大连市石葵路西隧道施工对原隧道及民居影响的控制分析

于晓东，林兴一

（1.大连市市政设计研究院有限责任公司，辽宁 大连 116011；2.大连港口设计研究院有限公司,辽宁 大连 116001）

0 前言

随着我国交通事业的不断发展，在我国许多地区出现了间距突破规范要求的并行隧道。在新建隧道施工过程中如何保证既有隧道的安全运营成为施工和设计的又一个新的课题。除了施工过程中造成的衬砌背后回填不密实、衬砌厚度和衬砌强度不足等因素外，新建隧道的开挖也成为既有隧道病害继续发展的重要诱因。隧道的开挖过程实际就是围岩应力调整和重分布的过程，与单一隧道开挖不同，近距相邻隧道的开挖，使得地应力场的重新分布变得十分复杂，因此既有隧道衬砌结构产生的影响也难以描述，最大应力值出现的位置需要计算才能得以确定。由于影响相邻隧道的因素很多，如围岩的地质条件、隧道断面尺寸、埋置深度，还有隧道衬砌参数、爆破施工用药以及施工方法等，而这些因素的影响难以定量确定，工程中大多根据经验，通过工程类比来分析确定。针对近距离隧道开挖应力分布的这些特点，通过加固薄弱点调整不利应力分布，提高整体稳定性的研究对设计、施工以及保证既有隧道的安全运营都具有十分重要的意义。

1 新建隧道开挖对既有隧道的作用机理分析

新建隧道施工会对近距离相邻隧道产生一种“拉伸”作用，使得衬砌结构向开挖侧产生位移，同时造成围岩和衬砌结构的应力重分布。

平行于地表无限大的均匀弹塑性岩体，在同一水平深度上，岩体自重产生的垂直压力是相同的。在岩体中开挖一条平行于地表的水平隧道，隧道上方一定厚度的岩体向下产生变形，其刚度相对变小。开挖前，隧道上方的岩体压力大部分沿着刚度大的隧道两侧岩体向下传递；隧道开挖并支护后，经过长时间的应力重分布，刚度较高的隧道衬砌结构承受大于隧道两侧围岩的地压力。岩体压力传递方向上的量值与围岩和衬砌结构的刚度有关，刚度越大承受的压力值越大，相反，刚度小压力值也小，这便是介质中应力传递的途径。同样地，在邻近隧道的地层中开挖双线隧道，使得新建隧道周围围岩的刚度降低，地压力的传递方向倾向于刚度较高的既有隧道衬砌结构和基本未受开挖影响的另一侧既有隧道围岩。于是，新建隧道开挖后的既有隧道衬砌结构承受了比新建隧道开挖前平衡状态下更大的上部压力，下部地层反力也随上部地压力的变化而改变，新建隧道侧的松动围岩由于刚度降低只能传递小部分的地层反力，其余的大部分则转移到既有隧道衬砌结构和远离新建隧道侧围岩中去。

在对近距离隧道的力学分析中可以得到，由于地层中存在刚度较高的既有隧道衬砌结构，新建隧道开挖并不会对远离新建隧道侧围岩的应力状态造成较大影响，从而既有隧道衬砌结构远离新建隧道侧围岩侧压力的变化是由于隧道上部荷载的变化所引起的，由于上部荷载受新建隧道开挖影响而变大，所以既有隧道远离新建隧道侧的侧压力增大。对于新建隧道侧的围岩来讲，新建隧道的开挖打破了原来的应力平衡状态，岩体开挖造成新建隧道和既有隧道间的岩体产生应力释放并产生松动，中间岩体的竖向应力增加，水平向应力则急剧降低，造成既有隧道结构在新建隧道侧的荷载降低并提供了变形空间。

