摘 要：既有隧道會(huì)對(duì)新建隧道施工造成不利影響，導(dǎo)致新建隧道施工時(shí)其洞口襯砌結(jié)構(gòu)變形不協(xié)調(diào)。因此為了研究既有隧道對(duì)相鄰新建隧道施工引起的洞口襯砌變形的影響，本文采用了數(shù)值模擬方法，揭示了相鄰新建隧道洞口襯砌結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律。研究結(jié)果表明：既有隧道對(duì)相鄰新建隧道施工引起的襯砌變形會(huì)產(chǎn)生一定影響，尤其洞口靠近既有隧道一側(cè)。新建隧道剛開(kāi)挖時(shí)，洞口的襯砌結(jié)構(gòu)的最大主應(yīng)變急劇變化；當(dāng)開(kāi)挖至30m時(shí)，最大主應(yīng)變趨于穩(wěn)定。在復(fù)線工程中，須特別關(guān)注洞口相鄰側(cè)襯砌拱腳區(qū)域的最大主應(yīng)變，防止襯砌結(jié)構(gòu)破壞和洞口邊坡失穩(wěn)等工程災(zāi)害。

關(guān)鍵詞：隧道復(fù)線工程；襯砌變形；數(shù)值模擬

中圖分類(lèi)號(hào)：U 45" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

在我國(guó)交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展下，早期建成的單孔公路隧道在當(dāng)前交通背景下，已不滿(mǎn)足交通流量的需求。因此，為了提高交通通行能力，目前新建了眾多隧道復(fù)線工程[1]。但新建隧道開(kāi)挖時(shí)，既有隧道會(huì)導(dǎo)致隧道洞口周邊圍巖的應(yīng)力分布發(fā)生變化，從而對(duì)新建隧道的襯砌結(jié)構(gòu)造成不利影響。王海軍等[2]探討了爆破對(duì)鄰近隧道破壞模式及荷載分布的影響，同時(shí)，周杰等[3]與鄧宏[4]通過(guò)數(shù)值模擬技術(shù)，對(duì)雙線地下工程的安全性進(jìn)行了全面評(píng)價(jià)。本文以某典型雙線隧道工程為背景，運(yùn)用有限元軟件，重點(diǎn)分析既有隧道對(duì)相鄰新建隧道施工引起的洞口襯砌變形的影響性。

1 工程背景

本研究為雙線隧道工程，每條隧道全長(zhǎng)均為837m，屬于一級(jí)公路。根據(jù)地質(zhì)勘察結(jié)果，這兩條隧道穿越的地層主要由凝灰熔巖構(gòu)成，圍巖表現(xiàn)出微風(fēng)化的特點(diǎn)，屬于硬質(zhì)巖石。雖然結(jié)構(gòu)面的連接性一般，但整體上巖體的完整性較好。由于受到區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)的影響，部分區(qū)域的巖體完整性有所下降，因此出現(xiàn)了局部的破碎現(xiàn)象?，F(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)研及新建隧道施工資料表明，在隧道挖掘過(guò)程中，地下水主要以點(diǎn)滴形式滲出，在開(kāi)挖作業(yè)完成后，隧道的拱部容易出現(xiàn)小塊掉落、輕微坍塌以及初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形和損壞。基于這些勘察資料的綜合分析，將兩隧道的圍巖初步評(píng)定為Ⅲ級(jí)，這與巖土工程勘察報(bào)告中的圍巖等級(jí)評(píng)定是一致的。若施工中發(fā)現(xiàn)巖體破碎、節(jié)理裂隙發(fā)育或拱部掉塊等問(wèn)題影響隧道穩(wěn)定性，則應(yīng)將圍巖等級(jí)下調(diào)至Ⅳ級(jí)，并增強(qiáng)支護(hù)措施，對(duì)洞內(nèi)的地質(zhì)進(jìn)行預(yù)報(bào)。

