新建隧道開挖對既有偏壓隧道的影響研究

劉斌

摘要：新建隧道鄰近既有隧道施工可能會引起既有隧道結構的較大變形，甚至造成重大事故，這在鄰近隧道是淺埋偏壓隧道時風險更大。文章依托廣西某新建公路隧道的實際情況，使用數值模擬方法計算其開挖對既有隧道應力和變形的影響。結果表明：沿既有隧道縱向，變形最大位置出現在起始開挖斷面；沿既有隧道橫向，應力變形在斷面上反對稱分布，變形和應力的最大位置在右側拱腳處，需加強相應防護監控措施。

關鍵詞：隧道工程；偏壓隧道；數值模擬；應力分析；變形分析

中圖分類號：U452.1+3 A 47 155 4

0 引言

新建隧道鄰近既有隧道施工可能會引起隧道結構的大變形甚至重大事故［1］，潛在的安全風險較大，如不能合理地分析相應影響，造成的經濟損失和社會影響難以估計，有必要對新建隧道開挖對既有隧道的應力變形影響展開分析。

有許多專家學者開展了研究。譚忠盛等［2］結合株六鐵路復線關寨隧道的施工爆破進行實例分析，分析其對既有隧道的影響；鄭剛等［3］分析了基坑開挖引起鄰近既有隧道變形的影響區域；黃德中等［4］使用離心模型試驗結合現場實測分析了既有隧道在盾構上穿越過程中縱向變形與時程曲線的變化規律；潘曉馬、盧岱岳等［5-6］各自結合數值模擬手段，對新建隧道施工對鄰近既有隧道安全性影響進行了分析；杜立兵等［7］基于斷裂力學的Griffith準則，提出了判定襯砌開裂的開裂安全系數CF，結合ANSYS軟件分析交叉隧道的襯砌安全性；陶連金等［8］采用Midas GTS NX軟件對下穿施工過程進行數值模擬，通過實際工程驗證，鎖扣管幕與深孔注漿支護體系在控制既有結構沉降方面效果良好。許多專家的對鄰近和下穿工程等方面有較好的分析處理思路，但現場的實際情況總是復雜多變，本文所探討的對既有淺埋偏壓隧道的分析以往鮮有涉及，缺少相關參考，而且這種復雜情況下的隧道，其安全風險往往更大，需要開展新建隧道開挖對既有淺埋偏壓隧道的影響研究。

基于此，本文依托某新建高速公路的實際工程情況，通過數值模擬計算手段，對其開挖過程中對既有隧道影響的應力變形影響展開研究，指明沿既有隧道縱向和橫向的最危險斷面和最危險位置，以期給類似工程提供參考。

1 工程概況

某新建公路隧道全長1 018 m，最大埋深54 m，與其左側某既有隧道最小凈距30 m，兩座隧道的區域地質資料與現場勘探揭露顯示地層巖性主要為侏羅系下統門口山組（J1m）、石炭系下統梓山組（C1z）、泥盆系上統佘田橋組（D3s），此外還有地表分布的第四系巖石，隧道周邊圍巖主要由弱風化變質泥巖和砂巖組成，巖質較軟，節理裂隙較發育，巖體較完整，經綜合評定其主要穿越段為Ⅴ級圍巖。

既有隧道輪廓線距地表最淺處約30 m（位于隧道左側拱肩處），存在偏壓現象，采用復合式襯砌，初支噴混為20 cm厚C20混凝土，二襯為厚35 cm的C30鋼筋混凝土。新建隧道采用新奧法施工，由于圍巖條件較差，結合現場實際情況，采用上下臺階法施工。新建隧道采用復合式襯砌結構，初期支護采用20 cm厚C20混凝土噴混，含鋼拱架，縱向間距50 cm，2榀鋼拱架間用鋼筋連接，掛6 mm鋼筋網，二次襯砌采用30 cm厚C30鋼筋混凝土。

2 數值模擬計算與結果分析

采用Abaqus數值模擬軟件對新建隧道的開挖過程進行數值模擬研究，模擬考慮實際情況，計算分析新建隧道的開挖過程對既有隧道襯砌的應力分布、關鍵點（拱頂、拱肩、拱腳等）的變形情況，以及對圍巖的塑性破壞區分布情況的影響，以指導開展相應的控制措施，保障施工過程安全。

2.1 計算模型的建立與參數選取

Abaqus模擬過程考慮新建隧道開挖的實際過程，建立相應的模型如圖1所示，圖中標注了相應的坐標軸情況。模型的建立考慮邊界效應的影響，隧道距左右兩側和下側的模型邊界距離為3～5倍隧道洞徑，上部根據實際地表進行簡化處理，最終確定的模型尺寸長×寬×高

為30 m×120 m×100 m。模型邊界約束情況為：左右兩側約束X方向位移，前后面約束Z向位移，底部三向位移全部約束，上部為自由表面。隧道模型的構建考慮了其初期支護和二襯情況，初襯中的鋼拱架以剛度貢獻的方式折合到噴射混凝土中。襯砌采用彈性模型計算，圍巖采用D-P準則計算。根據隧道的地勘資料和《公路隧道設計規范》（JDG D70-2004），圍巖和支護材料參數如表1所示。

