劉磊，呂勇剛，秦勇

（1.中國交通建設(shè)股份有限公司，北京 100088；2.中交公路規(guī)劃設(shè)計院有限公司，北京 100088）

0 引言

由于歷史原因，國內(nèi)很多城市地下存在著大量廢棄的人防隧道，隨著城市地下空間的開發(fā)和利用，如何在既有人防群的復(fù)雜條件下合理開發(fā)地下空間，修建地下交通工程成為急待解決的問題。目前開發(fā)利用既有人防隧道的主要形式為對既有人防擴挖改造，如已建的哈爾濱地鐵一號線及重慶地鐵一號線[1-3]。隨著地下工程的發(fā)展，一種新的利用既有人防的形式，即通過與既有人防橫向交叉或端頭鑿洞等方式對接，實現(xiàn)利用既有人防的目的。

在交叉或分岔隧道方面，已有部分學(xué)者開展了研究，如張建強[4]以重慶軌道交通三號線紅旗河溝站B、D交叉段為背景，進行了數(shù)值模擬分析，研究了交叉口結(jié)構(gòu)受力特點，并提出了交叉口襯砌結(jié)構(gòu)優(yōu)化加固方法；靳曉光等[5]通過三維有限元數(shù)值模擬，分析了隧道橫通道施工過程中主隧道結(jié)構(gòu)及圍巖的受力特點；梁橋欣[6]利用有限元差分數(shù)值模擬方法對斜井與主隧道構(gòu)成的交叉連接段進行了模擬計算，分析了交叉段圍巖及結(jié)構(gòu)受力特點；許東[7]以棋盤關(guān)斜井隧道為背景，對復(fù)雜交叉隧道施工進行了有限元數(shù)值模擬研究，得出了交叉口最合理的初支支護參數(shù)及合理的施工方案。張強勇等[8]對大型分岔隧道進行了模型試驗研究，分析了分岔隧道圍巖受力特點。以上針對交叉隧道或分岔隧道的研究皆為同期設(shè)計、施工的近接工程，而對接既有人防的新建隧道工程有其自身特點：

1） 既有人防工程的設(shè)計理念與施工工藝陳舊，設(shè)計并未考慮隧道后期交叉工況；

2）既有人防工程修建年代久遠，結(jié)構(gòu)的安全儲備未知；

3）既有人防工程結(jié)構(gòu)斷面形式大部分為馬蹄形，受力較不利。

因此，新建隧道對接既有人防施工時，對既有人防工程的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性帶來較高的風(fēng)險，有必要對此開展專門研究。以下結(jié)合某新建隧道對接既有人防工程分別考慮不同的對接方式和對接部位，針對既有人防的力學(xué)特性進行研究。

1 計算條件

1.1 計算工況

在重復(fù)利用既有人防隧道的過程中，對接到既有人防的方式主要有兩種：1）直接從既有人防的端頭接入；2）從既有人防的邊墻接入。如圖1。

圖1 對接部位示意Fig.1 Sketch of docking stations

1.2 計算參數(shù)

1）地下洞室斷面參數(shù)

通過大型有限元軟件ANSYS進行三維分析，新建隧道和既有人防均采用“馬蹄形”斷面，新建隧道斷面取8.7 m（寬）×6.9m（高），既有人防斷面取16m（寬）×6.9m（高）。既有人防采用傳統(tǒng)礦山法施工，襯砌混凝土強度等級取C20，厚0.5m；新建隧道按新奧法復(fù)合式襯砌進行設(shè)計，初期支護采用C30噴射混凝土及鋼筋網(wǎng)，厚度0.3 m，二襯作為安全儲備，在計算建模中不予考慮。

2）圍巖及結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

模型巖土采用黏彈性模型，服從D-P屈服準則，圍巖由地表向下依次為4m厚雜填土，砂巖層；人防襯砌及新建隧道初期支護采用彈性模型。材料參數(shù)見表1。

表1 模型材料計算參數(shù)Table1 Calculation parametersofmodelmaterial

3）模型及邊界參數(shù)

圍巖使用實體單元（Solid45）模擬，既有人防的支護和區(qū)間隧道的襯砌采用殼單元（Shell63）模擬。模型四周邊界水平約束，底部邊界全約束，上部邊界為自由面。

2 端頭對接時既有人防力學(xué)特性

2.1 計算模型

計算模型大小為100m×40m×80 m，區(qū)段隧道取40m，既有人防洞室取40m，洞室埋深為9m。計算模型見圖2。

圖2 數(shù)值模型Fig.2 Simulationmodel

2.2 計算步驟

考慮到對圍巖應(yīng)力的多次擾動，具體計算過程為：

1）圍巖自重場的計算；

2）既有人防修建后圍巖應(yīng)力場的計算；

3）假定新建隧道向既有人防方向采用臺階法開挖，進行隧道開挖的模擬，開挖進尺為2m。

2.3 計算結(jié)果及分析

圖3為新建隧道開挖過程中既有人防靠近端頭附近的拱頂沉降曲線。由圖3可見，人防襯砌位移變化主要發(fā)生在隧道斷面開挖貫通后，當(dāng)采用臺階法開挖時，在上、下臺階分別貫通時，人防結(jié)構(gòu)受力變化相對較大。

