吳月紅

(佛山市建盈發(fā)展有限公司，廣東 佛山 52800)

隨著城市地下交通系統日益龐大，新建隧道的開挖對既有隧道的影響越來越常見。一方面，由于土體的卸載效應，可能使既有隧道產生附加的位移或者應力，對既有隧道造成破壞，例如臺北地鐵曾因鄰近隧道的開挖導致既有地鐵隧道結構的破壞[1]。為保護既有隧道的安全運營，通常需要嚴格限制由鄰近隧道開挖造成的位移和變形。另一方面，由于地下結構以及土體的復雜性，規(guī)范中未明確既有結構的變形和位移的限值，國內外沒有統一標準，如上海限制豎向位移為不超過20 mm，廣東限制豎向位移為15 mm。因此，研究既有隧道的位移和變形問題具有現實意義。

近年來，國內外學者以鄰近隧道開挖對既有隧道的影響為背景開展了大量研究。Liu等[2]基于現場實測，提出土體本身的性質及新建隧道開挖的順序對既有隧道的位移有較大的影響。Sharma等[3]提出新建隧道的開挖對既有隧道位移和變形有顯著的影響。Peck[4]通過大量工程實際數據，提出在不考慮排水的情況下，隧道開挖形成的地表沉降槽的體積等于地層損失的體積，地表橫向分布近似為高斯正態(tài)分布。楊春山等[5]對下穿隧道施工進行數值模擬，分析不同開挖深度對既有隧道的影響，結果表明：下穿開挖過程主要對既有隧道相交位置兩側2D范圍內產生影響。昝子卉[6]以某盾構地鐵上穿既有隧道為實例，建立了MIDAS有限元模型，分析開挖過程中的豎向變形，并通過現場實測數據驗證有限元結果的正確性。瞿婧晶[7]以盾構地鐵隧道上穿南京2號線為基礎，通過有限元軟件，分析既有隧道的豎向變形規(guī)律。沈良帥[8]采用有限差分法，分析新建隧道開挖導致的地表沉降，同時探討開挖對地下管線的影響，并給出相關擬合公式。張瓊方等[9]依據杭州地鐵1號線下穿工程項目，分析下穿盾構隧道對既有隧道變形的影響規(guī)律，提出當新建隧道開挖范圍在既有隧道中心線20 m以外時，既有隧道變形受影響比較小。袁德浩[10]以青島某地鐵區(qū)間隧道為基礎，采用Ansys有限元軟件模擬盾構隧道開挖對地表沉降的影響。

目前，鄰近隧道開挖對既有隧道影響的研究主要集中在隧道下穿工程，對于上跨隧道工程的研究還不多。本文采用數值模擬的方法，研究上跨隧道開挖對既有隧道位移、變形以及內力的影響，同時對比分析兩種不同既有隧道的加固措施，可為類似工程設計提供一定參考。

1 數值模擬

1.1 模型參數

本文采用MIDAS/GTS進行計算分析，隧道與土體模型如圖1所示，新建盾構隧道與既有盾構隧道直徑均為8.5 m，襯砌厚度為0.4 m，新建隧道距離地表20 m，新建隧道與既有隧道間距為4 m，新建隧道長度為300 m，既有隧道長度為500 m。為充分考慮新建隧道開挖對既有隧道的影響，減小邊界條件造成的影響，土體尺寸長、寬、高分別為80.0 m、80.0 m、50.0 m，兩條隧道的交角為90°。為保證計算精度和計算效率，隧道襯砌和土體模型均采用三角形全結構網格，計算時在隧道橫斷面方向取300 m，在隧道開挖掘進方向取200 m，在隧道基地方向取80 m。模型中x方向和y方向分別定義為既有隧道、新建隧道長度方向，z方向為土體深度方向。在既有隧道左右方向施加水平方向約束，前后邊界施加縱向的約束，頂板施加垂直方向的約束。選取Mohr-Coulomb本構模型，該模型可以準確反映隧道開挖過程中土體的傳力路徑，相關實驗也表明該模型破壞模式與試驗相符，其結果具有準確性較好、可靠度高的特點[11]。土體采用實體單元，襯砌采用板單元。土體參數如表1所示。

