黃土地區(qū)隧道施工對(duì)臨近既有隧道影響的數(shù)值模擬研究

摘要：通過數(shù)值模擬軟件探討在兩條既有隧道間新建隧道時(shí)，新建隧道在不同開挖方式下對(duì)既有隧道的影響特點(diǎn)，以此選出最合適的施工方法。通過模擬新建隧道施工時(shí)對(duì)既有隧道的位移影響，得出最危險(xiǎn)線路及斷面，并以此為基礎(chǔ)，探討新建隧道的最佳開挖方法。從結(jié)果看，建議以三臺(tái)階法進(jìn)行施工。

關(guān)鍵詞：黃土地區(qū)；隧道施工；三臺(tái)階；數(shù)值模擬

0" "引言

隨著隧道數(shù)量不斷增多，在既有隧道臨近位置修建新隧道的情況越來越多。既有隧道臨近位置修建新隧道施工過程中，難免會(huì)出現(xiàn)上穿、下穿和重疊等情況[1]。新建隧道會(huì)對(duì)既有隧道產(chǎn)生二次擾動(dòng)，導(dǎo)致一定深度范圍內(nèi)的既有隧道產(chǎn)生應(yīng)力重分布的情況，進(jìn)而引發(fā)不同程度的沉降和變形。若該種附加變形過大，則可能會(huì)導(dǎo)致隧道出現(xiàn)滲水或沉降等情況，不利于隧道的運(yùn)營安全。

在確保既有隧道安全的基礎(chǔ)上，如何快速修建新隧道是值得重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容[2]。黃土因其特殊性而難以量化相關(guān)性質(zhì)，導(dǎo)致黃土地區(qū)隧道近接的施工研究難度大大提升。從遠(yuǎn)期規(guī)劃看，黃土地區(qū)隧道近接施工會(huì)持續(xù)存在，且會(huì)越來越多，這就使其成為鐵路建設(shè)中必須解決的問題之一。本人基于現(xiàn)有研究成果，探討黃土地區(qū)隧道近接施工對(duì)既有隧道的影響非常有必要。

1" "工程概況

某新建隧道全長908m，位于兩條既有線路之間。從現(xiàn)場勘察資料可知，該隧道周圍以黃土地質(zhì)為主，整體表現(xiàn)出東高西低的走勢，因長期受到水流沖刷的作用，導(dǎo)致其局部有發(fā)育滑坡。

2" "模型建立

考慮到該隧道所處環(huán)境降雨量較少，因此在模型建立時(shí)不考慮雨水的滲透作用。從相關(guān)經(jīng)驗(yàn)和研究可知，隧道施工往往會(huì)對(duì)其3～5倍的洞徑產(chǎn)生較大影響，因此所建模型大小為左右側(cè)隧道邊界110m以及下側(cè)邊界40m。以上述分析為基礎(chǔ)劃分相應(yīng)單元格，共有497000個(gè)單元和490850個(gè)節(jié)點(diǎn)。按位移邊界施加約束，底邊施加豎向位移約束，上邊則為自由邊界，具體模型如圖1所示。

3" "新建隧道開挖對(duì)既有隧道影響分析

隧道施工會(huì)導(dǎo)致地層出現(xiàn)不均勻沉降，從而影響既有隧道的運(yùn)營質(zhì)量[3]。因既有隧道和中線新建隧道存在夾角，中線新建隧道施工時(shí)，既有隧道不同斷面位置會(huì)受到不同的影響，因此需先確定研究斷面[4]。考慮到邊界效應(yīng)的影響下，既有隧道邊界斷面會(huì)出現(xiàn)過大的應(yīng)力或位移，因此制定如表1所示工況。

各斷面觀測點(diǎn)布置見圖2。下文以全斷面法施工時(shí)、1m施工進(jìn)尺下，C25初期襯砌混凝土挖通后的中線隧道為研究背景，探討不同斷面處左右兩條既有隧道的位移變化情況。

