興泉鐵路綠谷二號隧道上跨施工對既有福廈鐵路陳壩隧道影響研究

范德全

（中鐵二十四局集團福建鐵路建設有限公司，福建福州 350013）

0 引言

隨著中國交通運輸事業的快速發展，線路與線路間相互交叉愈加普遍，新建線路需穿越既有線路的情況越來越多［1-3］。隧道穿越施工不可避免地會對既有隧道結構造成影響，導致其變形產生及應力增加。若處理不當，對既有線路的運營安全將產生不利影響［4-5］。

近年來，針對新建線路上穿既有線路工程的相關研究較多［6-8］，而對于隧道上穿中由于開挖卸荷引起的既有隧道結構變形及穩定性研究還相對較少。Li 等［9］采用離心試驗模型研究了地鐵隧道上穿既有過江隧道，發現通過對既有隧道周圍土體進行注漿加固可減少地表豎向隆起值；王勇等［10］采用數值模擬方法，開展了重慶紅巖村大斷面公路隧道小凈距上跨施工對既有地鐵隧道的影響分析，得到軌道環線隧道二次襯砌的應力、變形的分布與變化規律；趙豐等［5］依托新建塔石嶺鐵路隧道上跨既有公路隧道工程，開展了隧道控制爆破安全距離研究；梁榮柱等［11］研究了新建隧道近距離上穿對既有地鐵隧道縱向變形的影響，給出了在新建隧道卸荷作用下估算既有隧道縱向變形的解析公式；王軍琪等［12］以西安地鐵3 號線太白南路站Ⅲ-C 至Ⅱ-B 間過街通道上跨既有隧道為依托工程，開展了黃土地區通道上跨既有地鐵隧道襯砌受力分析研究；賀美德［2］系統研究了淺埋暗挖隧道上穿既有盾構隧道的變形規律及受力情況，并提出了相應的變形控制措施。綜上可知，新建隧道上穿既有隧道的情況越來越多，如何確定新建隧道上穿對既有隧道結構的影響以及預測既有隧道的變形具有較強的理論研究和工程實際意義。

本文以興泉鐵路綠谷二號隧道上跨既有福廈鐵路陳壩隧道為背景，采用三維有限元數值模擬方法開展新建隧道施工對既有隧道內力及變形規律的影響研究，并對比分析數值模擬結果和實測結果，以期為類似工程施工提供一定的指導和借鑒。

1 工程概況

興泉鐵路綠谷二號隧道地處福建省惠安縣境內，隧道里程HLD1K18+242～HLD1K19+145，全長903 m，為單線隧道，隧道最大埋深54 m。陳壩隧道里程K1027+272～K1028+631，全長1 359 m，隧區內上覆地層為第四系全新統坡殘積層粉質黏土，下伏基巖為晚侏?世永興超單元花崗巖。綠谷二號隧道與陳壩隧道交叉點（興泉線里程HLD1K19+093.4=杭深線K1027+547），兩隧道結構最小凈距為23 m，與既有隧道夾角約為64°47′33″，綠谷二號隧道與陳壩隧道的平面及空間關系如圖1、2 所示。

圖1 綠谷二號隧道與陳壩隧道位置關系（單位：m）

2 上跨既有隧道施工數值模擬

2.1 計算模型及參數

采用Midas/GTS 軟件進行數值模擬，且按實際尺寸模擬，計算模型如圖2 所示，隧道左、右側和下方土體考慮3.5 倍隧道寬度，其尺寸為150 m×100 m×130 m，既有隧道拱底距離模型底部48 m，新建隧道拱腰距離模型側邊界45 m，斜交處新建隧道埋深約21.4 m，模型的上表面為地表，取為自由邊界；側面邊界水平位移受到約束，底面邊界為固定邊界。按照設計斷面Vc襯砌進行模擬（圖3），地層采用Mohr-Coulomb 準則，新建隧道襯砌和既有隧道初期支護采用3D 實體單元，既有隧道二襯采用板單元。

圖2 綠谷二號隧道（上）與陳壩隧道（下）近接段計算模型

圖3 隧道襯砌結構單元劃分圖

根據綠谷二號隧道與陳壩隧道的巖土工程地質勘查報告和設計資料，圍巖基本物理參數見表1，隧道結構材料參數見表2。

表1 花崗巖物理參數

表2 隧道材料參數

數值模擬過程中考慮的永久荷載包括初襯自重和地層壓力，隧道初襯自重按設計尺寸及材料標準重度計算確定，初始應力場由自重應力產生。不考慮淺埋隧道土體構造應力的影響，垂直地壓采用上覆土層的天然重度近似計算，水平地壓為垂直地壓乘以側土壓系數K0。

