刘颀楠

(江苏建筑职业技术学院 能源与交通学院，江苏 徐州 221006)



新建隧道正交下穿既有隧道合理位置的研究

刘颀楠

(江苏建筑职业技术学院 能源与交通学院，江苏 徐州 221006)

为揭示新建隧道正交下穿施工对既有隧道结构安全及地表建筑物产生的影响，依托某新建地铁区间隧道工程，采用三维有限差分方法构建新建隧道正交下穿既有隧道数值计算模型，探讨新旧隧道垂直净距和新建隧道水平间距对既有隧道结构变形及地表沉降规律的影响，得出新建隧道正交下穿施工的合理位置。研究结果表明：适当增加新旧隧道垂直净距、新建隧道水平间距都可以有效的控制地表及既有隧道沉降值，但综合考虑隧道施工及运营成本等各方面因素，建议新旧隧道垂直净距应控制在6～10 m之间，新建隧道水平间距应大于2D。否则，需要采用注浆加固隧道周围土体等辅助措施，以确保既有隧道结构的安全及新建隧道的顺利施工。其研究成果对类似新建隧道正交下穿施工具有良好的工程实践价值。关键词：新建隧道；正交下穿；既有隧道；合理位置；数值模拟

近年来，随着我国轨道交通大规模迅速发展，地铁工程修建也不断扩大。然而，错综复杂的地下结构却极易导致隧道施工遭遇与既有隧道近接施工的问题，给施工造成了极大困难。由于新建隧道近距离下穿过程中不可避免地对既有地铁运营隧道造成影响，并引起地表沉降或隆起，而地铁运营对其轨道变形又有非常严格的控制标准，通常地铁隧道下穿既有地铁运营隧道多为“特、一级风险工程”，因此，为了确保既有隧道的运营安全及耐久性，对新建隧道下穿既有隧道的合理位置进行深入研究具有重要的工程实践意义[1-3]。

目前，国内外针对新建隧道正交下穿既有隧道的影响进行了研究，取得了一定的研究成果。房明等[4-5]采用三维有限元方法对新建盾构隧道下穿施工过程进行了动态模拟，探讨了不同覆盖层厚度、隧道间距及土体强度下，新建隧道盾构正交下穿施工对既有隧道位移的影响；白海卫等[6]在假定隧道正交下穿施工引起的地层沉降槽符合高斯曲线、既有隧道与周边地层变形趋势一致的基础上，基于弹性地基梁模型，推导了计算既有隧道受新建隧道正交下穿施工影响而产生的纵向沉降曲线表达式、纵向应力计算公式以及既有隧道所能承受的极限沉降表达式；朱正国等[7]采用有限差分方法针对不同施工工法及周围地层不同加固范围等施工方案进行了数值模拟，提出了新建隧道超近距离下穿既有地铁车站优化施工方案；冷彪等[8]基于可拓学物元理论，构建了考虑新建隧道洞径、既有隧道洞径、两隧道净距、围岩级别以及既有隧道埋深的静力影响程度评价模型，探讨新建隧道下穿既有隧道时对既有隧道的静力影响程度；方晓慧等[9-12]采用数值模拟方法，针对新建隧道下穿施工对既有隧道的影响进行了相关研究。

尽管研究成果层出不穷，但由于近接施工问题的复杂性，而新建隧道下穿既有隧道的合理位置研究相对较少。本文拟依托某地铁区间隧道工程实例，运用FLAC3D数值计算软件建立新建隧道正交下穿既有隧道三维数值模型，以期揭示新建隧道的合理位置，为近接隧道工程施工提供参考。

1 工程概况及计算模型

1.1 工程概况

某新建地铁区间隧道覆土厚度约35.6～45.0 m，隧道断面采用地铁区间隧道标准断面，如图1所示。双线隧道中心线间距约为28.7 m，新建地铁区间隧道与既有隧道两结构最小净距为4.0 m，采用上下台阶法施工。区间隧道穿越地层为粉质黏土层夹粉土层，地层主要物理力学参数见表1，地下水为第四系上层滞水、潜水及承压水，富水性强。

单位：mm图1 区间隧道标准断面图Fig.1 Interval tunnel standard section

Table 1 Physical and mechanical parameters of the layer and support

土层层底埋深/m弹性模量/MPa容重/(kN/m3)黏聚力/kPa泊松比内摩擦角/(°)杂填土101018.2100.4010粉土填土202020.0150.3520粉土405021.0200.3025粉质黏土808021.0250.3028卵石12020023.0500.2635初期支护--2.60×10423.0--0.20--二次衬砌--2.71×10423.0--0.20--

1.2 计算模型简介

采用三维有限差分软件FLAC3D建立新建隧道正交下穿既有隧道三维数值模型，分析新建隧道对既有隧道结构变形及地表沉降规律的影响。为了减小边界效应，横向模型边界至隧道边界大于5倍隧道半径，竖向模型下边界至隧道边界大于3倍洞径。其中，地层采用实体单元模拟，本构模型采用Mohr-Coulomb准则；隧道支护结构采用壳单元，并采用弹性材料模拟；计算模型四周边界、下表面均采用固定约束，上表面采用自由约束；模型长160 m，宽160 m，高120 m，共45 441个节点，41 984个单元。新建隧道正交下穿既有隧道三维数值模型如图2所示。其他基本假定如下：