2 數(shù)值模擬

2.1 模型建立

考慮隧道結(jié)構(gòu)與圍巖特性，運(yùn)用有限元分析軟件構(gòu)建一個(gè)精細(xì)的三維有限元模型。該模型包括一條新建隧道和一條既有隧道，兩者之間的水平距離為15m，以模擬實(shí)際工程中的相互影響。在進(jìn)行模擬計(jì)算的過(guò)程中，為保證模擬的準(zhǔn)確性，要對(duì)模型的側(cè)邊和底部邊界施加嚴(yán)格的垂直約束。在圍巖模擬方面，采用基于摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則的彈塑性模型，更好地反映圍巖的力學(xué)行為。而對(duì)隧道襯砌來(lái)說(shuō)，則采用彈性模型進(jìn)行模擬。為了減少固定邊界條件對(duì)隧道開(kāi)挖模擬結(jié)果的潛在影響，要對(duì)圍巖模型進(jìn)行優(yōu)化，將圍巖橫向?qū)挾葦U(kuò)展至隧道直徑的5倍，并將隧道底板與圍巖模型底部的距離增至隧道直徑的4倍，從而更真實(shí)地模擬隧道開(kāi)挖過(guò)程中的應(yīng)力分布。此外，為了更精確地反映地表以下的結(jié)構(gòu)受力情況，將圍巖上表面的模擬范圍延伸至地表以下100m。采用三維實(shí)體單元對(duì)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)和圍巖體進(jìn)行詳細(xì)模擬。將支護(hù)結(jié)構(gòu)的厚度在模型中設(shè)定為1m，模擬實(shí)際工程中的支護(hù)效果。

2.2 參數(shù)設(shè)置

根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG 3370.1—2018），表1詳細(xì)列出了圍巖和支護(hù)材料的物理力學(xué)參數(shù)取值。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，須根據(jù)隧道的實(shí)際地質(zhì)條件，從表中選取相應(yīng)的參數(shù)，包括材料的密度、彈性模量、泊松比等，保證設(shè)計(jì)參數(shù)的準(zhǔn)確性和隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

2.3 襯砌-圍巖相互作用關(guān)系

在有限元分析中，圍巖與襯砌的綁定關(guān)系通過(guò)“綁定接觸”實(shí)現(xiàn)，這種接觸方式保證了在接觸面上的位移完全一致，不允許兩者之間發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)。當(dāng)建立這種綁定關(guān)系時(shí)，襯砌表面被定義為分析中的主表面，而圍巖表面則作為從表面，通過(guò)相應(yīng)的設(shè)置，將這些表面綁定在一起，強(qiáng)制它們?cè)谡麄€(gè)分析過(guò)程中保持同步位移。這種綁定方法有效地模擬了襯砌與圍巖之間的緊密相互作用，保證了結(jié)構(gòu)分析的準(zhǔn)確性和可靠性。此外，為了進(jìn)一步提高模擬的精度，分析中還考慮了襯砌與圍巖之間的黏結(jié)力和摩擦力，引入這些力使模擬更加接近實(shí)際情況，從而為隧道工程的設(shè)計(jì)和施工提供更為精確的力學(xué)行為預(yù)測(cè)。

同時(shí)，在分析過(guò)程中，將生死單元法用于模擬開(kāi)挖過(guò)程，通過(guò)激活或鈍化襯砌與圍巖的單元來(lái)表現(xiàn)。在初始狀態(tài)下，所有襯砌單元被鈍化。隨著開(kāi)挖的進(jìn)行，開(kāi)挖區(qū)域的圍巖單元被鈍化，模擬實(shí)際開(kāi)挖過(guò)程。襯砌單元?jiǎng)t在安裝過(guò)程中激活，模擬其逐漸承擔(dān)荷載的過(guò)程。這種方法能夠有效地模擬施工階段的變化，保證分析結(jié)果與實(shí)際工程狀況相符。

