既有隧道两侧新建明、暗洞结构开挖力学行为对比及开挖顺序研究

王 宁

(中国铁路设计集团有限公司,天津 300142)

1 概述

国家交通路网不断发展，交通网的密集发展带来了大量山岭隧道近接施工现象，而隧道近接问题有着其隐秘性和特殊性的特点，对隧道近接问题研究显得尤为重要[1-3]。

近年来，针对隧道近接施工的研究有很多。仇文革[4]较早对隧道近接施工进行研究，将地下工程力学分析与基本力学相结合，得到理论解析解，对理论解进行分析，认为影响具有区域性；并在研究中得到施工过程中围岩应力的变化是对既有隧道产生影响的根本原因。李岩松[5]等采用FLAC3D有限元分析软件，对小净距隧道进行模拟分析，通过分析多种工况下围岩位移、夹岩应力、塑性区分布，得到隧道近接浅埋式矩形隧道之间的近接效应，并据此确定隧道之间合理净距。白铭海[6]对复杂近接施工条件下力学行为进行研究分析，利用三维仿真模拟围岩变化，并对近接施工相关技术进行分析研究。李毕华[7]对近接隧道分析研究，通过现场试验、模型试验以及数值模拟3个方面分析，主要对小净距隧道的合理施工顺序以及施工力学形态，并分析了小净距隧道中施工相互影响问题。周斌[8]对特殊近接工程进行研究，研究了上下重叠、重叠过渡以及水平并行盾构隧道，从地表沉降、地层位移以及结构内力3个方面分析，得到不同近接形式的影响分区，并总结得到不同开挖顺序。李文华[9]以长沙市地铁2号线为研究背景，得到了不同开挖顺序对中岩墙力学性能的影响，并得到最优开挖顺序。梁小勇[10]分析北京地铁9号线近接铁路桥梁，从地层塑性区分布、既有结构位移场、地层位移场3个方面，分析研究了卵石地层地铁隧道近接施工位移特征，并为施工提供参考价值。程刚[11]结合实际工程，利用数值模拟方法，分析了新建隧道对既有隧道的影响，并根据研究结果相应提出既有隧道、新建隧道具体处治措施，以确保施工安全。

本文以浦梅铁路既有隧道两侧新建近接隧道为研究背景，利用Midas GTS有限差分软件，对比分析在浅埋偏压条件下，两侧新建不同结构物形式(明洞以及暗洞形式)下隧道施工力学行为，并得到合理施工顺序。

2 工程概况

浦梅铁路近接工程为水平近接类型，新建隧道(浦梅铁路武调隧道、武调1号隧道)设计时速160 km，为单线铁路隧道。既有隧道(向莆铁路武调隧道)为设计速度目标值200 km/h的铁路隧道。新建两隧道位于既有隧道左右侧，洞口处相距较近，随之间距增大，呈喇叭状辐射，左侧新建结构物与既有结构物夹角约为12°，右侧新建隧道与既有结构物夹角约为15°。同时地形偏压大，新建隧道埋深很浅，地质条件差，且在既有隧道施工过程中，岩层已经受到扰动。

洞口位置处，左侧埋深较浅，且距离较小，从安全方面考虑，左侧隧道的洞口段采用明洞结构形式，随里程增大，转变为暗洞结构形式。右侧新建隧道从进口里程到出口里程整体上均为暗洞结构形式。

3 有限元模型

设计资料提及左侧隧道洞口段采用明洞结构形式，随里程转变为暗洞形式，右侧隧道采用暗洞结构形式。为更好研究不同结构形式带来的影响，同时从建模方面考虑，建立2个模型，分别为浅埋偏压两侧暗洞(模型1)以及浅埋偏压明暗结合(模型2)两种模型。不同模型包括2种工况，工况1表示先开挖左侧结构物再开挖右侧结构物；工况2表示先开挖右侧结构物再开挖左侧结构物。

浅埋偏压两侧暗洞(模型1)分8阶段模拟施工，1～8阶段分别表示初始地应力阶段、既有隧道修建、左侧隧道上台阶、单侧隧道下台阶、单侧隧道二衬、对侧隧道上台阶、对侧隧道下台阶、对侧隧道二衬。

