林华明 王兆林 陈求胜 游桂林 俞爱月

（福建省建筑科学研究院，福建 福州 350025）

0 引言

随着现代社会的不断进步，城市化发展对隧道工程及铁路工程的要求越来越高，新建隧道对既有地铁隧道安全运营的影响也备受关注［1］。其中表现最为明显的是对既有隧道位移场的影响，因此研究新建隧道明挖段施工对既有铁路路堑的变形影响非常有必要。

国内外学者通过有限元分析、计算模型、室内试验以及工程经验等对既有隧道的安全运营展开了大量研究。廖坤阳等［2］通过有限元分析法，研究了是否回填以及地表荷载的差异对新建隧道边坡以及道路变形的影响，结合现场监测数据进行了对比验证；钟彦之［3］以新建隧道下穿铁路隧道施工为依据，建立了三维数值仿真模型，通过分析既有隧道结构受力以及变形，提出合理的施工工法；张浩［4］通过有限元分析法，模拟了既有隧道近距离上跨既有隧道施工的结构受力及变形状态，分析了施工对既有隧道的安全影响；范德全［5］基于新建隧道上跨爆破振动，研究了新建隧道施工对既有隧道的安全影响，并提出了相应的解决方案；王希宝等［6］介绍了新建高速公路隧道上跨既有引水隧道安全评估方法及解决方法，提出了增加台阶步数以及短进尺的措施。

大量研究表明，新建隧道对既有隧道的影响与解决方案目前仍备受关注，因此本研究依托于二维平面应变有限元分析方法，针对新建隧道明挖法与暗挖法施工探讨新建隧道对既有铁路路堑的影响，分析结果可为类似工程提供参考依据。

1 数值仿真模型建立

某新建隧道为单线隧道，起止桩号为DK0+995～DK1+885，新建隧道施工对岩土体卸载以及爆破施工的影响，可能造成既有隧道结构位移过大及围岩应力过高使得隧道产生开裂。为研究新建隧道施工引起铁路路堑变形情况，本研究选取DK1+300明挖处及DK1+440暗挖处作为研究对象。计算断面相对位置关系如表1所示。

表1 计算断面关系

1.1 数值仿真模型

如图1所示，计算模型的长×宽为150 m×60 m，在该区通过模拟明挖法1∶0.75放坡开挖分析整个施工期间对铁路路堑的影响。计算模型两侧限制水平位移，底部限制竖向位移，顶部为自由面，模拟不考虑开挖边坡的稳定。新建隧道衬砌及既有铁路路堑采用线弹性梁单元，岩土体采用平面应变，本构模型采用修正摩尔-库伦准则。

图1 数值仿真模型网格划分

1.2 计算参数

某新建隧道相关结构计算参数具体如下。①DK1+300断面明挖处：放坡开挖采用10 cm厚网喷C25混凝土和直径22 mm、长度4 m锚杆进行坡面防护；永丰村隧道衬砌采用C30钢筋混凝土，厚度50 cm。②DK1+440断面暗洞开挖处：永丰村隧道初期支护采用C25喷射混凝土，厚度25 cm，临时仰拱采用厚度20 cm的C25素混凝土，初支锚杆直径为22 mm，长3.5 m，弹性模量210 GPa，重度78.5 kN/m3，二次衬砌采用C30钢筋混凝土，厚度50 cm。岩土计算参数如表2所示。

表2 岩土计算参数

2 数值仿真模型计算结果分析

2.1 既有铁路路堑位移分析点选取

提取DK1+300及DK1+400断面土体位移分析点如图2所示。

2.2 DK1+300既有铁路路堑位移分析

提取DK1+300断面土体变化曲线如图3所示，其中A1～F2分别表示图2（a）中从左向右6个节点，施工步序1、2、3分别表示新建隧道地层开挖和边坡支护、隧道衬砌及覆土回填、永久坡面加固3个施工步序。

图2 DK1+300及DK1+440断面土体位移分析点

由图3（a）可知，DK1+300断面地层开挖和边坡支护过程中，由于开挖时对边坡周边土体产生的挤压现象，使得周边边坡土体出现隆起，最大的隆起值达到11.1 mm；在隧道衬砌施作及覆土回填过程中，由于重力场的强度提高，使得边坡周边土体发生较大的沉降现象，与隆起值为0的点比较可以发现，最大沉降差达到-17.1 mm；在永久坡面加固的施作过程中，土体基本趋于稳定。