3.1" " 既有左線不同斷面處襯砌位移分析

3.1.1" "左線隧道各斷面水平位移

左線隧道各斷面水平位移具體變化見圖3。從圖3可以看出，左線水平位移均朝左，且在5m斷面處有2.91mm的襯砌水平位移最大值，35m斷面處則最小。左線各斷面均在拱頂處有最大水平位移，并從拱頂?shù)焦暗撞粩鄿p小。拱頂有最大位移變化量，其余觀測點(diǎn)變化較小，說明各斷面有較為接近的水平位移。分析認(rèn)為，其原因在于左線和中線距離較遠(yuǎn)，中線開挖對(duì)各觀測點(diǎn)的擾動(dòng)較小。

3.1.2" "左線隧道各斷面豎向位移

左線隧道各斷面豎向位移見圖4。從圖4可知，各斷面左拱腰和左拱腳隨著不斷掘進(jìn)的新建隧道施工而不斷下沉，且下沉值不斷增加。各斷面右拱腰和右拱腳隨著不斷掘進(jìn)的新建隧道施工表現(xiàn)為隆起，且隆起值不斷減小。

分析認(rèn)為，其原因在于左側(cè)山體朝左下的偏壓力對(duì)左側(cè)壁產(chǎn)生沉降作用，襯砌為整體結(jié)構(gòu)且該隧道埋深較淺，導(dǎo)致右側(cè)壁出現(xiàn)上翹、上浮，而左壁不斷下沉。隨著不斷增大的施工里程，左壁和左側(cè)山體距離越發(fā)接近，所承受的偏壓力不斷增大，因而沉降量不斷增大。

中線隧道施工時(shí)，初期襯砌施加時(shí)間較為滯后。在中線隧道施工的影響下，左線隧道遠(yuǎn)離洞口位置的擾動(dòng)不斷增強(qiáng)，且擾動(dòng)所形成的下沉作用逐漸比偏壓所形成的上浮大，因此與洞口較遠(yuǎn)的上浮量不斷減小。拱頂和拱底所承受的偏壓和擾動(dòng)作用在左側(cè)壁和右側(cè)壁間，因此在第1個(gè)斷面和第4個(gè)斷面均表現(xiàn)為隆起，在后續(xù)斷面中則表現(xiàn)為沉降。

綜合上述分析可知，左線隧道的左側(cè)壁出現(xiàn)下沉，而右側(cè)壁出現(xiàn)上浮，隧道整體出現(xiàn)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)趨勢，但因位移值較小，因此旋轉(zhuǎn)程度較小。

3.2" " 既有右線不同斷面處襯砌位移分析

3.2.1" "既有右線隧道各斷面水平位移

既有右線隧道各斷面水平位移見圖5。從圖5可知，各斷面觀測點(diǎn)均出現(xiàn)朝右的水平位移，拱底有最大水平位移，拱頂有最小水平位移。在5m斷面位置有最大水平位移，35m斷面處有最小水平位移。各斷面拱底水平位移均比拱頂水平位移大。此外，與洞口斷面接近的拱頂和拱底水平位移，大于遠(yuǎn)離洞口斷面的水平位移。

3.2.2" "既有右線隧道各斷面豎向位移

既有右線隧道各斷面豎向位移見圖6。從圖6可以看出，各斷面觀測點(diǎn)均有所下沉，且左拱腰和左拱腳有最大下沉量，右拱腰和右拱腳有最小下沉量。在5m斷面處有最大沉降量，該斷面的左拱腰有最大沉降量。各觀測點(diǎn)沉降量隨著不斷掘進(jìn)的隧道而不斷減小，在35m斷面處右拱腰有最小沉降量，左拱腰沉降量均大于右拱腰，因此右線隧道有逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)趨勢。分析認(rèn)為，其原因在于中線新建隧道施工，導(dǎo)致右側(cè)隧道出現(xiàn)左側(cè)臨空面，且右線上部山體為左低右高，左側(cè)壁有較薄的覆土，因此產(chǎn)生較大擾動(dòng)[5]。