浅埋偏压明暗结合(模型2)分6阶段模拟施工，1～6阶段分别表示初始地应力阶段、既有隧道修建、左侧明洞(右侧隧道上台阶)、右侧隧道上台阶(右侧隧道下台阶)、右侧隧道下台阶(右侧隧道二衬)、右侧隧道二衬(左侧明洞)。

3.1 计算假定

鉴于实际近接工程的地形地质情况的复杂性以及仿真模拟软件的限制，对现场实际近接情况进行全面、细致、真实的模拟难度较大，因此，在数值模拟方面进行了部分假设和简化。

(1)计算模型中，本构关系确定时，围岩本构关系采用Mohr-Coulomb本构，支护结构则采用弹性本构关系进行模拟。同时，计算过程中，假定围岩以及衬砌等结构体为均质、连续的理想体。

(2)山体为偏压山体，模型建立过程中，取其平均坡度进行建模，平均坡度约为15°。

(3)岩土初始地应力平衡仅考虑自重应力，对地下水渗流作用不进行考虑。

(4)初始地应力平衡后，既有隧道模型一次挖通，并对模型位移清零[12]。

3.2 模型建立

采用大型有限元软件Midas GTS进行数值模拟分析，模型围岩级别为V级，在依托工程地质勘察资料的基础上，结合《铁路隧道设计规范》[13]及其他相关资料[14]，各部分具体物理力学参数见表1。

表1 岩土层计算参数

模型尺寸主要依靠圣维南原理开挖影响范围[15]，同时结合实际情况确定。最终确定模型横向左侧范围依据实际情况取值，右侧范围则取4倍洞径作为计算范围，底部边界取3倍洞径。左右隧道呈一定角度远离既有隧道，左侧结构物偏转角度为12°，右侧结构物偏转角度为15°。模型中两隧道最近距离为5 m，最远距离为50 m，新建隧道直径为8.34 m，研究范围满足最大开挖直径5D的要求。模型底部竖直约束，左右边界水平约束，顶部为自由边界。围岩及初期支护采用实体单元模拟，二次衬砌则采用板单元模拟，计算模型如图1所示。

图1 计算模型(单位：m)

4 计算结果分析

近接施工研究主体主要有3个方面，分别为既有结构物、新建结构物以及周边围岩。结合实际工程，确定两个主要研究对象，即研究既有结构物以及周边围岩变化情况，分析变化趋势并且从变化趋势中找到两侧新建结构物同时近接既有结构物的合理施工顺序。

4.1 围岩应力分析

根据相关资料，有针对性地对3个围岩应力特征点进行监测分析，分别为既有隧道拱顶位置处围岩应力、既有隧道与新建结构物之间受扰动土体处的围岩应力，具体围岩应力关键点示意如图2所示。最终提取不同模型下围岩应力变化如表2、表3所示。变化趋势如图3、图4所示。

图2 围岩应力关键点

kPa

表3 模型2围岩应力 kPa

图3 模型1围岩应力变化

图4 模型2围岩应力变化

对比分析工况1、工况2分别在开挖左右侧结构物时引起不同围岩应力变化特征，得到以下结果：

(1)新建结构物左侧开挖完成后，以工况1为例，①既有隧道拱顶处应力：模型1、模型2围岩应力分别增加了4%、减小了47.7%。②既有隧道左侧围岩应力：模型1、模型2围岩应力分别减小了25.4%、46.8%。③既有隧道右侧围岩应力：模型1、模型2围岩应力值变化幅度分别为0.6%、5%。④模型2左侧结构物开挖引起围岩应力变化幅度为模型1变化幅度的11.85倍(拱顶)、1.84倍(既有结构物左侧)、8.33倍(既有结构物右侧)。即左侧明洞结构物开挖带来的影响远大于暗洞结构物开挖带来的影响，这主要是由于明洞结构开挖对土体扰动较大，会使土体产生较多凌空面，导致土体产生向开挖面处移动，围岩由于开挖卸荷作用，产生应力松弛现象，导致围岩应力减小。

(2)新建隧道右侧开挖完成后，以工况2为例，①既有隧道拱顶处应力：模型1、模型2围岩应力分别减小了0.9%、0.6%；②既有隧道左侧围岩应力：模型1、模型2变化幅度分别为0.25%、0.4%。③既有隧道右侧围岩应力：模型1、模型2围岩应力分别减小了3.6%、2.9%。④右侧结构物开挖对关键点处围岩应力变化趋势和幅度相似，这主要是由于右侧结构物均为暗洞形式。对比分析折线图，可以看到左侧土体变化综合斜率远大于右侧土体，可得到浅埋侧土体围岩应力敏感性远大于深埋侧土体敏感性。

