暗挖隧道多斷面開挖對緊鄰既有隧道結構影響的模擬分析

劉明武

（華南理工大學，廣東 廣州 510641）

0 引言

隨著城市化建設的不斷深入，暗挖隧道工程日益增多。在新建隧道的同時，會使緊鄰既有隧道結構的圍巖應力重分布，導致既有隧道結構的內力和位移發生變化[1]，且隨著施工的不斷深入，也會引起地面的沉降[2]，進而影響既有隧道的正常運營。因此，在新建隧道時對既有隧道結構的保護也引發了學者們、設計、建設單位的重視和思考。

淺埋暗挖法是一種距離地表較近的地下各類型洞室暗挖的施工方法，具有無污染、無噪聲的特點，可控制地表沉降達到最小值[3]，常見的開挖技術方法包括全斷面開挖、臺階開挖等[4]。在面對不同的地層環境時應靈活地選擇施工技術，保障隧道工程安全高效地進行施工。本文基于某緊鄰既有隧道的暗挖隧道工程，借助三維有限元軟件對多斷面暗挖施工過程進行模擬，就淺埋暗挖法的相關施工技術對緊鄰既有隧道結構的影響進行探討分析，其結論和經驗可為類似工程的隧道結構安全保護提供參考。

1 工程概況

某暗挖隧道渡線區域位于既有隧道下方，與既有隧道最小豎向凈距約為13.4m。渡線區域涉及A型、B1型、B2型、B3型、H型、K型等多個斷面，隧道各斷面施作情況如表1所示。

表1 隧道各斷面施作情況

渡線區間設有1#和2#豎井，豎井通過H型橫通道進入到左右線暗挖隧道的施作位置。其中，1#豎井尺寸為14.8m×12.8m，深度37.9m，采用鉆孔咬合樁，Φ800素砼鉆孔灌注樁和Φ1000鋼筋砼鉆孔灌注樁間隔650mm布置，設置6道混凝土支撐，支撐尺寸800mm×1000mm，1#豎井與既有隧道的最小水平凈距約為25.8m，基坑底深于既有隧道底約為27.7m。2#豎井尺寸為10m×6m，采用倒掛井壁法進行施工，井壁采用砼+鋼架+錨桿進行支護，厚度約0.5m，中間支撐采用工字鋼，豎向間隔為0.5～0.75m，環向間隔為1.0m。2#豎井支護樁與既有隧道的最小水平凈距約為4.7m，基坑底深于既有隧道底約為28.1m。渡線區暗挖隧道與既有隧道的平面位置如圖1所示。

圖1 渡線區暗挖隧道與既有隧道的平面位置圖

既有隧道區域地層主要為填土、中粗砂、可塑殘積土。既有隧道下臥地層主要為可塑殘積土層，暗挖隧道所處地層主要為強風化、中風化、微風化泥質粉砂巖。

2 三維有限元數值模擬分析

2.1 計算模型

采用MIDAS/GTS有限元軟件建立三維有限元數值模型，模擬暗挖隧道的施工過程，探究多斷面開挖對緊鄰既有隧道結構的變形影響，同時開展水位下降誘發既有隧道沉降計算分析。

為消除模型邊界對計算結果的影響，計算模型尺寸為100m（縱向長度）×80m（水平寬度）×60m（垂向深度），土體采用3D實體單元模擬，暗挖隧道的襯砌結構、既有隧道的外壁采用2D板殼單元模擬，錨桿、豎井內支撐采用1D梁單元模擬，管棚支護的模擬參照文獻[5]，按照1D梁單元進行模擬[5]。計算模型的上端為自由邊界，底部施加完全約束，各側面施加對應方向的位移約束。

計算模型采用的本構為摩爾-庫倫本構，將各土層簡化為各向同性、均勻且連續的土層，土層自上而下簡化為填土、可塑殘積土、強風化泥質粉砂巖和中風化泥質粉砂巖。根據現場勘察報告，土層的力學參數取值如表2所示。

表2 土層力學參數

2.2 模擬結果及分析

2.2.1 暗挖施工對既有隧道位移量影響

暗挖隧道施工誘發緊鄰既有隧道結構的位移量如表4所示，既有隧道結構的最大位移發展曲線圖如圖2所示，既有隧道結構的縱向沉降曲線如圖3所示。

圖2 暗挖隧道施工過程既有隧道結構的最大位移發展曲線

圖3 暗挖隧道施工過程既有隧道結構的縱向沉降曲線

施工工況為場地初始地應力場分析、1#豎井和2#豎井的開挖、H型斷面開挖、靠近1#豎井的B1和B3型隧道斷面開挖、靠近2#豎井的B2和B3型隧道斷面開挖、B1型斷面開挖、A型斷面開挖、K型斷面開挖，此外還包括超前小導管的施作、臨時中隔墻的拆除，三維模擬的動態施工過程如表3所示，計算工況共49個。

表3 三維動態施工過程

經分析可得出以下結論：

（1）由表4和圖2可知，暗挖隧道施工誘發緊鄰既有隧道結構的最大水平位移為1.3mm，最大豎向沉降為6.2mm，最大總位移為6.2mm，表明在既有隧道下方進行暗挖隧道施工，對其產生的位移影響主要以豎向位移為主。

表4 暗挖隧道施工誘發緊鄰既有隧道結構的位移量（單位：mm）

（2）由圖3可知，既有隧道沉降縫最大的差異沉降為0.6mm，發生在多斷面同步開挖施作時，施工過程應實時對既有隧道結構的沉降進行監控。

2.2.2 水位下降誘發既有隧道沉降計算分析

根據工程地質資料，采用分層總和法計算分析水位下降幅度對既有隧道沉降所產生的不利影響，為預測既有隧道沉降量以及暗挖隧道施工誘發的水位下降幅度提供依據。圖4為水位下降誘發既有隧道結構沉降計算曲線。分析可得以下結論：

圖4 水位下降誘發既有隧道結構沉降計算曲線

（1）鑒于既有隧道下臥地層主要為可塑殘積土層，存在可壓縮土層，且由于土層厚度和土性存在一定的差異，水位下降將導致既有隧道發生一定程度的沉降，并誘發既有隧道縱向產生不均勻沉降差，因此需要嚴格控制水位下降的幅值。

（2）由圖4可知，當地下水位下降2.5m時，既有隧道的最大沉降為4.8mm，鑒于按大面積水位下降進行的隧道沉降計算結果對工程偏于安全，因此，認為該范圍內地下水水位下降幅度嚴格控制在2.0m內，以確保隧道結構的安全和正常行車。

3 結束語

本文通過三維有限元模擬暗挖隧道施工過程對既有隧道結構的影響，并開展水位下降對既有隧道沉降計算，得出結論如下：

（1）在既有隧道下方進行暗挖隧道施工，對其產生的位移影響主要以豎向位移為主。

（2）既有隧道沉降縫的差異沉降在多斷面同步開挖施作時最大，因此，在施工過程中應對既有隧道結構的沉降進行實時監控。

（3）當既有隧道所處的地層存在可壓縮土層時，水位下降將導致既有隧道發生一定程度的沉降，并誘發既有隧道縱向產生不均勻沉降差，因此需要嚴格控制水位下降的幅值。