1)地层和材料的应力应变均在弹塑性范围内变化；

2)荷载情况只考虑自重，不考虑施工过程中的其他荷载，如地下水荷载；

3)假定地表和各土层均成层且均质水平分布。

图2 新建隧道正交下穿既有隧道三维数值分析模型Fig.2 Three dimensional numerical analysis model of the the new tunnel under the existing tunnel

1.3 合理位置设计及开挖过程模拟

新建地铁区间隧道合理位置设计内容主要包括新旧隧道垂直净距和新建隧道水平间距两部分。本文旨在探讨新旧隧道垂直净距(2，4，6，10和22 m等)和新建隧道水平间距(0.5D，1D，2D和3D等)对既有隧道结构变形及地表沉降规律的影响，以期揭示新建隧道的合理位置。

新建隧道采用上下台阶法施工，双线隧道同时施工，模型开挖选取16 m为一开挖步。并且，考虑到既有隧道已建成，受扰动的土体在新建隧道施工前就已经完成了主固结沉降。因此，计算新建隧道施工对既有隧道所产生的影响时，需要先将既有隧道施工所引起土体的位移清零。

2 地表沉降分析

2.1 地表沉降Peck公式

1958年，Martos根据大量隧道开挖引起的地表沉降的实测结果，首次提出隧道开挖引起的横向地表沉降槽形状符合高斯分布[13]，见图3所示。同年，Peck教授在统计大量隧道开挖引起地表沉降实测资料的基础上，提出了地层损失的概念及估算隧道开挖引起地表沉降的经验公式，即Peck公式[14]：

(1)

i=Kz0

(2)

式(1)和(2)中：S(x)指距离隧道轴线为x处的地表沉降值，mm；A为开挖面积；Vl为地层损失率；i指从隧道轴线到高斯沉降曲线反弯点的水平距离，称为地表沉降槽宽度系数，m。一般情况，地表沉降槽宽度约为5i；K是地表沉降槽宽度系数；z0是地表至隧道中心深度，m。

图3 地表横向沉降槽Fig.3 Curve of surface settlement

2.2 地层沉降Peck公式

1993年，Mair等[15]通过对硬黏土和软黏土中工程实测资料进行分析，发现地表以下的沉降槽曲线同样能用 Peck 公式预测，并发现地层沉降槽宽度系数K随深度z的增加而减小，即

(3)

式中：K(z/z0)即为地层深度z处的沉降槽宽度系数；a为考虑地层特性的参数，砂性土可取0.50，黏性土可取0.65。

3 参数敏感性分析

3.1 新旧隧道垂直净距的影响

为了分析新旧隧道垂直净距对既有隧道的影响，取新建隧道水平间距为1D(隧道等效直径，m)不变，分别取新旧隧道垂直净距为2，4，6，10和22 m进行计算。图4和图5分别为不同新旧隧道垂直净距与地表、既有隧道拱顶沉降的关系曲线。

图4 不同垂直净距下的地表沉降曲线Fig.4 Surface settlement curve of vertical net distance between new and old tunnels

图5 不同垂直净距下的既有隧道拱顶沉降曲线Fig.5 Tunnel vault settlement curve of vertical net distance between new and old tunnels

从图4和图5可看出：当既有隧道埋深一定时，地表、既有隧道拱顶沉降峰值随新旧隧道垂直净距增加而减小。因此，选择新建隧道合理位置时，可适当增加新建隧道埋深来达到减小新建隧道开挖引起地表及既有隧道变形的目的。相反，当新建隧道埋深越深时，隧道施工荷载就越大，相应地隧道施工及运营成本就越大，且部分城市地区受地下承压水的影响限制了隧道埋深的选择范围，故选择新建隧道合理位置时，需要综合考虑各方面因素取其最佳值。由图4还可看出，新旧隧道垂直净距在10～22 m时地表及既有隧道拱顶沉降峰值的变化不明显，说明在该净距区间内隧道围岩已基本趋于稳定，故建议新旧隧道垂直净距应小于10 m。

图6 不同垂直净距下的既有隧道顶、底板相对沉降曲线Fig.6 Relative settlement curves of existing tunnel roof and bottom plate under vertical net distance

由图6可知：新建隧道开挖后，既有隧道顶、底板沉降量大小不同，两者之间产生了较大的相对沉降，其峰值在1.68～3.39 mm之间，这说明隧道衬砌结构发生了明显的弯曲变形，将会严重危害既有隧道结构的安全。同样，相对沉降峰值大小也随新旧隧道垂直净距增加而减小，当新旧隧道垂直净距超过10 m时，相对沉降峰值大小变化不明显。可见，为减小新建隧道正交下穿施工对既有隧道的影响，并考虑到施工及运营成本，新旧隧道垂直净距应控制在6～10 m之间。

