个测点)，对应的边坡及隧道内部测点编号依次为P5～P8，Line3 以此类推.根据模拟结果将变形最大的关键区域选为监测点的布置区域，因此监测结果是极具代表性的.

对于边坡与地表沉降的变形监测，隧道施工前就已将测点安设，而隧道围岩变形监测只能在隧道开挖后尽快设置.由于现场无法获得围岩全过程的变形曲线，因此可以根据围岩开挖轮廓线近似将未监测到的位移反映在监测曲线中.图12(a)所示为较完整的监测数据，图12(b)～图12(d)仅显示围岩开挖后的相对位移.由图12 可知，影响围岩及边坡变形的决定性阶段为隧道工作面接近阶段[12].全部监测值均低于对应的模拟结果，其中边坡稳定变形监测值要低出模拟值约20%，隧道围岩变形的最终稳定变形监测值均低于隧道变形的上限要求[6]，这说明围岩真实的平均力学参数要高于模拟选用参数.因此，监测结果不仅证明了模拟结果的正确性，同时还说明工程安全程度获得了额外的富余.

图12 隧道围岩及边坡变形监测对比

图13 为地表横向沉降结果.由图13 可知，

图13 地表道路最终沉降监测对比

由于数值模型地表荷载以及新建隧道位置相对道路中心呈对称分布，因此模拟得到的沉降槽曲线也呈现对称形态.而在实际监测中，地表道路因年久失修，道路右侧路面情况较差，因此在允许条件下车辆均会选择左侧车道通行(在国内，车辆靠右行驶，沿开挖方向右侧即为右车道)，故实际的地表荷载存在一定程度的偏压问题，导致监测曲线形态不对称，左侧监测值要稍稍高于模拟值，但整体趋势基本吻合，最终最大沉降量完全满足施工控制要求.

5 结论

1)数值计算结果显示，除Model c 外，其余模型受既有隧道回填影响的敏感区域均位于纵向Line 1 区域；随着新建隧道与既有隧道逐渐分离，Line 2 和 Line 3 区域受此类影响不断降低；模拟结果还呈现出既有隧道回填对降低地表沉降的积极作用.

2)工程中将地表沉降上限标准设置为10 mm，边坡侧向最大变形不得超过5.5 mm.将安全变形的上限要求与对应模拟结果进行对比后发现，除Model c 外，其余模型在10 kPa 荷载下的安全要求均可满足，而在20 kPa 荷载下需对既有隧道进行回填方可满足，无模型满足30 kPa 荷载下的安全要求.同时由于现场交通流量大，难以在施工期间进行交通管制，从工程安全角度出发，需要考虑最大地表荷载.因此，Model a (hty 条件)是全部模型中唯一可行的，现场可采用Model a进行施工.

3)Model a 模拟结果与监测结果对比显示，隧道工作面接近阶段是影响围岩及边坡变形的决定性阶段.地表横向沉降的监测结果因地表荷载的变化与模拟结果在分布形态上有些许差异，但整体上看，最终最大沉降量满足施工控制要求.这不仅证明了模拟结果的正确性，同时说明工程的安全程度有一定的富余.