2.2 計算工況

綠谷二號隧道上跨陳壩隧道交叉段的施工在很大程度上會影響既有陳壩隧道結構的變形和應力分布。采用數值模擬時，先對既有隧道進行開挖，再對新建隧道進行開挖。其中，既有隧道為Ⅲ級復合式襯砌，采用全斷面法；新建上跨隧道為Vc型復合式襯砌，采用上下臺階法，具體計算工況如表3 所示。其中，結構和地層均按最不利分析，以對模型進一步簡化：陳壩隧道不考慮拱頂局部錨桿的作用，綠谷二號隧道不考慮超前支護的作用。

表3 計算工況

3 數值模擬結果及分析

3.1 既有陳壩隧道開挖分析

陳壩隧道為全斷面開挖，以下主要分析開挖完成后地層豎向應力、二襯結構的應力（即二次應力場）。二次應力場情況下位移已清零，上部隧道開挖產生的位移均為附加位移。

（1）豎向應力（二次應力場）

圖4 為陳壩隧道開挖完成后的豎向應力情況。

圖4 陳壩隧道開挖完成后的豎向應力（單位：kPa）

由圖4 可知：上部地層表現為受拉，最大值約為1.056 MPa，隧道周圍地層及下部地層均表現為受壓，壓應力最大值為8.674 MPa。

（2）二襯內力

陳壩隧道開挖完成后，分析其二次襯砌的橫向彎矩、橫向軸力和剪力，以便與上部隧道開挖后陳壩隧道的內力進行對比（圖5）。

圖5 陳壩隧道二襯內力分布

由圖5 可知：隧道開挖后，陳壩隧道的二襯整體表現為環向受壓，沿縱向每延米最大軸力為351.38 kN/m，彎矩表現為兩側拱腰為負彎矩，拱頂為正彎矩，最大彎矩為5.79 kN ?m/m，拱頂附近，最大剪力為11.29 kN/m。

3.2 綠谷二號隧道開挖對陳壩隧道的影響

分別開挖第10 m、30 m、40 m、50 m、100 m、150 m 時，對陳壩隧道二次襯砌的位移及內力值進行分析。根據位移協調原則，初期支護的位移與二襯一致，故不再分析。

3.2.1 綠谷二號隧道開挖對陳壩隧道的位移影響

（1）豎向位移

綠谷二號開挖對陳壩隧道二襯豎向位移的影響情況見圖6。由圖6 可知：綠谷二號開挖會導致斜交段既有陳壩隧道襯砌發生輕微隆起，影響范圍約60 m，且隨著開挖的進行，陳壩隧道頂部的隆起值先逐漸增大后略微減小，最大隆起量為1.04 mm，滿足豎向變形的要求，說明圍巖條件較好，上部隧道開挖對下部隧道的影響較小。

圖6 綠谷二號開挖對陳壩隧道二襯豎向位移的影響（單位：mm）

（2）水平位移

綠谷二號開挖對陳壩隧道二襯水平位移的影響情況如圖7 所示。由圖7 可知：綠谷二號開挖會導致斜交段既有陳壩隧道襯砌產生一定的附加水平位移，主要影響兩側拱腰，且隨著開挖的進行，該位移呈現逐漸增加的趨勢，最大值為0.254 mm，滿足水平變形的要求，說明圍巖條件較好，上部隧道開挖對下部隧道的影響較小。

圖7 綠谷二號開挖對陳壩隧道二襯水平位移的影響（單位：mm）

3.2.2 綠谷二號隧道開挖對陳壩隧道的內力影響

提取陳壩隧道的內力（環向），包括環向的軸力、彎矩和剪力，分別從開挖進度10 m、30 m、40 m、50 m、100 m、150 m 的角度進行分析。

（1）軸力

綠谷二號開挖對陳壩隧道二襯橫向軸力的影響情況如圖8 所示。由圖8 可知：既有隧道的軸力基本維持為348.6～348.8 kN/m，上部隧道的開挖對既有隧道的影響較小，整體上，隨著上部隧道的開挖先減小后增大，表現為壓力。部分地段存在輕微的拉應力，呈逐漸增大的趨勢，量值較小。上部隧道開挖后的軸力與原隧道開挖后的軸力351.38 kN/m 相比減小了0.74%。

圖8 綠谷二號開挖對陳壩隧道二襯橫向軸力的影響（單位：kN/m）

（2）彎矩

綠谷二號開挖對陳壩隧道二襯橫向彎矩的影響如圖9 所示。由圖9 可知：上部隧道開挖后，既有隧道二襯的橫向彎矩整體上變化也不明顯，既有隧道整體彎矩約為1 kN ?m/m，部分位置應力集中段達到5.4～5.7 kN ?m/m，整體上較小，與二次應力狀態下（5.79 kN ?m）相比減小了1.6%～6.7%。

