严丛文

[摘  要]：上跨既有隧道的新建隧道施工，在开挖卸荷导致的变形以及爆破所导致既有隧道振动两方面，影响既有隧道的结构、运营安全。文章依托新建三峡枢纽茅坪港疏港铁路杨木岭隧道，应用数值模拟的手段研究新建隧道对既有隧道的动、静力影响，指导新建铁路施工。研究结果发现新建隧道的开挖卸荷对既有隧道影响较小，控制变形效果较好，同时爆破引起的既有隧道衬砌结构振速较小，在安全范围内。

[关键词]：隧道工程; 近接施工; 开挖卸荷; 爆破震动

U452.2+6B

随着我国交通发展，铁路公路线路网络越来越密集，不可避免的出现隧道上跨、下穿既有隧道的情况，减少对既有隧道尤其是运营线路的影响是新建隧道不可避免的技术难题[1]。

最早Peck[2]应用统计的方法分析了大量实际工程，提出了隧道开挖预测地表沉降的经典公式，可以预测隧道开挖引起的周边变形。最早Barakat[3]研究分析了Heathrow Express隧道开挖所引起的Piccadilly的变形情况，开创了新建隧道与既有隧道影响的研究。国内仇文革[4]对隧道近接施工开始了总结性的研究，将隧道近接施工分区按照影响由弱至强的顺序，将施工影响区域划分为“无影响区”、“弱影响区”和“强影响区”。房倩等[5]依托北京地铁5号线过既有线段，应有数值模拟的方法，对大断面车站穿区间进行了研究，发现在变形控制严格的情况下，柱洞法具有一定优势。李倩倩等[6]依托北京地铁6号线暗挖隧道下穿盾构隧道工程，发现下穿段既有结构呈“双凹槽状”变形，地表沉降为“单凹槽状”。除开挖卸荷影响外，新建隧道的爆破同样会对既有隧道产生一定影响。张旭等[7]依托武漢地铁8号线，研究下穿地铁隧道爆破作用对上方既有隧道的动力响应，得到隧道衬砌建构振速安全阈值为14.9 cm/s。高宇璠等[8]通过现场监测发现了采用电子雷管起爆技术，结合适当的减振措施，可以有效降低既有隧道管片的爆破震动速度，保证结构安全。

现有近接工程多以城市地下空间为主，对山岭隧道研究较少，本文依托新建三峡枢纽茅坪港疏港铁路杨木岭隧道上跨高速公路隧道工程，应用数值模拟的手段，从静力、动力两方面综合分析既有隧道的稳定性。

1 工程概况

1.1 工程概况

新建铁路杨木岭隧道设置为单线隧道，位于湖北省宜昌市夷陵区，处于幕阳村与陶家溪之间，隧道进口里程为DK19+152.7，隧道出口里程为DK22+793，全长3648.3 m。隧道最大埋深428.934 m。隧址区地势起伏，整体西高东低，岩溶形态较发育。隧区出露的地层有第四系人工填土层、第四系坡残积层;基岩地层有寒武系下统石牌组、水井沱组、天柱山组、震旦系上统灯影组、震旦系上统陡山沱组、震旦系下统南沱组及震旦系下统莲沱组地层。隧道附近主要以灰岩、白云岩、白云质灰岩、砂岩等为主。主要为单斜构造，无次级褶皱发生，节理裂隙较发育。

研究段为III级围岩，初期支护拱部采用C20网喷混凝土，边墙采用C20素喷混凝土，二衬采用C30混凝土，拱部采用25 mm中空注浆锚杆，长度2 m，梅花形布置（环×纵=1.2 m×1.5 m），设计断面如图1所示。

1.2 交叉关系

杨木岭隧道在（DK21+000）处与季家坡隧道（S68翻坝高速公路）斜交，季家坡隧道进口位于线路DK19+200左400 m处，进口高程约305 m;季家坡隧道出口位于线路DK22+770右170 m处，出口高程约247.0 m。铁路杨木岭隧道DK20+940位于公路季家坡隧道右线上方，最小净距16.7 m，铁路杨木岭隧道DK21+100位于公路季家坡隧道左线上方，最小净距23 m，隧道结构在平面投影的交叉角度为14°。位置关系如图2所示，纵断面如图3所示。

2 模型建立

2.1 模型介绍

本次建模计算采用midas GTS （NX版）岩土有限元分析软件。结合该工程项目实际情况，并考虑边界影响，建立三维模型，模型尺寸取120 m×100 m×100 m（X×Y×Z），如图4所示。