既有隧道衬砌结构的变形和应力变化均由于其所承受的荷载变化引起。新建隧道开挖会对围岩的应力分布的应力传递造成不同程度的影响，但基本遵循使既有隧道结构上部和远离新建隧道侧荷载增大、新建隧道侧荷载降低的规律。这样就使既有隧道衬砌结构处于荷载不对称的作用下，造成既有隧道结构拱顶下沉并整体向新建隧道侧移动，同时既有隧道右边墙受上部荷载增大、新建隧道侧荷载降低的影响，产生较大的变形。以上宏观定性的力学分析结果，就是新建隧道施工对既有隧道产生“拉伸”作用的实质，如图1所示。

新建隧道开挖过程中围岩的应力释放造成了对既有隧道结构的“卸载”作用，这种作用越强，“拉伸”作用就会越明显，而影响围岩应力释放的就是新建隧道的开挖方式和支护时机。对比全断面开挖和上下台阶法施工新建隧道，不难看出，上下台阶法施工对既有隧道产生的影响比全断面开挖要小，可见开挖方式和支护时机也是影响新建隧道施工“拉伸”作用的重要因素。

可见，既有隧道衬砌结构的刚度和构造缺陷程度、围岩刚度以及开挖方式和支护时机是“拉伸”作用的主要影响因素。

在施工中造成有利于应力传递的条件，降低上部地层应力向既有隧道结构传递的程度，有效地将作用在结构体系上的作用转移（或传递）到体系周围的地层介质中，同时充分发挥并加强岩体的自然承载能力，减少因新建隧道开挖造成的一侧应力释放，是可以降低这种“拉伸”作用的。为达到上述目标，在工程中可采取超前注浆加固、对中间岩体施加锚杆、分部开挖并及时支护等措施。

2 新建隧道开挖对缺陷隧道的影响

在某些条件下，既有隧道是安全的，但新建隧道的开挖会增加既有隧道病害的发生率，同时由于某些空洞或空洞组合的存在，既有隧道衬砌处于不利状态。

2.1 既有隧道衬砌主应力分析

首先考察拱顶背后存在空洞时新建隧道开挖的影响。表1、表2中分别列出了衬砌各截面第一、第三主应力在无空洞、有空洞、有空洞且新建隧道开挖（空洞尺度0.5 m，1.0 m）各种情况下随两隧道间距的变化情况。

表1 既有隧道右侧衬砌结构第一主应力（拱顶背后空洞）(单位：MPa)

表2 既有隧道右侧衬砌结构第三主应力（拱顶背后空洞）(单位：MPa)

从表1、表2中可以看出，衬砌背后空洞以及新建隧道开挖对衬砌截面的第三主应力影响较大，对第一主应力的影响较小，除了空洞所在位置的衬砌截面外，其他截面的第一主应力均无明显变化。图2中绘出了拱顶背后存在不同空洞尺度时不同间距隧道开挖造成的既有隧道衬砌右侧各截面的第三主应力变化曲线。由曲线可以看出，拱顶背后存在空洞时新建隧道开挖对拱顶截面影响较大，但由于未开挖前空洞的存在造成衬砌结构的外扩使得衬砌第三主应力增大、第一主应力减少，开挖新建近距离隧道会造成既有隧道上部围岩压力增加并使拱顶有下沉的趋势，而拱顶背后空洞的存在部分抵消了这种作用，故而新建隧道的开挖所产生的“拉伸”作用在某种程度上使得既有隧道衬砌结构相对安全。

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图2中截面1表示背后空洞尺度为0.5 m，截面2表示背后空洞尺度为1.0m，以下同。

不同间距的新建隧道开挖的影响也不相同。从表2中可以看出，当间距小于0.5D时，拱顶1.0 m空洞的存在使得衬砌拱顶截面的第三主应力增加了50%，当开挖新建隧道时又使得边墙截面第三主应力增加了55%；当间距在0.5D～1.0D时，结构在新建隧道开挖阶段的第三主应力最大增加量为35%；当间距在1.0D～1.5D时，结构在新建隧道开挖阶段的第三主应力最大增加量为11%；当间距在1.5D～2.0D时，结构在新建隧道开挖阶段的第三主应力最大增加量为5%；当间距大于2.0D时，结构在新建隧道开挖阶段的第三主应力最大增加量为2%。可见，隧道间距越大，新建隧道开挖的“拉伸”作用造成的应力变化在总体应力变化中所占的比例越小。