3.3" " 確定斷面及研究線路

從上述研究可以看出，左線隧道在5m斷面的拱頂位置有2.82mm的最大水平位移，右線隧道在5m斷面的拱底位置有14.23mm的最大水平位移，兩側(cè)隧道均在5m斷面出現(xiàn)的最大水平位移約，且有12.6mm的差值，相差較大。

左線在45m斷面的左拱腰處有3.18mm的最大豎向位移，右線在5m斷面的左拱腰處有17.52mm的最大豎向位移，兩側(cè)隧道的最大豎向位移有13.66mm的差值，相差較大。

綜上左線的水平位移和豎向位移均小于右線隧道，右線為危險(xiǎn)線路，需對(duì)右線隧道加以重點(diǎn)關(guān)注，且右線5m斷面有最大的豎向位移和水平位移。下文將以右線隧道的5m斷面作為研究對(duì)象。

4" "不同開挖方式對(duì)既有隧道穩(wěn)定性影響分析

以右線5m斷面為研究對(duì)象，探討全斷面法和三臺(tái)階法施工對(duì)隧道穩(wěn)定性的影響。

4.1" " 全斷面法施工對(duì)既有隧道穩(wěn)定性影響分析

4.1.1" "既有右線隧道各觀測點(diǎn)水平位移

全斷面法施工時(shí)，既有右線隧道各觀測點(diǎn)水平位移見圖7。從圖7中可知，在掘進(jìn)2m時(shí)，拱頂處有朝左1.11mm的水平位移。在掘進(jìn)4m時(shí)，拱頂處有朝左1.82m的水平位移，相對(duì)而言數(shù)值有所上升。在掘進(jìn)4～6m時(shí)，水平位移變化較小。分析認(rèn)為拱頂水平位移峰值為1.8mm，再6m后繼續(xù)掘進(jìn)時(shí)，其水平位移逐漸減小，到12m時(shí)水平位移減小到0。隨后其水平位移則不斷朝右邊增加，直到掘進(jìn)到40m時(shí)其朝右位移穩(wěn)定在1.3m左右。

分析認(rèn)為，中線隧道挖掘時(shí)，右線左壁會(huì)出現(xiàn)臨空面，且中線隧道上方土體因受到擾動(dòng)而產(chǎn)生下沉，隨之出現(xiàn)偏向左下方的位移，加之襯砌施加較為滯后，因此拱頂出現(xiàn)朝左的水平位移。在掘進(jìn)到6m之前，朝左的水平位移不斷增大。在6m之后，因襯砌施加完畢且開始發(fā)揮作用，襯中線襯砌表現(xiàn)出剛體作用，因而拱頂?shù)奈灰浦饾u朝右側(cè)發(fā)展。又因?yàn)樵摂嗝媾c掌子面距離較遠(yuǎn)，影響逐漸減小，最終得以保持穩(wěn)定。

左拱腳和右拱腳位移變化規(guī)律一致，位移均朝右且不斷增加，并分別穩(wěn)定在12.5mm和12.7mm。相比之下，左拱腳的位移要小于右拱腳的位移。分析認(rèn)為，中線施工時(shí)，右線左壁所受到的右下偏壓作用，大于臨空面產(chǎn)生的向左的擠壓作用[6]，因此從位移一開始就朝向右邊，表現(xiàn)出右線受壓狀態(tài)，從而出現(xiàn)右拱腳水平位移較大情況。

相比左拱腰，右拱腰的水平位移也較大。拱底位移不斷增加，并在14mm處穩(wěn)定下來，有最大的水平位移。分析認(rèn)為，開挖中線時(shí)，上部土體受到干擾而出現(xiàn)下沉現(xiàn)象，對(duì)右線左壁造成一定的擠壓，且中線底部比右線底部低，導(dǎo)致擠壓作用更加明顯，因而拱底處的水平位移最大。

