新建草莓沟2号隧道近接下穿既有隧道施工安全影响分析*

王 兵

(中铁十六局集团地铁工程有限公司，北京100023)

0 引言

近接交叠隧道为隧道线路规划了新的空间，但其施工产生的地层扰动给既有隧道带来结构安全等问题。

从大量工程案例中发现，近接下穿隧道施工产生的开挖扰动影响区域存在一定分布规律[1-6]。石杰红等[7-8]对4种不同施工方案引起的地表沉降进行比较，并采用数值分析的方法对地铁隧道进行安全性研究，发现其两侧土层较软而中心土层较硬，故卸荷后的基坑中部回弹量较小，使基底的回弹曲线呈明显的驼峰形变化；林志军[9]对盾构下穿施工过程中的施工影响因素及施工措施分别进行研究，发现不同围岩条件会改变高铁隧道结构纵向正应力增量，正应力增量及不同的土船压力、注架压力等施工参数均会影响盾构下穿施工。近接施工方面，仇文革[10]通过深入分析弹性力学、塑性力学、岩土力学等相关物理力学原理与基本理论，揭示临近施工中的作用机制，并提出针对开挖施工的影响线设定方法，建立地基-围岩一体化模型；郑余朝[11]研究不同分区对地表沉降的预测，进一步获得埋深比等不同影响参数的比值；吴克新[12]研究在下穿施工中不同地层、不同开挖方式、不同加固方案的交叠隧道开挖过程中的力学响应，进而对变形机理、破坏机理及特征进行分析；贺琦[13]研究不同路线的隧道下穿上部结构时原有围岩的受力变化及其对支护的影响规律，得出交叉段供水隧洞衬砌因开挖产生的附加拉应力及附加压应力的分布规律，确定最大附加拉、压应力值及作用位置；文献[14-15]基于不同结构体的受力，分析下穿施工对上部已有隧道的稳定性影响，得出在建隧道的围岩压力10 d内基本稳定,拱腰位置围岩压力较大,右侧拱腰最大为0.2 MPa,之后缓慢减小并趋于稳定。

目前，关于精确预测近接下穿施工引起的地层变形、确定近接下穿施工影响区域的研究还较少，故本文以新建草莓沟2号隧道下穿既有丹汤公路盘道岭隧道工程为研究背景，利用有限元方法对近接下穿施工过程进行数值模拟，对开挖施工引起的既有隧道的位移、应力增量变化进行深入分析。研究方法和技术方案可为合理预测工程施工及既有隧道安全性提供必要的技术支持。

1 工程概况

新建草莓沟2号隧道下穿既有丹汤公路盘道岭隧道位于丹东市西北，全长为620 m，新建草莓沟2号隧道在桩号TJLDK158+161处下穿既有丹汤公路盘道岭右线隧道，如图1所示。2条隧道结构净距4.47 m，交叉段K5+146～K5+184为V类围岩，岩体较为破碎。对既有隧道进行安全检测后，评定所检查范围(下穿段附近)内的隧道技术状况等级为B级。需提及的是，新建隧道采用三台阶施工方法，台阶长度为4 m，开挖进尺为1 m。

图1 隧道下穿示意

2 隧道变形预测及安全判别准则

大量国内外近接施工案例表明，既有隧道在受新建施工影响后结构呈现一定的柔性变形特征[11]，故一般认为可将线弹性分析方法应用于近接施工问题分析中。本文基于E.Winkle地基梁方程对其予以深入分析，其变形的挠曲微分方程形式如式(1)所示：

(1)

式中：EI为地基梁的刚度；x，y为沿着地基梁的横向和纵向；k为地基系数，kPa/m。

则附加力q(x)如式(2)所示：

q(x)=KbWd

(2)

式中：Kb为地层位移刚度系数；Wd为地层受扰动之后的位移，m。

地层沉降的预测采用Peck公式，如式(3)～(4)所示：

(3)

(4)

式中：S，Smax分别为沉降预测值与最大沉降预测值，m；i为齐次方程解的虚数项；Wd为地层沉降量，m；Wd,max为地层的最大沉降量，m；id为地层的沉降槽宽度系数。

由于既有隧道的沉降表现出的柔性特征，认为其沉降曲线形式与地层沉降曲线相同，如式(5)所示：

(5)

式中：Ws,max为隧道的最大沉降量，m；Ws为原有隧道的沉降位移，m。is为隧道的沉降槽宽度系数。

将式(4)～(5)带入式(3)中，进行麦克劳林展开得式(6)：

(6)

解得式(7)：

(7)

沉降槽宽度系数间的关系为式(8)：

(8)

得出隧道的沉降预测公式，如式(9)所示：

(9)

综上，通过式(9)可以预测既有隧道的竖向沉降变化，进而通过相应的安全判别准则及阈值来判断既有隧道结构受近接施工影响程度，从而在实际工程中采取相应的加固措施。

表1 衬砌应力增加的容许值

3 模拟计算结果

采用有限元软件对近接下穿施工过程进行数值模拟，模型中岩体采用Drucker-Prager模型。隧道的开挖与支护可通过模型单元活化与湮灭予以模拟，且不同的支护及衬砌可通过单元再分析予以模拟。模型如图2所示，相关参数见表2。

