新建隧道下穿引发既有隧道变形数值模拟研究

陆金海 王腾飞

（1.中铁大桥勘测设计院集团有限公司华东分公司，江苏 南京 210013；2.中铁大桥勘测设计院集团有限公司，湖北 武汉 430050）

1 引言

随着城市的不断发展，我国轨道交通线路也在由单一线路变为复杂线网，新建盾构隧道下穿既有隧道的情况也越来越多［1-3］。目前国内外学者对此进行了大量的研究。张冬梅［4］分析了地质条件对已建隧道纵向变形的影响并探讨了隧道剪切刚度对隧道纵向变形的影响。张琼方［5］则通过优化和设置盾构施工参数，可以有效控制既有隧道变形在允许范围内。黄春峰等［6］利用PFC离散元软件研究了新建下穿隧道对既有隧道产生的影响，这些研究都是针对于新建隧道对既有隧道的影响，但目前缺少在不同埋深与净距条件下新建隧道对于既有隧道的影响的相关研究。

本文依托广州地铁新建盾构隧道下穿既有地铁隧道工程，采用有限差分软件FLAC3D5.0软件进行数值分析，选取隧道埋深与隧道净距作为变量，设计了9组计算模型，研究新建下穿隧道与既有隧道空间关系对于既有隧道变形的影响，可以为相关设计提供一定的理论依据。

2 依托工程概况

广州地铁某新建盾构区间垂直下穿既有线盾构隧道。既有线隧道底部埋深15.88～16.11m，新建盾构隧道顶部埋深17.72～17.95m，隧道间垂直最小净间距约1.85m。新线盾构隧道使用Ф6260mm土压平衡盾构机施工，中心线距离为18m，盾构管片结构形式为：外径6m，内径5.4m，宽1.5m，厚0.3m，采用错缝拼装。新线盾构隧道下穿既有线隧道位置关系见图1所示。新线隧道下穿既有线处地层物理力学参数如表1所示。

表1 地层物理力学参数

图1 隧道位置关系图

3 数值模型建立

3.1 数值模型的建立

采用Midas-GTS NX建立几何模型与划分网格，导入FLAC3D5.0中进行计算。考虑消除边界效应，模型长度和宽度方向需向外扩展3～5倍隧道洞径，故模型长宽均取为51.0 m，高度取为40.0 m。模型四周约束法向变形，底部约束x、y、z三个方向的变形，顶部不施加约束。在盾构开挖面上施加大小为0.2 MPa的均布力，在注浆层上施加大小为0.3 MPa的向外的径向均布力，建立的三维计算模型如图2所示。

图2 三维计算模型图

3.2 参数的确定

采用Mohr-Coulomb模型作为岩石的本构模型，各层材料的物理力学参数见表1。盾构管片采用壳单元进行模拟，其密度ρ、厚度t、弹性模量E和泊松比μ四个物理力学参数见表2。假定注浆体为理想弹性材料，采用实体单元进行模拟，取为0.4 m，其余参数见表2。

表2 结构单元参数取值

3.3 模型计算步骤

研究内容为下穿隧道对既要隧道的影响，故既有隧道一次开挖完成，并将位移清零，而新建隧道按照实际管片宽度分布开挖，开挖步长为1.5 m，每一步同时激活注浆层。具体计算步骤为：

（1）地应力平衡，位移清零；

（2）一次开挖既有隧道，同时安装盾构管片，对注浆层赋予参数并施加注浆压力，计算完成后位移清零；

（3）分步开挖新建隧道，每一步同时安装盾构管片，对注浆层赋予参数并施加注浆压力，对开挖面施加支护力，直至开挖完成。

3.4 数值模拟工况

为探讨新建下穿隧道对既有隧道的变形影响，选取既有隧道的埋深与净距作为变量，设计了9组计算模型，组成数值计算工况表见表3所示。

表3 数值模拟工况表

4 数值模拟结果

4.1 埋深对既有隧道变形影响

图3为不同埋深下既有隧道竖向变形沿轴向变化规律。可以看到，随着既有隧道埋深的增大，隧道拱底的沉降值也在逐渐增大，其中最大值为工况5时，达37.88 mm，这可能是因为该隧道的埋深较浅，为浅埋隧道，随着埋深的增大，土压力逐渐增大，使得开挖后的位移较大。沉降最大值出现在了下穿隧道正上方。隧道拱顶变化趋势与隧道拱底一致，但由于受新建隧道影响较小，最大值较小，为1.91 mm。

图3 不同埋深下既有隧道竖向变形

图4为不同埋深下下穿正上方既有隧道断面变形情况，可以发现，隧道顶部沉降较小，隧道底部的沉降较大。既有隧道受下穿隧道的影响使得隧道的净空增大，隧道宽度则有较小程度的减小，随着隧道埋深的增大，隧道宽度减小值也逐渐增大。

图4 不同埋深下既有隧道断面变形

4.2 隧道净距对既有隧道变形影响

图5为不同净距下既有隧道竖向变形沿轴向变化规律。可以看到，随着隧道净距的增大，隧道拱底的沉降值不断减小，当隧道间净距大于0.5D时，拱底沉降值趋于稳定，当隧道间净距小于0.5D时，拱底沉降值随着净距减小快速增长，在隧道净距仅1m时，隧道沉降值达34.13mm。隧道拱顶变化趋势与拱底基本一致，但由于拱顶受新建隧道影响较小，在净距小于0.5D时，依然没有快速增长。

图5 不同净距下既有隧道竖向变形

图6为不同净距下下穿正上方既有隧道断面变形情况，可以发现，其形状特点与不同埋深下既有隧道断面变形（图4）相同，随着隧道净距的减小，隧道宽度减小值也逐渐增大。

图6 不同净距下隧道变形示意图

5 结论

本文通过FLAC3D5.0建立有限差分模型数值模拟研究不同埋深与净距条件下下穿盾构隧道对既有盾构隧道的影响，并得到以下结论：

（1）下穿隧道对既有隧道底部位移影响远大于隧道顶部位移影响，使得隧道净空变高，相对应的隧道宽度变窄；

（2）在浅埋条件下，下穿隧道对既有隧道引起的沉降值随着埋深的逐渐增大而逐渐增大；

（3）随着新建隧道与既有隧道净距的增大，既有隧道沉降值不断减小，当隧道间净距大于0.5D时，隧道沉降值趋于稳定，当隧道间净距小于0.5D时，隧道沉降值随着净距减小快速增长。