从图2中亦可看出，在隧道间距较小时，边墙截面受到的影响较大。在这种情况下，与隧道开挖的影响相比较，空洞的影响很小，故而新建隧道开挖是影响既有隧道衬砌主应力的主要因素。随着间距的增大，空洞和新建隧道开挖共同作用，使得各截面的主应力增量不尽相同。当间距较大时，隧道开挖的影响逐渐减弱，空洞的存在对结构的影响起主要作用。同时，由图表中得到，当距离较近时衬砌拱顶背后空洞的存在对边墙和拱顶截面主应力影响较大，距离稍远时对拱肩截面的影响超过了对其他两截面的影响程度。

从上面的分析中可以得知，新建隧道开挖对既有隧道起到了一种“拉伸”作用，使得既有隧道衬砌结构拱顶下沉，右边墙向外扩张。这种“拉伸”作用与衬砌背后空洞一样都是由于卸载和应力传递而导致衬砌结构的荷载重分布，造成了主应力增大并可能致使结构破坏。所以，新建隧道开挖只有在衬砌产生相同的变形趋势情况下才对衬砌背后空洞的影响起到辅助作用造成既有隧道衬砌主应力的不利变化。

2.2 既有隧道净空变化

同时考察了隧道衬砌背后存在空洞情况下新建隧道施工对既有隧道净空的影响，结果表明：除了空洞所在位置的衬砌有较小的变形外，结构其他部位的变形量与既有隧道不存在缺陷情况下没有明显的区别。可以认为，在隧道衬砌背后空洞存在的情况下开挖新建隧道的结构变形量主要是由隧道开挖造成的，仅在空洞所在位置的衬砌结构变形量稍有差异。

3 近距离隧道实例分析

大连市石葵路西新隧道工程由石峰街与石葵路交叉点为起点，经80 m阴道、30 m明洞、265 m暗洞及155.5 m东引道至大连市巾帼房屋开发公司结束，全长530.5 m。隧道北侧紧邻既有隧道，而且既有隧道支护状况较差；另一侧紧邻七层砖混结构住宅楼，垂直方向距离只有8 m左右；既有隧道与南侧建筑物间距离仅32m。工程情况见图3。

3.1 既有隧道健全度评价

在新隧道设计过程中，为了充分掌握既有隧道衬砌情况及其背后围岩的超挖回填情况，首先对其进行了无损检测。

依据检测目的及隧道状况，分别在拱顶、左右拱脚、左右边墙上部及左右边墙下部共7处布置了检测线。详细的测线位置及编号如图4所示。

检测结果表明，部分地段拱顶部位存在小范围空洞（0.3～0.5 m）；拱顶衬砌结构实测厚度占设计厚度2/3左右的地段约为70%，边墙部位实测厚度与设计厚度符合较好；隧道出口端（西端）拱部有10处裂缝，所有裂缝均贯穿拱部（见图5），虽无漏水现象，但有腐蚀痕迹。

可见，既有隧道健全度较好，虽然其衬砌背后存在空洞，但空洞尺度不大且存在空洞的部位没有明显的病害发生；大部分拱顶衬砌厚度仅占设计厚度的2/3，但从病害发生的情况来看，衬砌厚度能够满足承载力要求；隧道西侧洞口段存在多条裂缝，其中两条为纵向裂纹，其余裂缝产生时间较长，且没有继续发展的趋势。

3.2 隧道距离的选择

考虑到既有隧道结构的健全度情况和南侧建筑物的安全，对不同距离情况下隧道开挖进行了比较，决定两隧道间距为12m。

3.3 隧道稳定性检算

新建隧道开挖面宽度为12.48 m，与既有隧道间距为12m，既有隧道位于受开挖影响的一倍洞径之内，且既有隧道为直墙拱结构，受力状态比较复杂，给隧道施工带来较大的困难。因此有必要对既有隧道的受力状况进行数值计算，以便为技术设计和隧道施工提供科学依据和技术指导。