2.4 工況設(shè)置

在構(gòu)建模型后，右側(cè)為既有隧洞，而左側(cè)部分用于模擬新建隧道的實(shí)際開(kāi)挖過(guò)程，分析新建隧洞襯砌的變形發(fā)展規(guī)律。在數(shù)值計(jì)算過(guò)程中，先對(duì)地應(yīng)力進(jìn)行平衡分析，保證隧道開(kāi)挖前的穩(wěn)定性，然后對(duì)新建隧道的開(kāi)挖過(guò)程進(jìn)行精細(xì)化模擬。該模擬過(guò)程涵蓋了從初步開(kāi)挖至隧道輪廓逐步形成的多個(gè)階段，在此過(guò)程中，及時(shí)在模型中添加支護(hù)結(jié)構(gòu)，在圍巖壓力釋放的同時(shí)，保證隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，保障安全性。

開(kāi)挖新隧道時(shí)，要對(duì)開(kāi)挖進(jìn)度進(jìn)行精確控制。本次模擬涉及的總開(kāi)挖深度為300m，分為11個(gè)工況，記錄了開(kāi)挖前的初始狀態(tài)以及每次挖掘30m時(shí)新建隧道洞口襯砌結(jié)構(gòu)的變形情況，監(jiān)測(cè)了新建隧道洞口襯砌的最大主應(yīng)變，直至挖掘并支護(hù)完成的隧道長(zhǎng)度達(dá)到300m。在洞口襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)立了監(jiān)測(cè)點(diǎn)，包括拱頂、左右拱肩、左右拱腰、左右拱腳以及拱底等位置，如圖1所示，記錄該位置的最大主應(yīng)變發(fā)展規(guī)律。

3 結(jié)果分析

3.1 新建隧道洞口襯砌整體變形

隨著新建隧道的開(kāi)挖，洞口襯砌結(jié)構(gòu)的豎向變形和橫向變形數(shù)據(jù)如圖2所示：當(dāng)開(kāi)挖深度30m時(shí)，拱頂下沉3.1mm，拱底上升3.6mm；當(dāng)開(kāi)挖深度300m時(shí)，拱頂下沉3.3mm，拱底上升3.4mm。分析這些數(shù)據(jù)可知，在豎向變形中，拱頂下沉量隨著開(kāi)挖深度增加而增加，而拱底上升量則有所減少，顯示出豎向位移的差異性變化。

橫向變形數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)開(kāi)挖深度為30m時(shí)，右拱腰變化為0.33mm，左拱腰變化為0.31mm；當(dāng)開(kāi)挖深度為300m時(shí)，右拱腰變化為0.46mm，左拱腰變化為0.36mm。右拱腰的變化幅度為39.3%，左拱腰的變化幅度為13.1%，表明右拱腰的橫向變形程度顯著高于左拱腰。受到既有隧道的影響，新建隧道洞口右側(cè)襯砌結(jié)構(gòu)變形更為明顯。同時(shí)還可以看出，隨著開(kāi)挖深度增加，拱頂和拱底的豎向變形呈現(xiàn)出非線性增長(zhǎng)趨勢(shì)。在初期開(kāi)挖階段，變形增長(zhǎng)較快，隨著開(kāi)挖深入，變形增長(zhǎng)速度逐漸放緩。橫向變形則呈現(xiàn)不對(duì)稱(chēng)性，右側(cè)變形始終大于左側(cè)。通過(guò)綜合分析這些監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)，在新建隧道開(kāi)挖過(guò)程中，襯砌結(jié)構(gòu)的變形具有以下規(guī)律：豎向變形以拱頂下沉和拱底上升為主，橫向變形以拱腰部位最為顯著。變形程度與開(kāi)挖深度呈正相關(guān)，但增長(zhǎng)速度逐漸減慢。既有隧道對(duì)新建隧道襯砌結(jié)構(gòu)變形的影響表現(xiàn)為不對(duì)稱(chēng)性，右側(cè)襯砌結(jié)構(gòu)變形更為嚴(yán)重。綜上所述，為進(jìn)一步研究既有隧道對(duì)相鄰新建隧道施工引起的洞口襯砌變形的影響，需要在洞口襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，包括拱頂、左右拱肩、左右拱腰、左右拱腳以及拱底等位置，監(jiān)測(cè)新建隧道開(kāi)挖0m～300m過(guò)程中的最大主應(yīng)變的發(fā)展趨勢(shì)。

