上下交叠隧道近接施工力学特性的监控量测与数值模拟分析

陈培煌

（中铁二十二局集团第三工程有限公司 福建厦门 361010）

1 引言

上下交叠隧道近接施工的工程实例通常出现在城市地铁隧道建设中，许多学者已针对盾构法隧道近接施工的力学响应问题，展开了深入研究［1-2］。近年来随着我国交通基础设施建设规模的不断扩大，山岭隧道中也开始出现上下交叠近接施工的案例［3］。

王清标等［4］在FLAC3D平台上，研究了近接交叠隧道施工中，不同开挖方式对围岩变形的影响，认为CRD法对围岩变形的控制效果优于眼镜法和台阶法。毛新颖等［5］采用有限差分法对地铁盾构下穿公路隧道的施工全过程展开数值模拟，发现既有隧道的存在对地层变形有一定约束作用，距离公路隧道越近，由盾构穿越引起的地面横向沉降越小。饶竹红等［6］在PLAXIS平台上，对海相淤泥地层中的交叠隧道的施工过程展开数值模拟，认为新建隧道下穿施工对周围地层影响极大，造成既有线路下沉14 mm，地表沉降69 mm。龚伦等［7］依托连霍高速公路路堑扩挖工程，采用模型试验、数值模拟和现场监控等手段研究了上方路堑开挖对下伏既有铁路隧道的影响，给出保障既有隧道安全运营的临界埋深。

综上所述，随着交通基础设施建设的迅猛发展，山岭隧道中近接施工的案例开始逐渐增多；同时由于近接施工问题的特殊性与复杂性，对其施工力学特性展开细致分析，是当前隧道与地下工程建设中的热点与难点问题。本文以厦门北动车应用所新建刘塘隧道，上跨穿越既有杭深线铁路隧道的近接施工为背景，利用现场监测和数值模拟手段，对山岭隧道上下交叠近接施工的力学特性展开深入研究，为新建刘塘隧道的安全施工提供技术支持，也为其他类似近接穿越工程提供参考。

2 工程概况

厦门北动车运用所新建刘塘隧道位于福建省厦门市境内，穿越大帽山丘陵中的一段相对低缓山脊，其地表覆盖层（第四纪全新统坡积、残积土）厚度约为1～5 m不等，全～强风化层约为1～10 m不等，下伏基岩为燕山早期花岗岩。隧道所穿越地层主要为中风化花岗岩，其洞身范围内地质构造较简单，无断裂带或其他不良地质体存在。

该隧道在DK1+480里程处，上跨杭深铁路既有刘塘隧道（其对应里程为DK240+840），其上跨段的平面示意图与横断面示意图，分别如图1和图2所示。

图1 新建刘塘隧道上跨既有刘塘隧道的平面示意

图2 新建刘塘隧道上跨既有刘塘隧道的横断面示意（单位：cm）

上下交叠两座隧道的轴线平面交角为31.5°，上跨段全长约135 m，其中相交断面前后20 m内为正跨段，其余95 m为相邻段。

上跨新建隧道为单洞单线铁路隧道，其内轮廓高度和宽度分别为6.7 m和6.5 m；下伏既有隧道为单洞双线铁路隧道，其内轮廓高度和宽度分别为8.8 m和13.2 m。在其交叉断面处，二者外轮廓之间的最小净距仅有6.3 m。

上跨段范围内的地层主要为中风化花岗岩，构造节理或风化节理稍发育，围岩等级为Ⅳ级。

3 上下交叠隧道的精细化数值模拟

近接施工使得影响区附近的岩体和支护结构的力学特性发生复杂变化，探讨近接施工的力学响应规律，对上下交叠隧道的设计与施工有重要意义。本文在FLAC3D数值平台上，对上下交叠隧道近接施工全过程展开细致模拟，通过数值计算结果与现场监控量测结果的比较，为探讨上下交叠隧道近接施工的力学特性，提供可靠的数据支持与工程验证。

3.1 数值模型建立

数值模型由上下两部分组成，上部为新建刘塘隧道，下部为既有刘塘隧道，其整体尺寸（长×宽×高）为160 m×52 m×87 m，如图3所示。模型顶面取自由边界，但施加0.9 MPa的竖向压力，大致对应50 m的上覆围岩。模型侧面为法向约束边界，模型底面为全约束边界。

图3 上下交叠隧道数值模型示意

围岩采用8节点六面体单元模拟（共计108 558个单元），其本构采用摩尔-库伦模型。根据工程地质勘查报告［8］，隧道穿越地层为中风化花岗岩，其主要物性参数如表1所示。

表1 围岩（中风化花岗岩）物性参数

既有隧道的二衬采用3节点Liner单元模拟，其初支并非本文研究重点，故简单将其等效为周边围岩强度参数提高20%来考虑。新建隧道初支中的喷砼采用3节点Liner单元模拟，锚杆采用2节点cable单元模拟。上述各结构单元均采用线弹性本构，其主要物性参数如表2所示。