圖9 綠谷二號開挖對陳壩隧道二襯橫向彎矩的影響（單位：km ?m/m）

（3）剪力

綠谷二號開挖對陳壩隧道二襯橫向剪力的影響情況如圖10 所示。由圖10 可知：上部隧道開挖后，既有隧道二襯的剪力變化規律與彎矩類似，整體剪力約為0.4 kN/m，部分應力集中點的剪力為10.42～11.12 kN/m，與陳壩隧道自身開挖后最大剪力值（11.29 kN/m）相比降低了1.5%～7.7%。

圖10 綠谷二號開挖對陳壩隧道二襯橫向剪力的影響（單位：kN/m）

3.3 既有隧道圍巖塑性區分析

綠谷二號開挖對陳壩隧道圍巖影響的塑性區變化云圖如圖11 所示。由圖11 可知：上部隧道開挖后，既有隧道的塑性區整體上變化不明顯，主要集中在兩邊的拱墻位置；當隧道開挖越接近既有隧道時，塑性區的變化有稍微增大的趨勢，但是變化很小，說明上部隧道開挖對下部隧道的塑性變形影響較小。

圖11 既有隧道圍巖塑性區變化云圖

3.4 既有隧道截面承載能力驗算

為了便于分析既有隧道內力的變化規律，分別提取既有隧道拱頂斜交段（最不利位置）的幾個單元的彎矩、軸力和剪力進行分析，對應測點分別為A～E（每個測點對應一個單元，單元縱向長度為3 m，以下計算表中內力均為每延米的值），單元內力監測點布置情況如圖12 所示。分別對每個測點的數據進行分析，襯砌的安全系數在整個開挖過程中均滿足要求（大于2），說明在開挖過程中，下部既有陳壩隧道是安全的。以測點A為例，其不同開挖步下斜交段陳壩隧道二襯拱頂單元安全系數均滿足要求（表4）。

表4 不同開挖步下斜交段陳壩隧道二襯拱頂單元安全系數（測點A）

圖12 單元內力監測點布置示意圖

4 數值模擬結果與現場實測結果對比分析

為了評估綠谷二號隧道開挖對既有隧道的影響，分別在綠谷二號隧道上跨陳壩隧道交叉位置、距交叉位置20 m、50 m 及100 m 布置測點。陳壩隧道斜交位置拱頂位移隨開挖進尺的變化規律如圖13 所示。由圖13 可知：數值計算上跨施工的案例，既有隧道發生隆起，與實測規律一致；且兩者隨著上部隧道開挖，下部隧道拱頂位移均表現為隆起，且隨著開挖的進行，拱頂隆起值逐漸增大，到開挖70 m 左右，隆起值達到最大值，模擬值為1.12 mm，實測值為1.69 mm，而后隆起值逐漸減小，模擬值保持在0.98 mm 左右，實測值保持在1.25 mm 左右，整個過程均滿足位移控制要求［13］，驗證了數值計算結果的有效性和可靠性。

圖13 陳壩隧道斜交位置拱頂位移隨開挖進尺的變化規律

陳壩隧道斜交位置水平收斂位移的數值模擬結果與現場實測結果對比見圖14。由圖14 可知：隨著上部隧道開挖，下部隧道拱腰位移基本表現為向開挖方向，右側拱腰靠近開挖側，位移相比左側略大，整體規律為隨上部隧道的開挖，下部隧道兩腰的位移先增大后減小，開挖至80 m 后，位移回彈一部分并維持在某一穩定值，數值模擬結果與實測結果呈現的規律略有差異，但整體趨勢一致，數值模擬結果的最大水平收斂位移為0.27 mm，實測最大位移為0.33 mm，兩者較為接近，且出現位置也較為接近，滿足4 mm 位移控制標準。

圖14 陳壩隧道斜交位置拱腰位移隨開挖進尺的變化規律

5 結論

針對興泉鐵路綠谷二號隧道上跨既有福廈鐵路陳壩隧道工程，采用數值模擬方法開展上跨工程施工對既有隧道結構的穩定性影響研究，并與實測結果進行對比，得到以下主要結論：

（1）綠谷二號開挖對既有陳壩隧道的影響區域大致為立交段前后60 m 范圍內，開挖導致襯砌整體向上隆起，最大隆起量1.04 mm，最大水平收斂位移0.254 mm，滿足4 mm 位移控制標準。

（2）綠谷二號隧道開挖后，引起既有陳壩隧道內力降低，影響范圍大致為立交位置前后30 m 處，其中軸力相比新建隧道未開挖前減小了0.74%，彎矩減小了6.7%～1.6%，剪力減小了1.5%～7.7%。

（3）斜交段既有陳壩隧道襯砌的總體安全系數大于2，襯砌的安全系數在整個開挖過程中均滿足要求，說明上部隧道開挖過程中，下部隧道始終處于安全狀態。

（4）數值計算與實測計算結果表明，兩者呈現的規律基本一致，驗證了數值計算結果的有效性和可靠性，數值模擬計算能夠為實際施工方案提供參考。