表2 物理力学性质

图2 数值模型

3.1 位移分析

提取近接下穿施工完成后隧道结构的竖向位移云图，如图3所示。

由图3可知，既有隧道结构距离下部新建隧道越近，结构沉降位移越大，在隧道交叠处竖向沉降有最大值。

图3 2条隧道纵向位移云图

通过设置在隧道左拱脚、左拱腰、拱底、右拱脚及右拱腰的监测点，可获得下穿隧道施工过程中既有隧道结构的位移变化曲线，如图4所示。

由图4可知，隧道结构拱底、拱腰和拱脚的竖向沉降有明显差异。其中，“隧道中断面”为既有隧道与新建隧道空间交叉处既有隧道断面。与施工掌子面先行接触的右拱脚和右拱腰最先产生沉降，与施工掌子面后接触的左拱脚和左拱腰后发生沉降。当新建隧道贯通时，既有隧道在拱底沉降最大，左右拱腰部位沉降最小，拱腰最大沉降量仅为1.01 mm。

开挖过程中既有结构拱底沉降如图5所示。其中，“小桩号”指的是在施工过程中，沿程标示为较小数量值的桩号。

图5 拱底沉降曲线

借助式(5)～(6)可得到沉降槽宽度为31.75 mm，由隧道的相对曲变得出允许的最大沉降量为5i/5 000=6.35 mm。由图5可知，数值模拟中拱底的最大沉降量为1.33 mm，远小于沉降控制阈值6.35 mm，即从位移的角度认为既有隧道受到影响较小，结构安全。

3.2 横向不均匀沉降

除纵向沉降变形外，近接下穿施工过程隧道断面亦出现明显的横向不均匀沉降。不同进尺下的横向变形如图6所示，其中Uz为纵向沉降，mm；Ux为横向沉降，mm。

新建隧道下穿过程中，既有隧道横断面各部分沉降有明显差异，近处拱腰和拱脚先发生沉降，开挖贯通后既有隧道中线开挖断面下方沉降量最大；当下穿贯通后，纵向下沉产生于隧道横断面处。

由图6可知，各断面衬砌的收敛量差异明显。中断面的收敛图为先扩展后压缩，且断面压缩趋势随着施工开挖逐渐减小，如图7所示。由图7可知，中断面处以及距离中断面小于10 m处的断面收敛量变化较大，此处的施工作业对于隧道断面的收敛变化影响更为显著。下部隧道贯通后各断面的收敛情况如图8所示。由图8可知，隧道断面最终的收敛量随着距离中断面距离的增加，呈现出先减小再增大的趋势；在距离中断面15 m处有1个峰值收敛点，结合图7表明此处的收敛量变化显著，在后续施工作业中需予以重视。

图6 既有隧道差异沉降

图7 断面收敛曲线

图8 断面最终收敛量

3.3 应力增量分析

既有隧道中断面应力增量定义为：在新建隧道施工过程中，既有隧道中断面某测点第n施工步与第n-1施工步的应力差。

对于衬砌横向，其受力一般为受拉。既有隧道中断面12 m处的右拱脚受拉应力最大；随着掌子面开挖，其右拱脚处拉应力增量趋于稳定。新建隧道施工过程横向应力增量如图9所示。

图9 中断面横向应力增量曲线

纵向应力增量表现为压应力增量，最大压应力增量为0.5 MPa，远小于压应力控制阈值，纵向应力增量如图10所示。

图10 中断面纵向应力增量曲线

从位移和应力增量的角度分析既有隧道受下穿施工影响的变化程度，最大拉应力增量0.86 MPa，小于拉应力控制阈值1 MPa，最大压应力增量0.5 MPa，远小于控制阈值5 MPa，可以预测既有隧道在下穿施工过程中受到的影响较弱，既有隧道安全稳定。

新建隧道可以顺利通过，但在施工过程中应确保监测频率，及时反馈监控数据，保证既有隧道的绝对安全稳定。

4 结论

1)结合弹性地基理论和经典Peck公式可得出既有隧道受下穿施工影响的位移变化公式，可以由其判断既有隧道的受影响范围。

2)既有隧道结构在下穿隧道施工的影响下产生竖向和横向位移，且横向位移变形较竖向更为明显；结构的最大沉降量为1.33 mm，远小于沉降控制阈值6.35 mm。

3)新建隧道施工过程中，既有隧道中断面衬砌结构横向应力增量表现为拉应力增量，纵向应力增量表现为压应力增量；最大拉应力增量为0.86 MPa，小于拉应力控制阈值1 MPa；最大压应力增量为0.5 MPa，远小于控制阈值5 MPa。

4)综合既有隧道结构的沉降、应力增量分析结果可知，草莓沟2号隧道下穿施工过程中对盘道岭隧道的施工影响较小，既有隧道安全稳定。