表2 结构单元物性参数

3.2 开挖过程及典型工况

上下交叠隧道近接施工过程的数值模拟，可大致分为以下3大步骤：（1）初始地层在自重作用下达到地应力平衡，并将位移清零；（2）采用上下台阶法将下伏隧道逐段开挖，并逐段施作二衬，再次将位移清零；（3）采用上下台阶法对上跨隧道进行逐段开挖，单循环进尺1 m，并逐段施作初期支护（喷砼与锚杆），同时记录初支及围岩中若干关键点的位移与内力情况，如图4所示。

图4 新建刘塘隧道开挖工况示意

4 上下交叠隧道近接施工的力学特性

选取正跨段交叉断面（即新建隧道DK1+480和既有隧道DK2+240）为目标断面，研究上下两座隧道水平收敛、拱顶沉降随施工步的发展规律，研究下伏既有隧道衬砌结构的内力变化规律。

4.1 上跨新建隧道的位移

根据数值模拟结果，新建隧道目标断面的水平收敛与拱顶沉降如图5和图6中的空心线所示。其水平收敛和拱顶沉降大致包含1个陡增阶段和2个平缓增长阶段。施工步未触及到目标断面前，开挖引起应力释放对目标断面的影响较小，水平收敛和拱顶沉降表现为平缓增长；施工步接近及通过目标断面时，水平收敛和拱顶沉降迅速增大；施工步通过目标断面后，水平收敛及拱顶沉降的变化逐渐趋于平缓，与既有研究成果基本一致［9-10］。最终，拱顶沉降累计达16.2 mm，水平收敛累计达14.8 mm。

为便于比较，将新建隧道目标断面上水平收敛与拱顶沉降实测值，也绘制于图5和图6中（如实心线所示）。需要说明的是，监测点布设前发生的前期变形，实际工作中是无法观测的；本文将数值模拟中对应于监测点布设工况时所发生的位移，作为前期位移累加到实测值上。从图中可以看出，监控量测数据所反映的目标断面水平收敛与拱顶沉降规律，与数值模拟结果基本一致。

图5 新建隧道目标断面的水平收敛变化

图6 新建隧道目标断面的拱顶沉降变化

4.2 下伏既有隧道的位移

根据数值模拟结果，既有隧道目标断面的水平收敛与拱顶隆起如图7和图8中的空心线所示。

图7 既有隧道目标断面的水平收敛变化

图8 既有隧道目标断面的拱顶隆起变化

施工步未触及目标断面前，上跨隧道开挖卸载对下伏既有隧道目标断面的影响，表现为轻微的水平反向收敛和拱顶隆起。施工步近接及通过目标断面过程中，水平收敛和拱顶隆起均迅速增大。施工步通过目标断面后，水平收敛和拱顶隆起逐渐趋于平缓，最终累计收敛值为1.8 mm，累计隆起值达2.3 mm。从量值上看，若不考虑爆破振动效应，上跨隧道开挖对下伏既有隧道的力学影响有限。

为便于比较，将既有隧道目标断面的水平收敛与拱顶沉降实测值，也绘制于图7和图8中（如实心线所示）。从图中可以看出，监控量测数据所反映的规律，与数值模拟结果基本一致。从定性分析上看，上方围岩压力部分卸载后，使得侧压力系数相对增大，因此衬砌结构发生水平向收敛和竖直向隆起，这与既有研究成果是一致的［11-12］。

4.3 下伏既有隧道的衬砌内力

由于无法对既有隧道衬砌上的内力进行实测，本节仅根据数值模拟结果，进一步讨论既有隧道衬砌内力（轴力与弯矩）随施工步的变化规律。选择既有隧道目标断面中的拱顶、左右拱腰与拱底4个测点，绘制其轴力与弯矩随施工步的变化如图9和图10所示。

图9 既有隧道目标断面的轴力变化

图10 既有隧道目标断面的弯矩变化

随着施工步的推进，既有隧道目标断面衬砌上的轴力值总体呈减小趋势。由于上下交叠隧道呈小角度斜交，故左拱肩处（迎挖侧）的轴力显著降低，其降幅达16%（约100 kN），而背挖侧（右拱肩）与拱顶处的轴力变化幅值较小。另一方面，随着施工步的推进，既有隧道目标断面衬砌拱顶处的弯矩显著减小，其降幅达31%（约20 kN·m），而其余部位的弯矩基本不变。这与前文所述关于衬砌结构位移的发展趋势（水平向收敛和竖直向隆起）是相符的。

5 结论

以厦门北动车运用所新建刘塘隧道为背景，通过现场实测数据和数值模拟数据来分析上跨新建隧道开挖对下伏既有隧道的影响，所得结论如下：

（1）从定性分析来看，上方围岩压力卸载后，使得侧压力系数相对增大，因此既有隧道衬砌的位移发生水平向收敛和竖直向隆起。

（2）受上跨隧道卸载的影响，下伏既有隧道衬砌上的内力总体呈减小趋势：其中迎挖侧衬砌轴力的降幅显著大于背挖侧，而拱顶处衬砌弯矩的降幅显著大于其他位置。

（3）从量值上看，若不考虑爆破振动效应，上跨隧道开挖对下伏既有隧道的力学影响有限。