劉斌

摘要：新建隧道鄰近既有隧道施工可能會引起既有隧道結(jié)構(gòu)的較大變形，甚至造成重大事故，這在鄰近隧道是淺埋偏壓隧道時風險更大。文章依托廣西某新建公路隧道的實際情況，使用數(shù)值模擬方法計算其開挖對既有隧道應力和變形的影響。結(jié)果表明：沿既有隧道縱向，變形最大位置出現(xiàn)在起始開挖斷面；沿既有隧道橫向，應力變形在斷面上反對稱分布，變形和應力的最大位置在右側(cè)拱腳處，需加強相應防護監(jiān)控措施。

關鍵詞：隧道工程；偏壓隧道；數(shù)值模擬；應力分析；變形分析

中圖分類號：U452.1+3 A 47 155 4

0 引言

新建隧道鄰近既有隧道施工可能會引起隧道結(jié)構(gòu)的大變形甚至重大事故［1］，潛在的安全風險較大，如不能合理地分析相應影響，造成的經(jīng)濟損失和社會影響難以估計，有必要對新建隧道開挖對既有隧道的應力變形影響展開分析。

有許多專家學者開展了研究。譚忠盛等［2］結(jié)合株六鐵路復線關寨隧道的施工爆破進行實例分析，分析其對既有隧道的影響；鄭剛等［3］分析了基坑開挖引起鄰近既有隧道變形的影響區(qū)域；黃德中等［4］使用離心模型試驗結(jié)合現(xiàn)場實測分析了既有隧道在盾構(gòu)上穿越過程中縱向變形與時程曲線的變化規(guī)律；潘曉馬、盧岱岳等［5-6］各自結(jié)合數(shù)值模擬手段，對新建隧道施工對鄰近既有隧道安全性影響進行了分析；杜立兵等［7］基于斷裂力學的Griffith準則，提出了判定襯砌開裂的開裂安全系數(shù)CF，結(jié)合ANSYS軟件分析交叉隧道的襯砌安全性；陶連金等［8］采用Midas GTS NX軟件對下穿施工過程進行數(shù)值模擬，通過實際工程驗證，鎖扣管幕與深孔注漿支護體系在控制既有結(jié)構(gòu)沉降方面效果良好。許多專家的對鄰近和下穿工程等方面有較好的分析處理思路，但現(xiàn)場的實際情況總是復雜多變，本文所探討的對既有淺埋偏壓隧道的分析以往鮮有涉及，缺少相關參考，而且這種復雜情況下的隧道，其安全風險往往更大，需要開展新建隧道開挖對既有淺埋偏壓隧道的影響研究。

基于此，本文依托某新建高速公路的實際工程情況，通過數(shù)值模擬計算手段，對其開挖過程中對既有隧道影響的應力變形影響展開研究，指明沿既有隧道縱向和橫向的最危險斷面和最危險位置，以期給類似工程提供參考。

1 工程概況

某新建公路隧道全長1 018 m，最大埋深54 m，與其左側(cè)某既有隧道最小凈距30 m，兩座隧道的區(qū)域地質(zhì)資料與現(xiàn)場勘探揭露顯示地層巖性主要為侏羅系下統(tǒng)門口山組（J1m）、石炭系下統(tǒng)梓山組（C1z）、泥盆系上統(tǒng)佘田橋組（D3s），此外還有地表分布的第四系巖石，隧道周邊圍巖主要由弱風化變質(zhì)泥巖和砂巖組成，巖質(zhì)較軟，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體較完整，經(jīng)綜合評定其主要穿越段為Ⅴ級圍巖。

既有隧道輪廓線距地表最淺處約30 m（位于隧道左側(cè)拱肩處），存在偏壓現(xiàn)象，采用復合式襯砌，初支噴混為20 cm厚C20混凝土，二襯為厚35 cm的C30鋼筋混凝土。新建隧道采用新奧法施工，由于圍巖條件較差，結(jié)合現(xiàn)場實際情況，采用上下臺階法施工。新建隧道采用復合式襯砌結(jié)構(gòu)，初期支護采用20 cm厚C20混凝土噴混，含鋼拱架，縱向間距50 cm，2榀鋼拱架間用鋼筋連接，掛6 mm鋼筋網(wǎng)，二次襯砌采用30 cm厚C30鋼筋混凝土。

2 數(shù)值模擬計算與結(jié)果分析

采用Abaqus數(shù)值模擬軟件對新建隧道的開挖過程進行數(shù)值模擬研究，模擬考慮實際情況，計算分析新建隧道的開挖過程對既有隧道襯砌的應力分布、關鍵點（拱頂、拱肩、拱腳等）的變形情況，以及對圍巖的塑性破壞區(qū)分布情況的影響，以指導開展相應的控制措施，保障施工過程安全。

2.1 計算模型的建立與參數(shù)選取

Abaqus模擬過程考慮新建隧道開挖的實際過程，建立相應的模型如圖1所示，圖中標注了相應的坐標軸情況。模型的建立考慮邊界效應的影響，隧道距左右兩側(cè)和下側(cè)的模型邊界距離為3～5倍隧道洞徑，上部根據(jù)實際地表進行簡化處理，最終確定的模型尺寸長×寬×高