(a) 土體結構

表1 土體力學參數

1.2 既有隧道隆起變形分析

在計算前，為避免既有隧道的初始狀態(tài)對結果造成影響，對既有隧道重力及土體作用下的變形、位移進行初始化，如圖2a所示。圖2b是新建隧道開挖60 m時既有隧道的位移云圖，此時既有隧道豎向位移達到最大值。從圖中可以看到，既有隧道在兩隧道相交區(qū)域有較大的豎向位移，拱頂位置的豎向位移較其他位置更明顯；當沿著既有隧道軸向逐漸遠離相交區(qū)域，豎向位移逐漸減小，說明新建隧道的開挖影響主要集中在梁隧道的相交位置，隨著距離的增加，其他位置受影響越來越小。

為進一步分析不同開挖長度下，既有隧道的豎向位移變化，圖3給出了10～70 m范圍內共7個不同開挖深度下的豎向位移曲線。由圖3可知，當新建隧道開挖距離小于30 m時，隧道主要發(fā)生沉降作用，沉降位移約為1 mm。當新建隧道開挖至40 m處，正好位于既有隧道頂部時，由于頂部土體的卸載，既有隧道發(fā)生隆起效應，位移迅速增加。隨著開挖深度繼續(xù)增加，隆起效應愈加顯著，在開挖至60m時，隆起位移為4.464 mm，達到最大值；隨后，豎向位移穩(wěn)定在該數值附近，基本不再隨新建隧道開挖發(fā)生變化。從圖中還能看到，新建隧道開挖的影響主要集中在兩隧道相交區(qū)域，約兩側1.5D開挖范圍內，其他區(qū)域受影響較小。

(a)開挖前

圖3 不同開挖深度下既有隧道位移曲線

為分析既有隧道斷面不同位置的變形情況，本文沿既有隧道軸向，對各拱頂、拱腰、拱底三個位置的豎向位移進行了提取，如圖4所示。由圖4可知，當新建隧道開挖到既有隧道左右10 m范圍內時，拱頂、拱腰、拱底三個位置的豎向位移變化劇烈，在該開挖范圍內，豎向位移迅速增大。當開挖深度較淺時，拱頂、拱腰、拱底首先出現沉降效應，在拱頂位置有最大的沉降位移約1 mm。當開挖至10 m時，三個位置的變形趨近于收斂，最大豎向位移出現在拱頂位置。隨著開挖深度繼續(xù)增加，既有隧道斷面基本不再發(fā)生變形和位移。同時，拱頂位置的豎向位移以及變化趨勢相較其他位置更加顯著。

圖4 不同開挖深度下既有隧道斷面不同位置位移

1.3 內力分析

為研究新建隧道開挖對既有隧道內力分布規(guī)律的影響，本文對不同開挖深度下的既有隧道彎矩和剪力進行分析。

圖5給出在新建隧道不同開挖長度下，既有隧道的彎矩分布。從圖中可以看到，既有隧道在中部兩側1.5D范圍內以較大的正彎矩為主，在兩隧道相交位置有最大的彎矩值，其余位置以負彎矩為主，且數值較小。開挖深度較小時，沿既有隧道軸向，各位置的彎矩值較小。開挖至40 m時，新建隧道位于既有隧道正上方，此時彎矩顯著增大。開挖至50 m附近時，彎矩逐漸接近最大值，隨后彎矩數值趨近收斂，基本穩(wěn)定在最大值附近，不再隨開挖長度的變化而變化。圖6是既有隧道相交斷面彎矩值隨開挖深度的變化圖，從圖中可知，開挖至30 m之前，既有隧道彎矩幾乎不發(fā)生變化，始終在0附近波動；開挖深度進入既有隧道約1.5D范圍內時，彎矩迅速增加，且基本呈線性變化；開挖超出既有隧道約1.5D深度后，彎矩值基本穩(wěn)定，不再變化。