计算模型假定：

（1）土体为各向同性、均质的理想弹塑性体。

（2）初始地应力在模型计算只考虑土体自重应力，不考虑地下水的影响，使岩土体在自重作用下达到平衡，而后再进行杨木岭隧道的开挖。

（3）模型中所选用的地层参数，参照本区间工程地勘报告中所给出的土体参数进行选取。

（4）两隧道交叉段的埋深实际约350 m，为简化模型，建模时将远离隧道的上部方覆土用均布压力代替。

（5）新建隧道开挖至交叉点之前，进行静力的应力分析，在此应力基础上进模拟新建隧道爆破对既有隧道的振动影响。

地层及开挖土体均采用实体单元模拟，选用基于莫尔-库伦准则的弹塑性本构模型;隧道支护结构采用结构板单元，弹性本构模型。

结合地勘资料，本次计算采用参数如表1、表2所示。

表1 地层物理力学参数

2.2 计算步骤

数值分析步骤：

（1）初始地应力：激活地层、既有季家坡隧道支护结构网格，激活自重、模型顶部均布荷载，初始地应力平衡。

（2）计算平衡后位移清零。

（3）新建杨家坪隧道开挖-支护循环，开挖至交叉点。

（4）施加等效爆破荷载，添加粘弹性动力边界，使用非线性时程分析，模拟新建隧道的爆破作用。

3 结果分析

3.1 静力影响分析

计算掌子面距离斜交点位移云图如图5所示，可以看出，杨家坪隧道施工过程中，季家坡隧道变形随施工逐渐增大，变形以竖向位移为主，开挖至交叉点时最大变形为0.95 mm。通过以上计算分析，可知杨家坪隧道上跨季家坡隧道产生的理论变形值很小，最大值仅为0.95 mm，杨家坪隧道对季家坡隧道的影响在静力开挖方面很小。

3.2 动力影响分析

针对爆破荷载的振动响应问题提出假设：爆破荷载主要来源于掏槽孔爆破，忽略辅助孔和周边孔的作用。动力计算在静力计算的基础上进行，这样可以考虑初始地应力和隧道开挖应力历史，在静力计算模型的基础上施加粘弹性边界和等效爆破荷载，采用三角形爆破荷载模型，升压时间约10 ms，卸载时间约90 ms，计算总时间为100 ms。

根据计算结果，根据模态和模态2确定模型的主振型，振动周期分别为0.603 s和0.564 s，频率f分别为1.658 Hz和1.773 Hz。爆破荷载到达峰值时（10ms）既有隧道的振速如图6所示。

给出最大值点随时间变化的振速统计结果如图7所示。

4结论

（1）通过建模分析可知，新建铁路隧道杨家坪隧道上跨既有公路季家坡隧道因开挖引起的变形很小，最大值仅为0.95 mm。

（2）为保证上跨高速公路交叉处的施工安全，采用动力分析得到既有隧道的振动速度最大值为0.56 cm/s，小于最大安全允许振速10 cm/s，新建隧道的爆破作用对既有隧道的动力影响很小。

参考文献

[1] 刘翔. 新建隧道下穿既有隧道力学响应分析[D].北京：北京交通大学，2020.

[2] Peck R. B. Deep excavations and tunnelling in soft ground[A]. Proceedings of 7th International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering[C]. Mexico City： State of the Art Report， 1969： 225-290.

[3] Barakat， M.A. Measurements of ground settlement and building deformations due to tunneling [D]. Imperial College London， 1996.

[4] 仇文革. 地下工程近接施工力学原理与对策的研究[D]. 成都： 西南交通大学，2003.

[5] 房倩， 张顶立. 浅埋暗挖地铁车站下穿既有线结构施工方法研究[J]. 中国铁道科学， 2007， 28（5）： 71-77.

[6] 李倩倩， 张顶立， 房倩， 等. 浅埋暗挖法下穿既有盾构隧道的变形特性分析[J]. 岩石力学与工程学报， 2014， 33（A02）： 3911-3918.

[7] 张旭，周传波，蒋楠，等. 下穿地铁隧道爆破作用下人防隧道的動力效应[J]. 爆破. 2021，38（3）.

[8] 高宇璠， 傅洪贤. 近距离下穿既有盾构隧道的隧道钻爆降振技术研究[J]. 振动工程学报. 2021，34（2）.