為30 m×120 m×100 m。模型邊界約束情況為：左右兩側(cè)約束X方向位移，前后面約束Z向位移，底部三向位移全部約束，上部為自由表面。隧道模型的構(gòu)建考慮了其初期支護和二襯情況，初襯中的鋼拱架以剛度貢獻的方式折合到噴射混凝土中。襯砌采用彈性模型計算，圍巖采用D-P準則計算。根據(jù)隧道的地勘資料和《公路隧道設計規(guī)范》（JDG D70-2004），圍巖和支護材料參數(shù)如表1所示。

新建隧道施工考慮6 m為一循環(huán)開挖進尺，一共5次開挖循環(huán)，整個模擬過程的計算順序為：初始地應力平衡→既有隧道的開挖與支護（s0）→新建隧道第一循環(huán)開挖支護（s1）→新建隧道第二循環(huán)開挖支護（s2）→…→新建隧道第五循環(huán)開挖支護（s5）。為分析新建隧道的循環(huán)開挖過程對既有隧道應力和位移的影響，需重點關注如圖2所示的關鍵點應力位移變化。

2.2 結(jié)果與分析

2.2.1 應力特征

新建隧道開挖后，既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)的應力狀態(tài)會發(fā)生改變，襯砌的應力分布狀態(tài)是分析隧道穩(wěn)定性的重要分析指標。這里使用Abaqus軟件中的Mises等效應力進行分析，這是遵循材料力學第四強度理論的等效應力，可以對圍巖的屈服破壞情況進行分析。

如圖3所示是部分步序下的既有隧道Mises應力云圖，可以看到，新建隧道的應力最大值出現(xiàn)在隧道的右側(cè)拱腳，最小值在右側(cè)拱肩。隨著開挖的進行，應力最大值不斷增加，從20.83 MPa增加到21.16 MPa，右側(cè)拱腳始終是最大應力的最危險位置，應采取相應防護措施，保證既有隧道的結(jié)構(gòu)安全。

圖4展示了各關鍵點位置的應力變化比例（現(xiàn)應力值/未開挖應力值）。通過圖4可以看出，隨新建隧道開挖，拱頂?shù)膽ο陆邓俣茸羁?，右?cè)拱肩應力減小、拱腳應力增加，左側(cè)拱肩應力增加、拱腳應力減?。粦υ黾铀俣茸羁斓奈恢檬亲蠊凹?，施工過程須多注意相應位置安全。這種應力扭曲變化的現(xiàn)象是偏壓與右側(cè)既有隧道開挖共同影響導致的結(jié)果，有威脅既有隧道結(jié)構(gòu)安全的風險。

2.2.2 變形特征

新建隧道開挖后，會引起既有隧道產(chǎn)生變形，較大的變形量，尤其是較大的沉降量會改變隧道的凈空結(jié)構(gòu)，影響既有隧道安全，隧道的沉降量分析是其穩(wěn)定性分析的重要指標。將右側(cè)新建隧道開挖后的沉降值減去初始的沉降值，繪制得到部分工序情況下的既有隧道沉降量變化云圖，如圖5所示。

由圖5可以看出，既有隧道右側(cè)拱腳和左側(cè)拱肩部位的下沉量變化最大，隨著開挖步序的不斷進行而向隧道內(nèi)延伸擴展，這兩個位置的變形變化是監(jiān)控量測需關注的重點部位。除此之外，隧道拱頂由于位置特殊，其下沉量往往受到關注，根據(jù)模擬結(jié)果，繪制了沿既有隧道縱向拱頂沉降量的變化曲線，如圖6所示。

由圖6可以看出，沿既有隧道縱向的拱頂沉降變形最大位置為模型X=0 m斷面的位置，此處既有隧道襯砌暴露時間最長，開挖步序的進行最終會使整體的拱頂沉降值略有減小。除拱頂點外，其他關鍵點位置的沉降也須進行分析，確定斷面變形最大位置。圖7所示為不同步序下的各關鍵點沉降量變形變化率（現(xiàn)變形值/未開挖變形值）曲線。

從圖7可以看出，關鍵點中沉降變化最大的點是右側(cè)的拱腳點，這和應力的計算分析結(jié)果是一致的，右側(cè)拱腳是新建隧道開挖過程中對既有隧道影響最大的位置，必須在施工過程采取相應的防護措施，減少影響。

3 結(jié)語

通過數(shù)值模擬計算，對新建隧道開挖對既有淺埋偏壓隧道應力和變形的影響進行了分析，得出以下結(jié)論：

（1）從應力角度來看，新建隧道開挖后拱頂應力有所減?。挥覀?cè)拱肩應力減小、拱腳應力增加，左側(cè)拱肩應力增加、拱腳應力減小，呈現(xiàn)反對稱趨勢，這和地層的偏壓結(jié)構(gòu)與兩隧道間的位置關系有關。應力最大位置為右拱腳，應力變化率最大位置為左拱肩。

（2）從位移角度看，既有隧道右側(cè)拱腳和左側(cè)拱肩部位的下沉量變化最大，隨著開挖步序的不斷進行而向隧道內(nèi)延伸擴展，沿既有隧道縱向的拱頂沉降變形最大位置為模型X=0 m斷面的位置，此處既有隧道襯砌暴露時間最長，關鍵點中沉降變化最大的是右側(cè)拱腳點。

（3）綜合應力位移結(jié)果來看，新建隧道開挖過程中最應加強監(jiān)控處理的位置為既有隧道的右側(cè)拱腳點，以保障既有隧道的結(jié)構(gòu)安全。

參考文獻

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收稿日期：2023-08-30