新建隧道施工对既有隧道应力影响的分析

张 建

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉 430063)

新建隧道施工对既有隧道应力影响的分析

张 建

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉 430063)

在单一隧道及两重叠隧道施工后的弹性二次应力状态和单一隧道施工后弹塑性二次应力状态及三次应力状态的分布规律的基础上，进行了交叉隧道的施工力学研究。分析了新建隧道正交下穿施工影响安全的主要因素(围岩类别及支护阻力)，同时隧道覆土厚度、隧道间相对距离和土体强度对隧道相互作用也有较大影响，应引起足够的重视。进而提出了预防新建隧道正交下穿施工引起既有隧道应力变化较大的措施。为类似的交叉隧道施工的风险评估和安全管理提供经验和技术参考。

交叉隧道 相互影响 应力分析 近接施工 措施

隧道的形成是通过一定的施工过程或是说一定的力学过程来实现的。交叉隧道是现代近接施工中的一种，其施工中的动态变化特征是很复杂的，且各种近接工程由于诸多因素的限制使其间距越来越小，进行交叉隧道施工过程中近接建筑物的力学变化规律的研究显得很有必要。两交叉隧道近接施工时，由于施工的时间先后顺序、空间位置关系及施工方法的不同，其加载效应、卸载效应、横向效应、纵向效应及空间效应等也情况各异［1-3］。

近接施工的影响存在着范围有限性的规律，即仅局限于一定的区域内，这种性质是由施工后引起围岩应力重分布的局限性所决定的。在隧道施工中将引起围岩应力状态重分布和再次重分布，从而会导致一系列的力学行为变化。研究这些力学行为的机理，建立相应的力学模型进行研究分析，才可能掌握千变万化、错综复杂的地下工程近接施工产生的相互影响。本文在向莆铁路道德山隧道施工图设计资料和委托方提供的相关资料的基础上，进行了交叉隧道的施工变化和影响以及力学规律的研究，并提出了一些防范措施，为实际工程的实施提供一定的科学指导，促进工程顺利进行。

1 新建隧道施工对既有隧道应力影响的分析

重叠隧道由于其空间位置关系的特殊性，在隧道施工时，影响因素比单一隧道施工时多，虽然实际的情况错综复杂、变化多端，但是机理存在相同或相似之处。本文是借鉴单一隧道及两重叠隧道施工后的弹性二次应力状态和单一隧道施工后弹塑性二次应力状态及三次应力状态的分布规律［4-5］，进行了交叉隧道的施工力学研究。下面就以常见的圆形隧道为例来探求规律性。

1.1 新建隧道开挖后的应力状态

新建隧道施工前，地层中存在初始应力场，围岩处于受压的稳定状态。随着新建隧道的施工，地层中的应力状态相应发生变化，由施工引起了附加的应力场，称为二次应力场;工程实践表明，二次应力场分弹性和弹塑性两种情况，它对围岩的应力分布、变形和破坏有着极其重要的影响。具体来讲，新建隧道施工后的应力状态根据围岩的实际强度可分为两种情况:一种是施工后的围岩仍处于弹性状态，此时坑道围岩除产生稍许松弛外，一般是稳定的;一种是施工后的应力状态超过围岩的单轴抗压强度，此时坑道围岩的一部分处于塑性甚至松弛状态，坑道围岩就产生塑性滑移、松弛或是破坏。

当两隧道先后修建时，两隧道邻近时的受力状态发生了变异，一般讲，先施工且支护后的隧道已处于第三次应力场中，若邻近再施工新的隧道，将会使其发生第四次应力重分布。

1.2 新建隧道施工后形成塑性的二次应力状态

单一隧道施工后形成塑性时的力学模型如图1所示。设初始地应力场以λ表示，即λ=σx/σy。

新建隧道施工后，鉴于不同的λ值，周围形成的塑性区范围是不同的。当λ=1，即是水平向应力σx与垂直向应力σy相等时，塑性区半径r0为

图1 塑性区边界和应力状态

塑性区应力

式(1)和式(2)中:Rb为岩石的单轴抗压强度;φ为内摩擦角;σrp为形成塑性区时的径向应力;σtp为形成塑性区时的切向应力。

当围岩不同时，塑性区范围也是不同的。经计算，λ=1时，不同围岩中的塑性区域范围如表1所示(初始应力为60 MPa)。

表1 不同级别围岩塑性区范围

新建隧道施工后形成塑性区的二次应力状态，分为塑性区域和弹性区域两个部分，如图2所示。

图2 弹性区域和塑性区域的范围

与弹性二次应力相比，形成塑性区的二次应力状态的范围增加了一个塑性区的范围，因此，其影响范围要比弹性状态的大。通过计算，在塑性二次应力状态下，不同围岩边界应力为初始应力1.01倍的范围见表2(初始应力为40 MPa)。

