新建隧道开挖对既有偏压隧道的影响研究

刘斌

摘要：新建隧道邻近既有隧道施工可能会引起既有隧道结构的较大变形，甚至造成重大事故，这在邻近隧道是浅埋偏压隧道时风险更大。文章依托广西某新建公路隧道的实际情况，使用数值模拟方法计算其开挖对既有隧道应力和变形的影响。结果表明：沿既有隧道纵向，变形最大位置出现在起始开挖断面；沿既有隧道横向，应力变形在断面上反对称分布，变形和应力的最大位置在右侧拱脚处，需加强相应防护监控措施。

关键词：隧道工程；偏压隧道；数值模拟；应力分析；变形分析

中图分类号：U452.1+3 A 47 155 4

0 引言

新建隧道邻近既有隧道施工可能会引起隧道结构的大变形甚至重大事故［1］，潜在的安全风险较大，如不能合理地分析相应影响，造成的经济损失和社会影响难以估计，有必要对新建隧道开挖对既有隧道的应力变形影响展开分析。

有许多专家学者开展了研究。谭忠盛等［2］结合株六铁路复线关寨隧道的施工爆破进行实例分析，分析其对既有隧道的影响；郑刚等［3］分析了基坑开挖引起邻近既有隧道变形的影响区域；黄德中等［4］使用离心模型试验结合现场实测分析了既有隧道在盾构上穿越过程中纵向变形与时程曲线的变化规律；潘晓马、卢岱岳等［5-6］各自结合数值模拟手段，对新建隧道施工对邻近既有隧道安全性影响进行了分析；杜立兵等［7］基于断裂力学的Griffith准则，提出了判定衬砌开裂的开裂安全系数CF，结合ANSYS软件分析交叉隧道的衬砌安全性；陶连金等［8］采用Midas GTS NX软件对下穿施工过程进行数值模拟，通过实际工程验证，锁扣管幕与深孔注浆支护体系在控制既有结构沉降方面效果良好。许多专家的对邻近和下穿工程等方面有较好的分析处理思路，但现场的实际情况总是复杂多变，本文所探讨的对既有浅埋偏压隧道的分析以往鲜有涉及，缺少相关参考，而且这种复杂情况下的隧道，其安全风险往往更大，需要开展新建隧道开挖对既有浅埋偏压隧道的影响研究。

基于此，本文依托某新建高速公路的实际工程情况，通过数值模拟计算手段，对其开挖过程中对既有隧道影响的应力变形影响展开研究，指明沿既有隧道纵向和横向的最危险断面和最危险位置，以期给类似工程提供参考。

1 工程概况

某新建公路隧道全长1 018 m，最大埋深54 m，与其左侧某既有隧道最小净距30 m，两座隧道的区域地质资料与现场勘探揭露显示地层岩性主要为侏罗系下统门口山组（J1m）、石炭系下统梓山组（C1z）、泥盆系上统佘田桥组（D3s），此外还有地表分布的第四系岩石，隧道周边围岩主要由弱风化变质泥岩和砂岩组成，岩质较软，节理裂隙较发育，岩体较完整，经综合评定其主要穿越段为Ⅴ级围岩。

既有隧道轮廓线距地表最浅处约30 m（位于隧道左侧拱肩处），存在偏压现象，采用复合式衬砌，初支喷混为20 cm厚C20混凝土，二衬为厚35 cm的C30钢筋混凝土。新建隧道采用新奥法施工，由于围岩条件较差，结合现场实际情况，采用上下台阶法施工。新建隧道采用复合式衬砌结构，初期支护采用20 cm厚C20混凝土喷混，含钢拱架，纵向间距50 cm，2榀钢拱架间用钢筋连接，挂6 mm钢筋网，二次衬砌采用30 cm厚C30钢筋混凝土。

2 数值模拟计算与结果分析

采用Abaqus数值模拟软件对新建隧道的开挖过程进行数值模拟研究，模拟考虑实际情况，计算分析新建隧道的开挖过程对既有隧道衬砌的应力分布、关键点（拱顶、拱肩、拱脚等）的变形情况，以及对围岩的塑性破坏区分布情况的影响，以指导开展相应的控制措施，保障施工过程安全。

2.1 计算模型的建立与参数选取

Abaqus模拟过程考虑新建隧道开挖的实际过程，建立相应的模型如图1所示，图中标注了相应的坐标轴情况。模型的建立考虑边界效应的影响，隧道距左右两侧和下侧的模型边界距离为3～5倍隧道洞径，上部根据实际地表进行简化处理，最终确定的模型尺寸长×宽×高

为30 m×120 m×100 m。模型边界约束情况为：左右两侧约束X方向位移，前后面约束Z向位移，底部三向位移全部约束，上部为自由表面。隧道模型的构建考虑了其初期支护和二衬情况，初衬中的钢拱架以刚度贡献的方式折合到喷射混凝土中。衬砌采用弹性模型计算，围岩采用D-P准则计算。根据隧道的地勘资料和《公路隧道设计规范》（JDG D70-2004），围岩和支护材料参数如表1所示。

新建隧道施工考虑6 m为一循环开挖进尺，一共5次开挖循环，整个模拟过程的计算顺序为：初始地应力平衡→既有隧道的开挖与支护（s0）→新建隧道第一循环开挖支护（s1）→新建隧道第二循环开挖支护（s2）→…→新建隧道第五循环开挖支护（s5）。为分析新建隧道的循环开挖过程对既有隧道应力和位移的影响，需重点关注如图2所示的关键点应力位移变化。

