新建隧道开挖对既有线稳定性影响的数值分析

任海勇 （山西蓝焰煤层气集团有限责任公司，山西 晋城 048204）

0 前言

随着我国铁路运输发展的不断加快，部分线路已经不能满足生产生活的需要，越来越多的复线工程将会规划建设[1-3]。受地形、地质条件等因素的限制，新建隧道与既有隧道之间的距离往往较近[4-5]，新建隧道的开挖将会对既有线稳定、安全运营造成很大的威胁，且隧道下穿既有线施工技术复杂、施工难度大，具有很高的风险。因此，研究新建隧道施工方法的可靠性及其对既有线稳定性的影响具有重要的意义。

在隧道工程设计中，由于特殊地质、地形条件下或某些特殊要求，使得两相邻隧道的最小间距不能满足设计规范的要求，此时从路线总体线形、路桥隧衔接、工程造价等因素综合考虑，并经过技术经济比较，往往会采用小间距或连拱隧道方案。根据国内已建隧道工程来看，两隧道净间距以3m～8m居多，故可以认为小间距隧道主要是指双洞最小净距小于1.5倍开挖洞径的隧道，它是介于双孔分离式隧道和连拱隧道之间的一种结构形式[6-7]。

在目前的公路工程中，小间距隧道常见的形式为平行小间距隧道。本文采用ANSYS有限元软件建立了近距离下穿既有隧道的二维数值模型。通过对开挖前后既有隧道的围岩应力、位移变化进行对比分析，论证了新建隧道施工方案的可行性。

2 有限元分析

2.1 有限元模型

新建隧道与既有隧道之间岩层净距离较短，两隧道中心线之间的水平夹角为30℃。此段内隧道的埋深在220m，围岩等级为Ⅲ级。根据圣维南原理，对于隧道开挖后的应力和应变，仅在隧道周围距离洞室中心点3～5倍隧道开挖宽度的范围内存在影响。因此，有限元模型尺寸取为90m×90m。数值模型中围岩采用plane42实体单元，初期支护采用beam梁单元模拟。在模型的下边界施加竖向约束，左右边界施加水平约束，模型上边界自由。材料参数如表1所示。

材料参数表 表1

3 计算结果分析

3.1 新建隧道开挖前

图1为新建隧道开挖前的竖向位移云图。既有线(竖向)最大位移约7mm。由图2可以看出既有隧道洞孔的上部和底部形成拉应力区。隧道结构附近区域最大主压应力约为10.6MPa。

由于距离既有线较近，新建隧道的上部应力受到的影响较下部明显，初始应力场的主应力方向仍以竖直向为主，地应力模拟结果在有限元模拟开挖过程中作为初始条件进行计算分析。

3.2 新建隧道开挖后

由图3可知，既有隧道拱底的位移较大，Y方向(竖向)最大位移约10mm。新建隧洞顶部Y方向最大位移约7.9mm，隧洞底部Y方向最大位移约3.165mm。

由开挖后的应力矢量图（图4）可以看出新建隧道拱顶和拱底形成了拉力区，在拱腰处形成压力区。由开挖后的压应力云图（图5）可得，新建隧道主压应力最大出现在隧洞两侧的拱脚部位，约21.7MPa。对于既有隧道的洞周的最大压应力是8.36MPa，位于拱腰处。

4 施工技术措施的讨论

对于小间距隧道施工技术的关键，主要是解决近距离施工时新建隧道与既有隧道之间的相互影响，以及新建隧道施工对环境的影响。其相互影响的主要因素有：①两隧道间水平和竖向位置关系；②新建隧道的跨度大小；③新建隧道的开挖方法及支护措施；④地形、水文、地质等条件；⑤外界环境变化的干扰等。

结合小间隧道的围岩变形特点和施工影响因素，在小间距隧道设计、开挖过程中必须尽可能减少对围岩的扰动，特别是对中间土(岩)体的扰动。同时对于隧道支护的整体性要强，其强度和刚度要大，以能够很好的限制围岩变形，保持围岩自身强度和承载力。总体目标就是合理利用围岩自承能力，保证围岩与支护结构共同作用。

因此，小间距隧道施工中，应在施工方法、施工工艺、支护形式与参数、特殊施工方法的应用等方面采用综合性技术、措施,其要点如下：①优化施工方按，可以根据围岩情况选择合理的施工方案，常用的施工方案由全断面法、二台阶法、CD法等，对于围岩条件较差的隧道，还可以选择预留核心土台阶法和CRD法等，施工过程中还要注意控制循环进尺；②控制和减小开挖对围岩的扰动；③提高支护的强度、刚度和整体性,控制围岩变形；④当围岩条件较差时，可以两隧道间的土体进行预加固，可以选择注浆锚杆或者超前管棚进行加强，提高围岩的稳定性；⑤及时进行二次衬砌支护，及时施作仰拱，形成封闭支护结构；⑥监控量测，信息化施工。

由于岩石工程地质条件具有复杂性，各个小间距隧道工程又有自身的特点，因此，小间距隧道施工技术措施的优化仍然是一个艰巨的任务。关于小间距隧道相关问题的研究仍需大量的依托实际工程进行深入研究，需要本领域的同仁们进一步地思考、关注和探索。

5 结 论

本文采用ANSYS有限元软件通过对开挖前后既有隧道的围岩应力、位移变化进行对比分析，可得出如下结论：

①新建隧道的开挖改变了既有隧道围岩的应力状态，特别是既有隧道边墙和隧道底部；

②新建隧道的开挖使既有隧道的竖向位移变大，且左右沉降不等；

③由于隧道所处的围岩稳定性较好，新建隧道的开挖对既有线的影响较小，当围岩级别较差时，可以考虑优化施工方案，以减小新建隧道施工对既有线的扰动；

④小间距隧道施工措施需要综合考虑多方因素，要合理利用围岩自承能力，保证围岩与支护结构的共同作用。

[1]王晓梅,石文慧,程瑶.新建隧道施工对邻近既有隧道的影响及对策[J].铁道建设,2010（7）.

[2]张晨明,董秀竹.新线施工对既有线车站影响分析[J].铁道工程学报,2006（9）.

[3]冯仲仁,文曦.新建隧道爆破震动对既有隧道影响的数值分析[J].爆破,2008（4）.

[4]毕继红,钟建辉.邻近隧道爆破震动对既有隧道影响的研究[J].工程爆破,2004（4）.

[5]徐前卫,尤春安,李大勇.盾构近距离穿越已建隧道的施工影响分析[J].岩土力学,2004（S1）.

[6]蔚立元,李术才,徐帮树.青岛小净距海底隧道爆破振动响应研究[J].土木工程学报，2010（8）.

[7]阳生权.小线间距施工隧道爆破地震影响下既有隧道围岩线性动力分析[J].工程爆破,1998（1）.