并排差时施工涉水隧道开挖变形影响模拟分析

艾麦尔江·麦麦提敏

(和田鼎晟工程试验检测有限公司，新疆 和田 848000)

0 引 言

隧道工程中的土体开挖会导致土体应力重分布，进而引起隧道周围土体及建构筑物的变形，已引起隧道建设者的高度关注。李钊等等分析了隧道台阶法施工上台阶长度对隧道变形的影响[1]。邵俊杰等等基于变形分级推导了一种隧道变形计算方法[2]。姚宏波等提出了考虑空间效应的软土隧道上方卸荷变形分析方法[3]。罗跃春等分析了软土地区盾构隧道变形特征[4]。江杰等分析了地面堆载对邻近地铁隧道变形的影响[5]。郭磊等分析了地面堆载条件下，软土地层盾构隧道变形特征[6]。郭海峰等研究了施工荷载作用下邻近地铁隧道变形机理[7]。刘士海等研究了新建斜交下穿隧道对既有盾构隧道的变形影响[8]。然而，上述研究对并排差时施工隧道开挖变形影响却鲜有报道，文章通过有限元模拟分析，探究并排差时施工涉水隧道开挖变形影响，为隧道工程设计和施工提供参考。

1 工程概况

某差时施工双隧道开挖半径均为2.5m，埋深均为12.5m，衬砌厚度0.35m，地层自上至下分布为：黏土，厚度5.0m，粉土、厚度15.0m，余下为砂卵石。现场勘察结果表明，该场地地下水稳定水位埋深为4.1-6.0m，平均埋深5.0m。室内水质分析结果表明，场地地下水不具有腐蚀性。

2 数值模拟

为提供分析精度，采用15节点高精度三角形单元的离散模型，同时使用中等粗糙程度的网格进行模拟，并将隧道开挖过程中对周围土体的扰动计算到模型中。考虑到模型边界的影响，建模时，模型宽度取为40m，高度为30m，衬砌厚度为0.35m，地下水位取5.0m。数值模型边界变形条件为：模型左、右两侧仅允许发生竖向变形，底部为固定边界(不发生变形)。有限元模型示意图如图1所示。模型参数详见表1和表2。

图1 有限元模型示意图

表1 土层参数

表2 初衬材料参数

3 模拟结果分析

3.1 左侧隧道施工后变形结果分析

图2为左侧隧道施工后竖向变形图。图3左侧隧道施工后水平向变形图。

图2 左侧隧道施工后竖向变形图

由图2可知，左侧隧道施工后，隧道上方土体出现沉降，且越靠近隧道顶部土体沉降越大，达到1mm，以隧道顶部顶点对应的竖直面为对称轴，竖向变形呈对称分布规律，沉降数值较大的区域集中在隧道顶部上方较窄区域，离隧道竖直面越远沉降量越小，甚至在较远的地方出现隆起的趋势(变形量为正值)。隧道下方土体出现隆起，隆起区域集中于隧道下方较小区域，且离隧道下方越近，土体隆起量越大，最大隆起量为1.4mm，这是隧道土体开挖后应力释放土体出现反弹的缘故。

图3 左侧隧道施工后水平向变形图

由图3可知，左侧隧道土体开挖后，隧道水平向土体向开挖土体区域移动，当隧道施加衬砌后，隧道水平向土体分别出现背离土体挖除区域方向水平位移的趋势，且距离隧道越远水平位移量越小，约为1mm，且以隧道为中心，水平方向上位移呈对称分布的规律，这是隧道衬砌与土体相互作用的结果。

3.2 右侧隧道施工后变形结果分析

图4为右侧隧道施工后竖向变形图。图5右侧隧道施工后水平向变形图。

图4 右侧隧道施工后竖向变形图

由图4可知，右侧隧道施工后，右侧隧道上方土体出现沉降，且越靠近隧道顶部土体沉降越大，达到0.8mm，以隧道顶部顶点对应的竖直面为对称轴，竖向变形未呈现明显地对称规律，沉降数值较大的区域集中在隧道顶部上方较窄区域，离隧道竖直面越远沉降量越小，甚至在较远的地方出现隆起的趋势(变形量为正值)。隧道下方土体出现隆起，隆起区域集中于隧道下方较小区域，且离隧道下方越近，土体隆起量越大，最大隆起量为1.6mm，这是隧道土体开挖后应力释放土体出现反弹的缘故。

图5 右侧隧道施工后水平向变形图

由图5可知，右侧隧道土体开挖后，隧道水平向土体向开挖土体区域移动，当隧道施加衬砌后，隧道水平向土体分别出现背离土体挖除区域方向水平位移的趋势，且距离隧道越远水平位移量越小，左右侧隧道最大水平位移量分别为为1.4mm和1.2mm，且位移主要发生在隧道的外侧且呈对称分布。

3.3 差时隧道施工后变形总体分析

由于左右侧隧道开挖时存在时差，右侧隧道的开挖导致左侧隧道同一位置沉降量略有增加，并且左侧隧道上方沉降无明显对称分布规律，这是左右侧隧道衬砌与土体相互作用的结果。左右侧隧道上方共同作用区域还出现了明显的土拱，该土拱区域土体表现出明显的隆起，即土拱的出现对对应位置上方土体的沉降起到了缓冲作用，进而减小了衬砌上部压应力。差时隧道施工时，水平方向变形影响>竖直方向。

4 结 论

1)右侧隧道(后施工隧道)施工后，右侧隧道上方土体出现沉降，且越靠近隧道顶部土体沉降越大，以隧道顶部顶点对应的竖直面为对称轴，竖向变形未呈现明显地对称规律，沉降数值较大的区域集中在隧道顶部上方较窄区域，离隧道竖直面越远沉降量越小，甚至在较远的地方出现隆起的趋势(变形量为正值)。隧道下方土体出现隆起，隆起区域集中于隧道下方较小区域，且离隧道下方越近，土体隆起量越大，这是隧道土体开挖后应力释放土体出现反弹的缘故。右侧隧道土体开挖后，隧道水平向土体向开挖土体区域移动，当隧道施加衬砌后，隧道水平向土体分别出现背离土体挖除区域方向水平位移的趋势，且距离隧道越远水平位移量越小且位移主要发生在隧道的外侧且呈对称分布。

2)左右侧隧道开挖时存在时差，右侧隧道的开挖导致左侧隧道同一位置沉降量略有增加，并且左侧隧道上方沉降无明显对称分布规律，这是左右侧隧道衬砌与土体相互作用的结果。

3)左右侧隧道上方共同作用区域出现了明显的土拱，该土拱区域土体表现出明显的隆起，即土拱的出现对对应位置上方土体的沉降起到了缓冲作用，进而减小了衬砌上部压应力。

4)差时隧道施工时，水平方向变形影响>竖直方向。