3.2 新建隧道水平间距的影响

为了分析新建隧道水平间距对既有隧道的影响，取新旧隧道垂直净距为4 m不变，分别取新建隧道水平间距为0.5D，1D，2D和3D进行计算。图7和图8为不同新建隧道水平间距与地表、既有隧道拱顶沉降的关系曲线。

图7 不同新建隧道水平间距下地表沉降曲线Fig.7 Surface settlement curve under horizontal spacing of different new tunnels

图8 不同新建隧道水平间距下既有隧道拱顶沉降曲线Fig.8 Tunnel vault settlement curve under horizontal spacing of different new tunnels

从图7和图8可看出：当新旧隧道垂直净距一定时，地表、既有隧道拱顶沉降峰值随新建隧道水平间距增加而减小，且沉降槽曲线由“单凹峰”形态过渡为“双凹峰”形态。因此，选择新建隧道合理位置时，可适当增加新建隧道水平间距来达到减小新建隧道开挖引起地表及既有隧道变形的目的。由图7、8还可看出，当新建隧道水平间距大于2D时，地表及既有隧道拱顶沉降峰值的变化已经不明显，参照日本《既有铁路隧道近接施工指南》(1997)，可建议新建隧道水平间距选择2D作为参考标准。当水平间距小于2D，隧道施工时需要采取必要的加固措施。而且，当新建隧道水平间距位于0.5D～1D时，地表及既有隧道拱顶沉降变化量明显比1D～2D大，参照《凝土结构设计规范》(GB50010-2002)[16]，可选择1D作为新建隧道近距离施工界限，且0.5D作为超近距离施工界限。

图9 不同水平间距下的既有隧道顶、底板相对沉降曲线Fig.9 Relative settlement curves of existing tunnel roof and bottom plate under horizontal spacing of different new tunnels

由图9可知，当新建隧道水平间距变化时，相对沉降峰值却基本无变化，其大小约为2.7 mm左右。但是，随新建隧道水平间距增大，产生峰值的位置逐渐远离新建隧道中轴线，且峰值位置基本位于隧道开挖断面中心线处。此研究结论可为既有隧道周围土体注浆加固范围提供参考，从而确保新建隧道的顺利施工和既有隧道结构的安全。

4 结论

1)适当增加新旧隧道垂直净距可以有效的控制地表及既有隧道沉降值，而综合考虑隧道施工及运营成本，新旧隧道垂直净距应控制在6～10 m之间；

2)新建隧道开挖后，既有隧道结构将会均发生不均匀沉降，且隧道底板变形略大于顶板变形，两者之间产生了较大的相对沉降，导致隧道衬砌结构发生了明显的弯曲变形，将会严重危害既有隧道结构的安全；

3)适当增加新建隧道水平间距也可以有效的控制地表及既有隧道沉降值，但新建隧道水平间距大于2D时，地表及既有隧道拱顶沉降峰值的变化已经不明显了，故建议选择2D作为参考标准；

4)新建隧道正交下穿施工对地表及新建隧道都产生了一定的影响，特别是新建隧道近距离或超近距离施工，为了保证既有隧道结构的安全及新建隧道的顺利施工，可以采用选择新建隧道的合理位置、注浆加固隧道周围土体等施工措施。

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Study on the rational position of the new tunnel perpendicularlyundercrossing the existing tunnel

LIU Xinnan

(Jiangsu Vocational Institute of Architectural Technology, Xuzhou 221006, China)

In order to reveal the influence of the construction of the new tunnel on the safety of the existing tunnel structure and surface buildings. Based on a new subway tunnel project, a three-dimensional finite difference method was used to construct the three-dimensional numerical model of the perpendicularly undercrossing tunneling construction on the existing tunnel. The influence of the vertical distance between the new and existing tunnels on the deformation of the existing tunnel structure and the law of the surface subsidence was discussed. The rational position of the construction of the new tunnel was obtained. Results show that appropriate increase of the vertical net distance between the new and existing tunnels and the horizontal spacing of the new tunnel can effectively control the settlement values of the surface and the existing tunnel. However, considering all aspects of tunnel construction and operation costs, it is proposed that the new and existing tunnels should be controlled between 6 and 10m, whereas the horizontal spacing of the new tunnel should be greater than 2D. Otherwise, the need to strengthen the tunnel surrounding soil and other auxiliary measures would occur in order to ensure the safety of the existing tunnel structure and the smooth construction of the new tunnel. The results of the research have good engineering practice value for the construction of the new tunnel perpendicularly undercrossing the existing tunnel.

new tunnel; perpendicular undercrossing; existing tunnel; reasonable position; numerical analysis

2016-01-15

交通运输部西部交通建设科技资助项目(200831800044)

刘颀楠(1973-)，男，江苏铜山人，副教授，从事隧道、路桥施工等研究；E-mail：1933827504@qq.com

TU 471.8

A

1672-7029(2016)11-2229-06