新建隧道施工考慮6 m為一循環開挖進尺，一共5次開挖循環，整個模擬過程的計算順序為：初始地應力平衡→既有隧道的開挖與支護（s0）→新建隧道第一循環開挖支護（s1）→新建隧道第二循環開挖支護（s2）→…→新建隧道第五循環開挖支護（s5）。為分析新建隧道的循環開挖過程對既有隧道應力和位移的影響，需重點關注如圖2所示的關鍵點應力位移變化。

2.2 結果與分析

2.2.1 應力特征

新建隧道開挖后，既有隧道襯砌結構的應力狀態會發生改變，襯砌的應力分布狀態是分析隧道穩定性的重要分析指標。這里使用Abaqus軟件中的Mises等效應力進行分析，這是遵循材料力學第四強度理論的等效應力，可以對圍巖的屈服破壞情況進行分析。

如圖3所示是部分步序下的既有隧道Mises應力云圖，可以看到，新建隧道的應力最大值出現在隧道的右側拱腳，最小值在右側拱肩。隨著開挖的進行，應力最大值不斷增加，從20.83 MPa增加到21.16 MPa，右側拱腳始終是最大應力的最危險位置，應采取相應防護措施，保證既有隧道的結構安全。

圖4展示了各關鍵點位置的應力變化比例（現應力值/未開挖應力值）。通過圖4可以看出，隨新建隧道開挖，拱頂的應力下降速度最快，右側拱肩應力減小、拱腳應力增加，左側拱肩應力增加、拱腳應力減??；應力增加速度最快的位置是左拱肩，施工過程須多注意相應位置安全。這種應力扭曲變化的現象是偏壓與右側既有隧道開挖共同影響導致的結果，有威脅既有隧道結構安全的風險。

2.2.2 變形特征

新建隧道開挖后，會引起既有隧道產生變形，較大的變形量，尤其是較大的沉降量會改變隧道的凈空結構，影響既有隧道安全，隧道的沉降量分析是其穩定性分析的重要指標。將右側新建隧道開挖后的沉降值減去初始的沉降值，繪制得到部分工序情況下的既有隧道沉降量變化云圖，如圖5所示。

由圖5可以看出，既有隧道右側拱腳和左側拱肩部位的下沉量變化最大，隨著開挖步序的不斷進行而向隧道內延伸擴展，這兩個位置的變形變化是監控量測需關注的重點部位。除此之外，隧道拱頂由于位置特殊，其下沉量往往受到關注，根據模擬結果，繪制了沿既有隧道縱向拱頂沉降量的變化曲線，如圖6所示。

由圖6可以看出，沿既有隧道縱向的拱頂沉降變形最大位置為模型X=0 m斷面的位置，此處既有隧道襯砌暴露時間最長，開挖步序的進行最終會使整體的拱頂沉降值略有減小。除拱頂點外，其他關鍵點位置的沉降也須進行分析，確定斷面變形最大位置。圖7所示為不同步序下的各關鍵點沉降量變形變化率（現變形值/未開挖變形值）曲線。

從圖7可以看出，關鍵點中沉降變化最大的點是右側的拱腳點，這和應力的計算分析結果是一致的，右側拱腳是新建隧道開挖過程中對既有隧道影響最大的位置，必須在施工過程采取相應的防護措施，減少影響。

3 結語

通過數值模擬計算，對新建隧道開挖對既有淺埋偏壓隧道應力和變形的影響進行了分析，得出以下結論：

（1）從應力角度來看，新建隧道開挖后拱頂應力有所減??；右側拱肩應力減小、拱腳應力增加，左側拱肩應力增加、拱腳應力減小，呈現反對稱趨勢，這和地層的偏壓結構與兩隧道間的位置關系有關。應力最大位置為右拱腳，應力變化率最大位置為左拱肩。

（2）從位移角度看，既有隧道右側拱腳和左側拱肩部位的下沉量變化最大，隨著開挖步序的不斷進行而向隧道內延伸擴展，沿既有隧道縱向的拱頂沉降變形最大位置為模型X=0 m斷面的位置，此處既有隧道襯砌暴露時間最長，關鍵點中沉降變化最大的是右側拱腳點。

（3）綜合應力位移結果來看，新建隧道開挖過程中最應加強監控處理的位置為既有隧道的右側拱腳點，以保障既有隧道的結構安全。

參考文獻

［1］李新偉，趙占群.新建市政道路施工對地鐵隧道結構的安全影響分析［J］.中國水運，2023（1）：144-146.

［2］譚忠盛，楊小林，王夢恕.復線隧道施工爆破對既有隧道的影響分析［J］.巖石力學與工程學報，2003（2）：281-285.

［3］鄭 剛，杜一鳴，刁 鈺，等.基坑開挖引起鄰近既有隧道變形的影響區研究［J］.巖土工程學報，2016，38（4）：599-612.

［4］黃德中，馬險峰，王俊淞，等.軟土地區盾構上穿越既有隧道的離心模擬研究［J］.巖土工程學報，2012，34（3）：520-527.

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［7］杜立兵，嚴松宏，蔡白潔.小凈距空間交叉隧道臺階法施工安全性研究［J］.隧道建設，2013，33（5）：378-382.

［8］陶連金，田治旺，車彥文，等.礦山法隧道下穿既有盾構隧道微變形控制技術［J］.鐵道建筑，2017（5）：67-70.

收稿日期：2023-08-30