(3)土体最终状态：①模型1情况下工况2方案各关键点围岩应力均小于工况1方案围岩应力，同时依据折线图和应力表，左侧隧道开挖对右侧土体影响幅度为0.52%，右侧隧道开挖对左侧土体影响幅度为2.32%，可以看到整体上右侧隧道开挖对对侧土体的影响程度小于左侧隧道开挖对对侧土体开挖的影响幅度，建议先开挖右侧隧道，即采用工况2进行开挖。②模型2情况下工况1方案各关键点围岩应力均小于工况2方案围岩应力，同时依据折线图和应力表，左侧隧道开挖对右侧土体影响幅度为4.36%，右侧隧道开挖对左侧土体影响幅度为1.38%。可以看到整体上右侧隧道开挖对对侧土体的影响程度大于左侧明洞开挖对对侧土体开挖的影响幅度，建议先开挖明洞，即采用工况1进行开挖。

4.2 既有结构位移分析

本节主要对既有结构物拱顶沉降以及既有结构物左右拱腰处横向位移进行分析，分析左右侧结构物开挖对既有结构物位移的影响，提取既有结构物位移结果如表4和表5所示。

表4 模型1既有结构位移 mm

表5 模型2既有结构位移 mm

分析表4、表5，可以得到以下结论。

(1)新建结构物左侧开挖完成后，部分土体会向左侧移动，既有隧道衬砌变形与土体移动方向一致，整体均向开挖侧移动。以工况1方案为例，①模型1、模型2均衬砌右侧横向位移最小，隧道衬砌左侧横向位移最大。②模型1、模型2拱顶沉降分别为0.35、0.78 mm。③模型2引起既有结构位移为模型1引起位移的3.59倍(衬砌右侧)、1.76倍(衬砌左侧)、2.23倍(拱顶)，可以看到明洞结构物开挖对既有结构物影响大于暗洞结构物开挖带来的影响。同时，拱顶沉降与水平收敛数值大小对比，可以看到两侧新建结构物对既有结构物位移影响均位于水平向，竖直向影响较小。

(2)新建隧道右侧开挖完成后，与左侧隧道修建变化趋势相同，整体均向开挖侧移动。以工况2方案为例，①模型1、模型2衬砌左侧横向位移最小，而隧道衬砌右侧横向位移最大。②模型1、模型2拱顶沉降不足0.3 mm。③对比右侧结构物开挖引起位移变化，可以看到两侧结构物差异性很小。

(3)对比分析几种工况下横向位移，各侧隧道开挖完成后，衬砌结构均会向开挖侧整体偏移，但最终状态均是衬砌结构发生整体向左侧横向位移。

(4)分析拱顶沉降及周边收敛最终状态，模型1时，工况2方案既有结构物变形值均略小于工况1方案，模型2时，工况1方案各项结果变形值小于工况2方案。因此，从最终变形大小方面考虑，建议模型1采用工况2方案开挖，模型2采用工况1方案开挖。

5 结论

以浦梅铁路近接工程为研究对象，针对实际近接项目进行延伸，分析了浅埋偏压情况下既有隧道两侧新建不同结构物形式下的施工力学行为，并对不同工况下确定合理施工顺序，得到如下结论。

(1)围岩应力：从围岩应力变化幅度来看，明洞结构物开挖对围岩应力影响大于暗洞结构物开挖所带来的影响；浅埋侧土体敏感性远大于深埋侧土体围岩应力敏感性。

(2)既有结构位移：对于浅埋偏压隧道两侧新建既有结构，开挖会使既有结构产生向开挖侧位移变形，但最终状态时，既有结构会产生向浅埋侧位移；水平近接条件下，对既有结构物影响最大的为水平方向位移，竖向位移(拱顶沉降)基本无影响。

(3)合理开挖顺序：由围岩应力以及位移变化分析，可以得到模型1(浅埋偏压-两侧暗洞结构形式)采用工况2(先开挖深埋侧再开挖浅埋侧)进行开挖；模型2(浅埋偏压-明暗结合结构形式)采用工况1(先开挖浅埋侧明洞再开挖深埋侧暗洞)进行开挖。