小净距黄土隧道错距施工对既有隧道影响的数值模拟分析

张帅珂，王友谊

(中交一公局集团第七工程有限公司，河南郑州451450)

0 引 言

随着我国经济的快速发展和交通建设的不断推进，公路隧道的数量逐年增多，不可避免地出现大量的近接施工工程。在近接工程中，新建隧道的施工将对既有隧道造成不同程度的影响，分析并明确新建隧道施工过程对既有隧道的影响程度是保证既有隧道安全稳定的关键。研究人员采用现场监测、数值模拟、模型试验多种方法进行了一系列的相关研究[1- 8]。万飞等[9]运用MIDAS-GTS有限元分析软件对比了新建隧道采用明挖暗埋法施工和暗挖法施工对既有隧道受力及变形的影响规律，并对既有隧道的安全性进行了评价，经过综合对比，推荐明挖暗埋施工方案。针对下穿既有车站的新建地铁区间隧道工程，万良勇等[10]分别计算了全断面、台阶法及CRD法3种开挖方案引起的既有车站及轨道变形，对比分析了隧道变形量和车站结构的受力变化情况后，最终确定了区间隧道下穿既有车站的施工开挖方案和注浆加固参数。王伟[11]采用数值模拟研究了新建单洞隧道不同预加固刚度和不同净距下穿施工对既有隧道的影响规律，提出了既有地铁隧道沉降控制标准和分区指标。王军琪等[12]利用现场监测数据，分析了暗挖通道上跨施工对既有地铁隧道初支与二衬间的接触压力及二衬混凝土应力的影响。吕玉东[13]针对2条既有隧道间新建隧道的工程问题，研究了不同开挖方式、不同开挖进尺下开挖中线新建隧道，对左右2条既有隧道衬砌变形及应力的影响，进而比选出最合理的参数进行施工。张新建等[14]对小间距平行隧道施工过程进行了数值模拟，分析了不同加固方式和加固范围对先行隧道的影响，得到了不同加固方式的影响规律与合理的加固范围。胡志平等[15]针对西安浅埋暗挖双连拱地铁隧道工程，研究了双连拱隧道主洞错距开挖施工对地表变形和新建隧道支护结构受力及变形的影响规律。

综上，近接工程中，新建隧道的施工方法、加固措施、与既有隧道的净距、交叠角度等因素都会对既有隧道衬砌结构造成不同程度的影响。实际工程中，由于地质条件、线路条件等诸多因素的限制，常选用小净距隧道进行设计。目前，对于小净距隧道上穿既有隧道左右线错距施工的研究鲜有见闻。为此，本文依托新桥隧道上跨蒙华铁路隧道项目，采用数值模拟研究小净距隧道左右线不同错距施工，对既有隧道衬砌结构拱顶沉降、横向位移、拱顶应力变化的影响规律。

1 工程概况

新桥隧道位于三门峡市，所处地貌单元属于黄河Ⅲ级阶地，土层以黄土状粉土和粉质黏土为主，局部为粉细砂，黄土状土具湿陷性，土质均匀，上部表层土层由于人类扰动，多呈松散状，承载力低。新桥隧道为分离式小净距组合隧道，最大埋深约52 m，2条线间净距23 m，其中左线起始桩号为ZK1+664～ZK2+164，长500 m；右线起始桩号为K1+663～K2+160，长497 m。隧道为双向6车道设计，开挖断面大，且埋深较浅，并涉及上穿运行中的蒙华铁路隧道，与蒙华铁路隧道拱顶净距仅为21 m，综合各方因素以及专家审查意见，选用CD法进行施工。图1为隧道施工现场。新建隧道CD法施工工艺流程见图2。

图1 隧道施工现场

图2 CD法施工工艺流程

2 数值模型建立

为研究新桥隧道施工对蒙华铁路隧道安全性的影响，采用ABAQUS软件进行数值模拟。为消除边界约束的影响，模型水平方向取3倍隧道开挖宽度，上部取至地表面，下部取3倍隧道开挖高度。此外，为了保证计算效率，仅取新桥隧道上穿蒙华铁路隧道交叠区段进行分析，模型整体尺寸为160 m×130 m×40 m(见图3)。在数值模拟中，采用C3D8R单元模拟土体和隧道衬砌结构，土体采用M-C本构模型，隧道衬砌结构采用线弹性本构模型。衬砌与围岩间采用绑定接触，采用ABAQUS中单元钝化和激活模拟施工过程中土体开挖和衬砌结构支护。为简化小导管注浆加固，模拟过程中将小导管注浆加固的围岩看作为一个加固层，通过提高岩体的粘聚力和摩擦角模拟围岩加固层[16]。模型共划分为9.2万个网格，模型四周边界施加法向位移约束，底表面施加三向位移约束，上表面为自由边界。新建新桥隧道与既有蒙华铁路隧道位置关系见图4。