表2 不同级别围岩塑性区影响范围

对十分完整的、强度比较高的围岩条件，新建隧道周围大多是处于弹性状态的，对其影响范围的计算可以通过弹性力学的有关理论结合工程实际情况进行分析;对于破碎的、强度比较低的围岩条件，施工隧道周围大多处于塑性状态的，对其影响范围的计算可以通过弹塑性力学的有关理论结合工程实际情况进行分析。一般说来，围岩差则施工影响范围大，围岩好则施工影响范围小。

1.3 新建隧道施工后有支护的三次应力状态

围岩应力在新建隧道施工的过程中并不是一次性释放完全的。随着新建隧道支护工作的进行，地层中的应力状态又会发生变化，形成三次应力状态［6］。新建隧道施工后，围岩处于弹性状态下且坑道周边有径向阻力时，周边应力的表达式由两部分组成

式中:σr为隧道周边的径向应力;σt为隧道周边的切向应力;Pa为半径为a的圆形坑道上的径向阻力。

由式(3)可知，当隧道周围存在支护阻力时，隧道周边的径向应力将增大，而切向应力则减小。实质上是支护结构的施作使直接靠近坑道周边的围岩的应力状态从一维的受力状态变成二维的受力状态，因而提高了围岩的承载能力。实质上也就是提高了围岩的自支护能力，利于隧道的稳定。支护阻力对围岩承载能力的提高见图3。

图3 支护作用下围岩承载能力提高

在塑性应力状态下，当坑道有支护阻力时，其应力值和塑性区范围也有所变化。新建隧道施工后处于塑性状态，并且坑道周边有径向阻力时塑性区半径为

式中符号意义同前。

由式(4)可以看出，随着支护阻力的增加，塑性区半径相应减小，见图4。这说明，支护阻力的存在对塑性区的范围有直接的影响，它限制了塑性区域的发展。对施工后的新建隧道施加支护阻力，可以改变施工对既有隧道带来的影响。只要施加的支护阻力达到一定大小，可以将对既有隧道施工带来的影响范围减小到允许的范围。可见，支护作用是影响近接施工的又一重要因素。对于不同级别的围岩，在相同支护作用下，其塑性区范围是不同的，参见表3。

图4 塑性条件下有支护作用的力学模式

表3 不同围岩的塑性区影响范围

由表3可以看出，在相同的支护阻力作用下，围岩级别越差，其塑性区影响范围越大，反之则越小。这又一次说明，围岩和支护阻力是塑性区影响范围的两个重要因素。同时隧道覆土厚度、隧道间相对距离和土体强度对隧道间相互作用也有较大影响［7-8］，应引起足够的重视。在对既有隧道采取保护措施并对新建隧道采用一定的支护对策后，可以减少近接施工对既有隧道及围岩的影响。

2 预防措施及注意事项

1)在与既有隧道交叉段的隧道开挖过程中，应加强对新建隧道实际工程水文地质条件的判定，如与工程评估报告所选用的围岩情况差异较大，则应重新开展对隧道安全性的评估论证。

2)在与既有隧道交叉段的隧道施工过程中，隧洞二次衬砌应及时跟进，以减少隧洞周围围岩的变形。

3)如在交叉段的隧洞施工中采用爆破施工，则应采取弱爆破方式进行，建议爆破振动安全允许振速不超过5 cm/s。

4)在交叉段的隧道施工过程中，应加强对既有铁路隧道轨道板或轨面和隧道二次衬砌位移的实时监测，以便根据监测结果，对隧道施工实施动态调整或对隧道采取加固保护措施。

3 结论

1)本文进行了新建隧道下穿既有隧道施工中应力影响分析，找出影响施工安全的主要因素，并提出了预防新建隧道正交下穿施工引起既有隧道应力变化的措施。可为类似的交叉隧道施工的风险评估和安全管理提供经验和技术参考。

2)由于近接隧道施工类型的多样性，新建隧道施工对既有隧道影响的定量分析有时还比较困难，也不存在一种对任何行为模式都适用的可靠分析方法。本文所提出的交叉隧道的施工力学分析是一种较实用的定量计算方法。

［1］裴丽．立交隧道近接施工对既有隧道力学特性的影响研究［D］．重庆:重庆大学，2010．

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U451

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2014．01．10

1003-1995(2014)01-0034-03

2013-07-20;

2013-09-26

国家自然科学基金项目(40972214)

张建(1979— )，男，安徽阜阳人，高级工程师，硕士。

(责任审编 孟庆伶)