（1）结构计算模型

计算时采用平面应变的模式，根据隧道周围的实际情况，确定了石葵路西隧道开挖过程的有限元计算模型，如图6所示。模型上边界取地表，左侧取15 m，右侧取30 m（包括建筑物基础），下边界取20m。其中左右边界水平约束，下边界竖向约束，地表为自由面；建筑物荷载取150 kPa；采用DP材料计算结构在开挖过程中的弹塑性非线性变形特征，共划分1 606个单元。计算参数见表3，其中既有隧道拱顶衬砌厚度取实测厚度，即设计厚度的2/3。

（2）计算结果及分析

通过对进口端邻近建筑物段隧道上下台阶法开挖的有限元分析，计算得到隧道结构的受力状态和非线性变形特性。有限元计算结果主要包括既有隧道弯矩、轴力、隧道洞周位移以及建筑物基础的不均匀沉降，其结果如下。

图6 石葵路西隧道有限元计算模型局部(未显示约束及建筑物荷载)

表3 有限元计算的围岩物理力学参数

（3）建筑物基础及隧道洞周位移

比较建筑物基础沉降的计算结果，得到其倾斜率，如表4所示,而对洞周位移则从既有隧道和新建隧道两方面进行考察，如表5所示。

表4 建筑物基础不均匀沉降量

表5 洞周绝对位移(单位：mm)

从表4可以看出，隧道下部开挖后,建筑物基础最大沉降1.42mm，倾斜率为0.05‰，满足设计要求。

新建隧道开挖主要影响既有隧道衬砌结构右边墙部分，该部位的位移值是整个衬砌截面中最大的。从表5可以看出，既有隧道右边墙位移为1.11mm，受新建隧道开挖的影响较小；新建隧道合计的收敛位移分别为水平3.03mm、竖向7.87mm，其中拱顶下沉4.84 mm，满足设计要求。

（4）既有隧道结构的轴力及弯矩

新建隧道开挖过程中采用3 cm厚C20喷射混凝土作为柔性支护，计算仅仅考察既有隧道结构的轴力和弯矩，如图7、图8所示，其最大值分别为轴力893.6 kN、弯矩18.1 kN·m。

4 工程实例分析结论

大连市石葵路西隧道工程是在既有隧道支护较差的情况下近距离开挖新建隧道，周边还有多座建筑物在影响范围之内，既有隧道和周边建筑的安全是施工中重点注意的问题。通过对模拟施工开挖及衬砌过程，研究了既有隧道在施工过程中的受力及变形特点，结合现场量测结果，得出以下基本结论和认识：

（1）由于采取了上下台阶法施工新隧道，虽然两隧道间距较小，既有隧道受开挖影响不十分明显，说明采取多步开挖并及时支护对于既有隧道的安全是十分必要的；

（2）数值计算结果与实测结果吻合得较好，说明用数值模拟进行研究并作出影响预测具有很高的参考价值，但计算参数的选取十分重要；

（3）采用预裂爆破对于控制既有隧道受爆破影响的振动速度是有效的，在Ⅳ级围岩距离为12 m的条件下单预裂段爆破药量为6.3 kg既有隧道结构是安全的。

5 结语

通过以上案例分析，掌握了近距离隧道开挖过程中围岩与既有隧道结构的力学特征和相互影响程度，既保证了隧道施工的顺利进行，又保证了既有隧道及周边建筑物的安全，并降低了工程造价。对于近距离隧道的施工问题，国内外进行了多方面的探讨和研究，但对近距离隧道的力学机理还没有系统的阐述，对邻近既有隧道的研究还不够充分。因此，在遇到类似的工程时往往还要重新进行论证和对策研究。盲目设计施工，将造成安全问题。所以，作为一名隧道设计工作者在实际工程中要不断总结，对近距离隧道的围岩及支护结构稳定性进行综合评价，对隧道合理施工方法的确定等问题进行系统的研究和总结，提出适用的围岩及支护结构稳定性判定标准和相应对策，以解决设计和施工中的问题，保证工程的安全可靠性、技术先进性和经济合理性。