由图3（b）可知，DK1+300断面地层开挖和边坡支护过程中，周边边坡土体出现开挖面向外侧产生挤压力，即产生左侧向左的挤压力、右侧向右的挤压力，最大的水平位移值达到11.1 mm；在隧道衬砌施作及覆土回填过程中，由于荷载是从下部往上部逐渐增加，产生边坡周边土体向内侧回缩的现象，且下部的回缩量小于上部的回缩量，与隆起值为0点比较可以发现，最大水平位移差达到-13.5 mm，且出现在边坡右侧上部位置；在永久坡面加固的施作过程中，土体基本趋于稳定。

图3 DK1+300断面新建隧道施工位移变化图

综上所述，在整个DK1+300断面施工全过程中，既有铁路路堑的最大沉降为-0.2 mm，水平位移最大值为0.3 mm。既有铁路路堑变形最大的施工阶段为明挖法放坡开挖阶段，该施工阶段需要将新建隧道明挖段上部土体挖出，对地层有着较大的扰动。主要原因是在施工场地内的土体未被开挖前，整个施工区域在初始地应力的作用下处于某种稳定状态，而当放坡开挖打破了初始场地稳定状态，此时土体开挖区域外土体塑性区增大，土体表现出较强的流动性，会发生向坑内位移的现象，围护桩体受到坑外主动土压力的作用，产生向土体开挖区域内部倾斜的趋势，从而导致坑外土体沉降的现象产生，而距离实际开挖面越近，这种趋势也会越明显。笔者研究的断面采用明挖法施工，且存在1∶1的放坡开挖，安全系数较高，开挖深度较浅，围护桩和土体的变形均在毫米量级以内，结构安全度较高。

2.3 DK1+440既有铁路路堑位移分析

提取DK1+440断面土体位移变化曲线如图4所示，其中A3～H4分别表示图2（b）中从左向右8个节点，施工步序1、2、3分别表示新建隧道上台阶开挖、下台阶开挖、施作二衬3个施工步序。

由图4（a）可知，DK1+440断面上台阶开挖过程中，由于土体受到施工扰动发生应力重分布的现象，上部土体发生沉降，最大的沉降差达到-10.7 mm，隧道具有一定的自稳能力，从邻近既有铁路路堑的沉降值可以看出，沉降不明显；随着新建隧道支护结构施作以及此时岩体已趋于稳定，竖直向变形增加较小。

由图4（b）可知，DK1+440断面上台阶开挖过程中，周边土体受到挤压作用，并随着边坡效应，位移出现向右移动的趋势，距离新建隧道越远，移动趋势越小，最大的水平位移差达到6.1 mm；随着隧道支护结构施作以及围岩稳定，水平方向位移增加基本趋于稳定。

图4 DK1+440断面新建隧道施工位移变化图

综上所述，DK1+440断面既有铁路路堑变形最大的施工阶段为施作二衬阶段，该施工阶段将在初支完成后进行二次衬砌支护，地层的压力使初支承受较大压力发生变形，对地层有着较大的扰动。分析原因是在施工场地内的土体未被开挖前，整个施工区域在初始地应力的作用下处于某种稳定状态，而当隧道台阶法开挖打破了初始场地稳定状态，此时土体开挖区域外土体塑性区增大，土体表现出较强的流动性。既有铁路路基的变形均在毫米量级，变形较小，结构安全系数较高。

3 结论

本研究通过二维应变数值仿真模型对新建隧道施工引起的既有铁路路堑变形展开研究，针对新建隧道明挖法与暗挖法施工探讨新建隧道对既有铁路路堑的影响，得到以下结论。

①根据不同的施工工序，DK1+300断面最大沉降差达到-17.1 mm，水平位移差达到11.1 mm，且出现在新建隧道地层开挖和边坡支护这一工序当中；DK1+440断面最大沉降差达到-10.7 mm，水平位移差达到6.1 mm，且出现在新建隧道上台阶开挖这一工序。研究发现，隧道初期开挖使得岩土体原应力重分布，开挖后快速趋于稳定，因此需要特别关注隧道初期开挖时岩土体的稳定性。

②DK1+300断面明挖段施工全过程中，既有铁路路堑的最大沉降值为-0.2 mm，最大水平位移值为0.3 mm，变形基本趋于稳定；DK1+440断面暗挖法施工全过程中，既有铁路路堑变形最大的施工阶段为施作二衬阶段，最大隆起值为0.7 mm，最大水平位移值为1.4 mm，隧道开挖过程使得土体开挖区域外土体塑性区增大，土体表现出较强的流动性。

③就笔者研究的既有铁路路堑变形而言，新建隧道与既有铁路路堑步距较大，既有铁路路堑所产生的变形量较小，变形区域处于安全范围。该研究结果可为类似工程提供参考依据。