圖5 不同開挖深度下既有隧道不同位置彎矩

圖6 既有隧道最大彎矩隨開挖深度變化

從圖7中可以看到，在距離既有隧道中心線左右約10 m處存在最大的剪力值。剪力分布以相交位置為中點對稱分布。與彎矩分布規(guī)律相似，當開挖深度較小時，既有隧道剪力受影響較小；當開挖至既有隧道頂部位置附近時，剪力迅速增大；當開挖至50 m附近時，剪力值開始收斂。圖8是最大剪力值隨開挖深度的變化，最大剪力變化與最大彎矩變化規(guī)律類似，當開挖深度在既有隧道1.5D范圍內時，剪力受開挖影響較大，其余位置影響較小。

圖7 不同開挖深度下既有隧道不同位置剪力

圖8 既有隧道最大剪力隨開挖深度變化

2 加固措施研究

新建隧道上跨既有隧道時，土體卸載作用會使既有隧道周向的土體應力狀態(tài)發(fā)生變化，既有隧道會發(fā)生變形，影響其使用安全性以及隧道的正常運營。因此，如何合理加固既有隧道，控制其變形，保證其安全運營，成為不可忽略的問題。本文對抗浮錨桿(見圖9)以及抗浮錨桿+超前管幕(見圖10)兩種加固方式進行了數值模擬，分析兩種加固措施控制既有隧道變形的效果?？垢″^桿長10 m，索力為100 kN，采用桁架單元進行模擬，抗浮錨桿均勻布置在既有隧道斷面拱腰到拱底范圍內，每一管片設置5根。根據前述分析，新建隧道開挖主要影響既有隧道左右1.5D范圍，因此本文在既有隧道3D范圍內均勻設置超前管幕，間距0.85 m，直徑0.8 m，采用梁單元進行模擬。

圖9 抗浮錨桿模型

圖10 抗浮錨桿+超前管幕模型

圖11～圖13為加固前后既有隧道豎向位移、彎矩、剪力的對比圖。從圖可知，加固后，既有隧道的位移變形、內力顯著降低。采用抗浮錨桿+超前管幕的組合加固措施相比單一的抗浮錨桿措施更加有效，加固措施一的布置方式降低了約58%豎向位移、77%彎矩、75%剪力，加固措施二的布置方式降低了80%豎向位移、83%的彎矩值、75%的剪力值。此外，加固前后，既有隧道變形和內力分布規(guī)律基本保持一致，即當新建隧道開挖范圍在既有隧道兩側1.5D范圍內時，影響較大。

圖11 加固前后豎向位移對比

圖12 加固前后彎矩對比

圖13 加固前后剪力對比

3 結論

本文基于MIDAS/GTS有限元軟件，建立上跨隧道開挖模型，分析開挖過程對既有隧道豎向位移、內力的影響，同時對比兩種不同的加固措施的效果，通過結果分析獲得出以下結論：

(1)當新建隧道開挖至既有隧道1.5D范圍內時，既有隧道發(fā)生明顯的隆起效應，在相交區(qū)域的隆起效應顯著，同時拱頂位置相較其他位置豎向位移更大；當逐漸遠離相交中心時，既有隧道受影響隨之減小。

(2)既有隧道的剪力和彎矩以兩隧道相交點為中心呈對稱分布，在既有隧道相交位置以正彎矩為主，在距離既有隧道中心線左右約10 m處存在較大的剪力值。

(3)當開挖深度進入既有隧道1.5D范圍內時，既有隧道豎向位移、彎矩、剪力迅速增加，基本呈線性變化，當開挖超出既有隧道1.5D范圍后，豎向位移、彎矩和剪力趨于穩(wěn)定，基本不再發(fā)生變化。

(4)采用抗浮錨桿和抗浮錨桿+超前管幕的加固措施能有效減小上跨隧道開挖對既有隧道的影響，可為實際工程提供參考。