4.1.2" "既有右線隧道各觀測點(diǎn)豎向位移

全斷面法施工時(shí)，既有右線隧道各觀測點(diǎn)水平位移見圖8。從圖8中可知，隨著掘進(jìn)里程的不斷增加，各觀測點(diǎn)的豎向位移變化基本一致。但相對(duì)而言，右側(cè)拱腰和拱腳處的位移較小，且右拱腰的豎向位移小于右拱腳。各觀測點(diǎn)豎向位移最終穩(wěn)定后，左拱腰豎向位移最大，右拱腰豎向位移最小。

兩者有著較大的沉降差，達(dá)7mm左右，可能會(huì)有逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)趨勢。此時(shí)中隔墻有較大的剪切作用，即對(duì)于既有線路的穩(wěn)定性而言，新建隧道的中隔墻施工質(zhì)量對(duì)其有著較大的影響。因此在施工時(shí)，應(yīng)對(duì)左壁關(guān)鍵點(diǎn)的位移變化情況加以重點(diǎn)監(jiān)測，若發(fā)現(xiàn)有著較大位移差距，要采用一定的加固措施，避免出現(xiàn)安全問題。

4.2" " 三臺(tái)階法施工對(duì)既有隧道穩(wěn)定性影響分析

4.2.1" "既有右線隧道各觀測點(diǎn)水平位移

三臺(tái)階法施工時(shí)，既有右線隧道各觀測點(diǎn)水平位移見圖9。從圖9中可知，在掘進(jìn)到2m時(shí)，拱頂有朝左的0.82mm水平位移，比全斷面法施工時(shí)的下沉量減小約25%。當(dāng)掘進(jìn)到4m時(shí)，拱頂有朝左的1.33mm水平位移，比全斷面法施工時(shí)的下沉量減小約26.5%。中線新建隧道掘進(jìn)到6m后，既有右線隧道的水平位移逐漸降低，并在掘進(jìn)到11m時(shí)趨于0。三臺(tái)階施工所導(dǎo)致的水平位移，要小于全斷面法施工時(shí)的水平位移，即從控制隧道的水平位移看，采用三臺(tái)階法進(jìn)行施工效果更好。

4.2.2" "既有右線隧道各觀測點(diǎn)豎向位移

三臺(tái)階法施工時(shí)，既有右線隧道各觀測點(diǎn)豎向位移見圖10。從圖10中可知，隧道各個(gè)測點(diǎn)有一致的豎向位移變化規(guī)律，左側(cè)拱腰和拱腳的豎向位移穩(wěn)定在18m處，拱底穩(wěn)定在12m處，拱頂則穩(wěn)定在20m處，右側(cè)拱腰和拱腳的豎向位移最小，且右側(cè)拱腰的豎向位移小于右側(cè)拱腳。最終穩(wěn)定后，左側(cè)拱腰豎向位移最大，右側(cè)拱腰豎向位移最小。三臺(tái)階法施工時(shí)所產(chǎn)生的豎向位移，要小于全斷面法施工時(shí)所產(chǎn)生的豎向位移。綜上可知，采用三臺(tái)階法施工時(shí)沉降值較小，即采用三臺(tái)階法能有效控制既有隧道沉降。

5" "結(jié)語

在確保既有隧道安全的基礎(chǔ)上，如何快速修建新隧道是值得重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容。黃土因其特殊性而難以量化相關(guān)性質(zhì)，導(dǎo)致黃土地區(qū)隧道近接的施工研究難度大大提升。從遠(yuǎn)期規(guī)劃看，黃土地區(qū)隧道近接施工會(huì)持續(xù)存在，且會(huì)越來越多，這就使其成為鐵路建設(shè)中必須解決的問題之一。

本文通過數(shù)值模擬軟件探討了黃土地區(qū)新建隧道施工對(duì)臨近既有隧道的影響，從結(jié)果看，新建隧道通過三臺(tái)階法施工時(shí)，既有右線隧道襯砌位移要明顯小于全斷面法施工時(shí)產(chǎn)生的位移，有利于既有隧道的穩(wěn)定性，因此在忽略其他條件的情況下，建議以三臺(tái)階法進(jìn)行施工。

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