图3 整体模型示意

图4 新建隧道与既有隧道位置关系

根据工程地质勘察报告，土层分为杂填土以及第四系上更新统黄土状土、粉土、粉质黏土4层。土体及衬砌结构参数见表1。

表1 土体及衬砌结构材料参数

为深入研究新建小净距隧道左右线错距开挖施工对既有隧道安全性的影响规律，进行了4种不同错距开挖施工方案模拟，分别为左右线错距开挖施工0 m(方案1，同步施工)、错距开挖施工10 m(方案2)、错距开挖施工20 m(方案3)、错距开挖施工40 m(方案4)。开挖进尺均为2 m。

3 数值模拟结果分析

3.1 既有隧道拱顶沉降

新建隧道开挖完成后既有隧道衬砌结构竖向沉降云图见图5。从图5可知，衬砌结构沉降主要集中在既有隧道中部和对应新建隧道的下穿部分，竖向沉降最大值位于既有隧道中心位置，最小值位于既有隧道端部位置。这是由于既有隧道中部位置受到新建隧道左右线开挖施工的累积影响，造成该部分衬砌结构二次扰动，进而表现出沉降最大的现象。

图5 既有隧道衬砌结构竖向沉降云图

为分析错距开挖施工过程中拱顶沉降变化情况，对比方案1和方案3开挖过程中既有隧道衬砌结构拱顶沉降，见图6。图6中，括弧内的数字表示右线开挖进尺。从图6可知，随着新建隧道开挖施工的进行，既有隧道衬砌结构拱顶沉降最大值始终位于既有隧道中心位置，这是由于新建隧道左右线同步开挖，在既有隧道上方形成2个同步的开挖卸荷区，既有隧道中部处于2个开挖卸荷区交叉影响部位，受到的卸荷应力最大，故衬砌结构中部位置拱顶沉降值最大。新建隧道开挖10 m和20 m时，拱顶沉降最大值位于既有隧道对应新建隧道左线正下方位置，随着新建隧道右线开挖的进行，拱顶最大沉降值逐渐向右线所在方向偏移，开挖结束后，最大沉降值位于既有隧道纵向中心位置。

图6 既有隧道衬砌结构拱顶沉降

为对比研究不同错距施工对既有隧道衬砌结构最终拱顶沉降的影响，绘制不同错距施工方案下既有隧道衬砌结构拱顶沉降变化，见图7。从图7可以看出，不同错距开挖方案下最终拱顶沉降趋势相同，4种方案下既有隧道最终沉降值均关于既有隧道中心对称。方案1的拱顶沉降值最大，为6.26 mm；方案2的拱顶沉降值为5.89 mm；方案3的拱顶沉降值为5.64 mm；方案4的拱顶沉降最小，为5.15 mm，均满足相关规范要求。方案1拱顶最终沉降值比方案4大1.1 mm左右，说明新建隧道左右线采用同步开挖施工方案时，对既有隧道衬砌结构拱顶沉降值影响最大，故施工过程中应尽量采用错距施工。

图7 4种方案既有隧道衬砌结构拱顶沉降

3.2 既有隧道横向位移

新建隧道开挖完成后既有隧道衬砌结构横向变形位移云图见图8。从图8可知，既有隧道横向位移变形值很小，最大值约0.3 mm，这是因为新建隧道与既有隧道的平面位置关系近垂直，新建隧道开挖对既有隧道横向变形影响较小。

图8 既有隧道衬砌结构横向变形位移云图

3.3 既有隧道拱顶应力变化

新建隧道开挖完成后既有隧道衬砌结构Mises应力分布见图9。从图9可以看出，靠近既有隧道衬砌结构中部位置的应力值最大，远离中部位置的应力值越小。

图9 既有隧道衬砌结构Mises应力分布

以方案3为例，分析新建隧道开挖施工过程中既有隧道衬砌结构Mises应力变化情况，见图10。从图10可以看出，开挖前20 m，既有隧道衬砌结构应力最大值位于既有隧道中心偏左方位置，随着新建隧道右线开挖的进行，应力最大值逐渐向右偏移，新建隧道开挖结束后，应力最大值位于既有隧道纵向中心位置。此外，新建隧道开挖施工对既有隧道衬砌结构应力变化影响范围在中部80 m范围内，超过该范围外的应力值几乎没有发生变化。