3.2 新建隧道洞口襯砌最大主應(yīng)變-開(kāi)挖進(jìn)尺發(fā)展曲線

如圖3所示，新建隧道洞口襯砌上監(jiān)測(cè)點(diǎn)的最大主應(yīng)變發(fā)展趨勢(shì)表明，在隧道開(kāi)挖的不同階段，襯砌變形的幅度存在顯著差異。新建隧道襯砌變形的開(kāi)挖進(jìn)尺可分為兩個(gè)主要階段：初期開(kāi)挖階段和深度開(kāi)挖階段，當(dāng)新建隧道剛開(kāi)挖時(shí)，襯砌結(jié)構(gòu)的最大主應(yīng)變出現(xiàn)顯著變化，這主要?dú)w因于地層的松動(dòng)和應(yīng)力重分布，導(dǎo)致襯砌結(jié)構(gòu)承受較大的變形影響。隨著開(kāi)挖深度逐漸增加，襯砌結(jié)構(gòu)的變形逐漸趨于穩(wěn)定。開(kāi)挖至30m時(shí)，最大主應(yīng)變-開(kāi)挖進(jìn)尺發(fā)展曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)，變形趨于相對(duì)平穩(wěn)。由于襯砌結(jié)構(gòu)在此階段逐漸適應(yīng)了地層的應(yīng)力變化以及有效實(shí)施支護(hù)措施，因此出現(xiàn)了拐點(diǎn)。

襯砌結(jié)構(gòu)在不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形情況是不同的。從拱頂、左拱肩、右拱肩、左拱腰、右拱腰、左拱腳、右拱腳以及拱底區(qū)域來(lái)看，開(kāi)挖至300m，右拱腳的最大主應(yīng)變最大，且比左拱腳的最大主應(yīng)變數(shù)值大14.2%，同時(shí)，右拱腰的最大主應(yīng)變數(shù)值比左拱腰大2.8倍，而拱肩區(qū)域差別不大，拱肩的受拉變形較小，因此既有隧道對(duì)新建隧道的襯砌變形影響不大。

將新建隧道左右側(cè)區(qū)域的最大主應(yīng)變變化進(jìn)行比較，可以發(fā)現(xiàn)，與隧道左側(cè)區(qū)域相比，位于隧道的右側(cè)區(qū)域整體位移變化較大。新建隧道右側(cè)靠近既有隧道，左右側(cè)區(qū)域的巖體分布不均勻，而左側(cè)區(qū)域巖體相對(duì)穩(wěn)定。因此，在新建隧道施工過(guò)程中，需要采取相應(yīng)的支護(hù)措施來(lái)減少右側(cè)區(qū)域的位移變形。因此，針對(duì)既有隧道旁隧道復(fù)線的修建工程過(guò)程，應(yīng)加強(qiáng)同側(cè)的支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，并隨時(shí)對(duì)同側(cè)的支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，防止新建隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞及洞口段邊坡失穩(wěn)等工程災(zāi)害發(fā)生。

4 結(jié)論

既有隧道對(duì)側(cè)新建隧道開(kāi)挖時(shí)的襯砌變形的影響的數(shù)值分析表明：既有隧道對(duì)新建隧道開(kāi)挖時(shí)的襯砌變形存在影響，特別是靠近既有隧道一側(cè)。新建隧道的襯砌結(jié)構(gòu)變形可分為兩個(gè)階段。新建隧道剛開(kāi)挖時(shí)，襯砌結(jié)構(gòu)的最大主應(yīng)變急劇變化。開(kāi)挖至30m時(shí)，最大主應(yīng)變趨于穩(wěn)定。在復(fù)線工程中，需要加強(qiáng)相鄰側(cè)支護(hù)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，監(jiān)測(cè)其變形情況，特別是相鄰側(cè)襯砌拱腳區(qū)域的最大主應(yīng)變，該區(qū)域受拉變形最為明顯。

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