圖3 既有人防端頭附近拱頂沉降時程曲線Fig.3 Vault settlementofair defense near the end wall

新建隧道開挖過程中，對接面附近的既有人防隧道均有不同程度的變形，統(tǒng)計對接面附近既有人防拱頂沉降（取間距2 m）的最大值并進行對比，由圖4可見，沿既有人防縱線，距離對接面越遠，既有人防受影響程度越小，且受影響程度的變化率也越來越小，經(jīng)計算，在距離對接面6 m范圍內(nèi)，變化率依次為：35.77%，18.57%，7.02%?？梢?，要控制既有人防的變形，主要需控制既有人防端墻的變形。

圖4 沿既有人防縱向的拱頂沉降Fig.4 Vault settlementofair defense through longitudinal extension

對隧道開挖過程中既有人防襯砌的受力和位移進行分析（見圖5，圖6），可見：

1）從整體看，隧道開挖過程中，既有人防隧道橫斷面上受力呈現(xiàn)拱頂和邊墻中部受拉，其他部位主要受壓的特點；

2）在隧道開挖過程中，與隧道交接的既有人防端墻有局部應(yīng)力集中現(xiàn)象，在施工過程中應(yīng)對與隧道交接的既有人防端墻采取必要的加固措施；

3）隧道開挖導(dǎo)致人防隧道拱頂發(fā)生輕微的沉降，仰拱底發(fā)生輕微底鼓。

圖5 既有人防襯砌第一主應(yīng)力Fig.5 Lining stressof theexisting air defense

圖6 既有人防襯砌總豎向位移Fig.6 Lining displacementof the existing air defense

3 邊墻對接時既有人防力學(xué)特性

3.1 計算模型

計算模型大小為60 m×40 m×60 m，區(qū)段隧道取30m，既有人防洞室取60m，洞室埋深為9m。計算模型見圖7。

圖7 數(shù)值模型Fig.7 Simulationmodel

3.2 計算步驟

考慮到對圍巖應(yīng)力的多次擾動，具體計算過程為：

1）圍巖自重場的計算；

2）既有人防修建后圍巖應(yīng)力場的計算；

3）假定新建隧道由既有人防開始采用CRD法開挖，開挖進尺取2m。

3.3 計算結(jié)果及分析

圖8為新建隧道開挖過程中既有人防靠近交接點附近的拱頂沉降曲線。由圖8可見：1）隧道開挖對既有人防的影響主要發(fā)生在隧道掌子面距離對接部位1倍的洞寬內(nèi)；2）人防拱頂受力變化在隧道左上臺階開始開挖和右上臺階開始開挖時變化最大。

圖8 既有人防拱頂沉降結(jié)果Fig.8 Vault settlementof the existing air defense

新建隧道開挖過程中，對接面附近的既有人防隧道均有不同程度的變形，統(tǒng)計新建隧道中心線一側(cè)的既有人防拱頂沉降（取間距4 m）的最大值并進行對比，由圖9可見，沿既有人防縱線，距離新建隧道中心線越遠，既有人防受影響程度越小，且受影響程度的變化率也越來越小。

經(jīng)計算，在距離對接面16 m范圍內(nèi)，變化率依次為：36.57%，18.82%，13.40%，12.13%。從既有人防變形情況可見，新建隧道開挖對既有人防的影響范圍為從新建隧道中心線向兩側(cè)輻射8m范圍。

圖9 沿既有人防縱向的拱頂沉降Fig.9 Vaultsettlementof the existing air defense through longitudinalextension

對隧道開挖過程中既有人防襯砌的受力和位移進行分析（見圖10，圖11），可見：1）從人防襯砌位移結(jié)果看，隧道開挖對既有人防的影響范圍為從對接部位向兩側(cè)輻射8 m，但從應(yīng)力結(jié)果看，隧道開挖對既有人防影響程度較大的范圍為從對接部位向兩側(cè)輻射5 m；2）在隧道與既有人防交接處有應(yīng)力集中現(xiàn)象；3）隧道開挖導(dǎo)致交接處人防隧道拱頂發(fā)生輕微沉降，仰拱底發(fā)生輕微底鼓。

圖10 人防襯砌第一主應(yīng)力Fig.10 Lining stressof the air defense

圖11 人防襯砌總豎向位移結(jié)果Fig.11 Lining displacementof the air defense

4 結(jié)語

在考慮不同對接部位的情況下，通過對隧道施工過程中既有人防結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析，得出以下結(jié)論：

1）當(dāng)新建隧道從端頭對接既有人防，且向既有人防方向開挖時，隧道開挖對既有人防隧道的影響主要發(fā)生在隧道掌子面開挖貫通時及之后；當(dāng)新建隧道從邊墻對接既有人防，且從既有人防開始開挖時，隧道開挖對既有人防隧道的影響主要發(fā)生在隧道掌子面距離對接點在1倍隧道洞寬范圍內(nèi)。

2）當(dāng)新建隧道從端頭對接既有人防時，隧道開挖對既有人防的影響程度較大的范圍為與隧道對接部位的既有人防端墻；當(dāng)新建隧道從邊墻對接既有人防時，隧道開挖對既有人防的影響程度較大的范圍為從隧道與既有人防對接處向兩側(cè)輻射5m范圍。

3）沿既有人防縱線，距離對接中心越遠，既有人防受影響程度越小，且受影響程度的變化率也越小。

4）在新建隧道與既有人防對接部位均會出現(xiàn)較明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，在隧道施工過程中，應(yīng)采取必要的結(jié)構(gòu)加固措施。

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