图10 方案3既有隧道衬砌结构Mises应力分布

为深入分析既有隧道拱顶关键位置在新建隧道开挖过程中的应力变化情况，以方案3为例，选取既有隧道拱顶3个点进行研究。A点为既有隧道对应新建隧道左线正下方拱顶位置；B点为既有隧道纵向中心位置；C点为既有隧道对应新建隧道右线正下方拱顶位置。图11为既有隧道拱顶关键点随新建隧道开挖的应力变化。从图11可以看出，前20个开挖步中，A点应力值增加最快，B点次之，C点的应力值几乎不变，这是因为左线开挖对既有隧道左部影响较大，对既有隧道右部影响很小；在接下来20个开挖步中，A、B、C点应力值几乎同比增长；在最后20个开挖步中，C点应力值增加最快，B点次之，A点的应力值几乎不变，这是因为左线已经开挖结束，新建隧道右线的开挖会对既有隧道右部产生较大影响，对既有隧道左部影响很小。

图11 既有隧道拱顶关键点随新建隧道开挖的应力变化

为研究新建隧道不同开挖施工对既有隧道衬砌结构应力增量的影响规律，绘制不同错距施工下既有隧道衬砌结构应力增量变化，见图12。从图12可以看出，不同错距开挖施工下拱顶应力增量分布相同，4种方案下既有隧道拱顶应力增量最大值均为中部。方案1的拱顶应力增量值最大，为392 kPa；方案2的拱顶应力增量值为373 kPa；方案3的拱顶应力增量值为357 kPa；方案4的拱顶应力增量值最小，为325 kPa。方案1比方案4拱顶应力增量大67 kPa，说明新建隧道左右线采用同步开挖方案时，对既有隧道衬砌结构拱顶应力增量影响最大。

图12 4种方案下既有隧道衬砌结构拱顶应力增量

4 现场监测数据对比分析

新桥隧道工程左右线采用错距40 m施工，施工过程中对下卧蒙华铁路隧道交叠区段的多个断面进行了检测，由于蒙华铁路线路已经运营，无法检测衬砌结构拱顶沉降变化，故只对拱腰位置进行了检测，监测位置位于蒙华铁路隧道内检修道高1.5 m处，监测范围从交叠区段向外各延伸50 m，总计100 m，每10 m为1个监测断面。

拱腰沉降模拟数据与实际现场监测数据对比见图13。从图13可以看出，数值模拟结果与现场监测数据趋势相同，都为单峰值曲线，离既有隧道纵向中心越近，拱顶沉降值越大；离既有隧道纵向中心越远，拱顶沉降值越小。数值模拟结果相比现场监测数据偏大，这是由于数值模型建立过程中假定土体为均质和各向同性的材料，且未考虑开挖施工中其他不确定因素，故导致数值模拟结果与现场监测结果存在一定偏差，但该数值模拟结果与现场监测结果呈现的规律一致，验证了数值模拟的合理性，且该数值模拟值应用于实际工程中更偏安全。

图13 数值模拟与现场监测结果对比

5 结 语

本文通过数值模拟方法，分析了小净距黄土隧道左右线不同错距施工对既有隧道衬砌结构受力及变形影响情况，并结合现场监测数据进行对比分析，得出以下结论：

(1)新建隧道左右线采用同步开挖施工方案对既有隧道衬砌结构拱顶沉降影响最大，随着左右线开挖错距的增加，既有隧道衬砌结构拱顶沉降值变小，采用40 m错距施工相比同步开挖施工拱顶沉降值减小了1.1 mm。

(2)由于新建隧道与既有隧道平面位置关系为近乎垂直关系，4种方案下既有隧道衬砌结构横向位移受新建隧道错距施工的影响较小，均为0.3 mm左右。

(3)4种方案下同步开挖施工既有隧道拱顶应力增量最大，且应力增量会随着开挖错距的增加而减小。基于考虑既有隧道安全稳定性问题，在小净距隧道上穿既有隧道类似工程中，建议加大左右线错距进行施工。