2.2 结果与分析

2.2.1 应力特征

新建隧道开挖后，既有隧道衬砌结构的应力状态会发生改变，衬砌的应力分布状态是分析隧道稳定性的重要分析指标。这里使用Abaqus软件中的Mises等效应力进行分析，这是遵循材料力学第四强度理论的等效应力，可以对围岩的屈服破坏情况进行分析。

如图3所示是部分步序下的既有隧道Mises应力云图，可以看到，新建隧道的应力最大值出现在隧道的右侧拱脚，最小值在右侧拱肩。随着开挖的进行，应力最大值不断增加，从20.83 MPa增加到21.16 MPa，右侧拱脚始终是最大应力的最危险位置，应采取相应防护措施，保证既有隧道的结构安全。

图4展示了各关键点位置的应力变化比例（现应力值/未开挖应力值）。通过图4可以看出，随新建隧道开挖，拱顶的应力下降速度最快，右侧拱肩应力减小、拱脚应力增加，左侧拱肩应力增加、拱脚应力减小；应力增加速度最快的位置是左拱肩，施工过程须多注意相应位置安全。这种应力扭曲变化的现象是偏压与右侧既有隧道开挖共同影响导致的结果，有威脅既有隧道结构安全的风险。

2.2.2 变形特征

新建隧道开挖后，会引起既有隧道产生变形，较大的变形量，尤其是较大的沉降量会改变隧道的净空结构，影响既有隧道安全，隧道的沉降量分析是其稳定性分析的重要指标。将右侧新建隧道开挖后的沉降值减去初始的沉降值，绘制得到部分工序情况下的既有隧道沉降量变化云图，如图5所示。

由图5可以看出，既有隧道右侧拱脚和左侧拱肩部位的下沉量变化最大，随着开挖步序的不断进行而向隧道内延伸擴展，这两个位置的变形变化是监控量测需关注的重点部位。除此之外，隧道拱顶由于位置特殊，其下沉量往往受到关注，根据模拟结果，绘制了沿既有隧道纵向拱顶沉降量的变化曲线，如图6所示。

由图6可以看出，沿既有隧道纵向的拱顶沉降变形最大位置为模型X=0 m断面的位置，此处既有隧道衬砌暴露时间最长，开挖步序的进行最终会使整体的拱顶沉降值略有减小。除拱顶点外，其他关键点位置的沉降也须进行分析，确定断面变形最大位置。图7所示为不同步序下的各关键点沉降量变形变化率（现变形值/未开挖变形值）曲线。

从图7可以看出，关键点中沉降变化最大的点是右侧的拱脚点，这和应力的计算分析结果是一致的，右侧拱脚是新建隧道开挖过程中对既有隧道影响最大的位置，必须在施工过程采取相应的防护措施，减少影响。

3 结语

通过数值模拟计算，对新建隧道开挖对既有浅埋偏压隧道应力和变形的影响进行了分析，得出以下结论：

（1）从应力角度来看，新建隧道开挖后拱顶应力有所减小；右侧拱肩应力减小、拱脚应力增加，左侧拱肩应力增加、拱脚应力减小，呈现反对称趋势，这和地层的偏压结构与两隧道间的位置关系有关。应力最大位置为右拱脚，应力变化率最大位置为左拱肩。

（2）从位移角度看，既有隧道右侧拱脚和左侧拱肩部位的下沉量变化最大，随着开挖步序的不断进行而向隧道内延伸扩展，沿既有隧道纵向的拱顶沉降变形最大位置为模型X=0 m断面的位置，此处既有隧道衬砌暴露时间最长，关键点中沉降变化最大的是右侧拱脚点。

（3）综合应力位移结果来看，新建隧道开挖过程中最应加强监控处理的位置为既有隧道的右侧拱脚点，以保障既有隧道的结构安全。

参考文献

［1］李新伟，赵占群.新建市政道路施工对地铁隧道结构的安全影响分析［J］.中国水运，2023（1）：144-146.

［2］谭忠盛，杨小林，王梦恕.复线隧道施工爆破对既有隧道的影响分析［J］.岩石力学与工程学报，2003（2）：281-285.

［3］郑 刚，杜一鸣，刁 钰，等.基坑开挖引起邻近既有隧道变形的影响区研究［J］.岩土工程学报，2016，38（4）：599-612.

［4］黄德中，马险峰，王俊淞，等.软土地区盾构上穿越既有隧道的离心模拟研究［J］.岩土工程学报，2012，34（3）：520-527.

［5］潘晓马，张成满，温向东，等.新建隧道施工对邻近既有隧道安全性影响数值分析［J］.铁道建筑技术，2002（1）：29-31.

［6］卢岱岳，王士民，何 川，等.新建盾构隧道近接施工对既有隧道纵向变形影响研究［J］.铁道学报，2016，38（10）：108-116.

［7］杜立兵，严松宏，蔡白洁.小净距空间交叉隧道台阶法施工安全性研究［J］.隧道建设，2013，33（5）：378-382.

［8］陶连金，田治旺，车彦文，等.矿山法隧道下穿既有盾构隧道微变形控制技术［J］.铁道建筑，2017（5）：67-70.

收稿日期：2023-08-30