小間距新建隧道施工對既有隧道變形影響的數(shù)值模擬研究

關鍵詞：上跨新建隧道；既有隧道；縱向位移；橫向位移；豎向位移中圖分類號：U456.3 文獻標識碼：A DOl：10.13282/j.cnki.wccst.2025.03.033文章編號：1673-4874（2025）03-0115-04

0 引言

隨著我國交通網(wǎng)絡的不斷發(fā)展，隧道交叉施工、穿越和跨越施工已成為常態(tài)。在穿越和跨越施工中，新建隧道、管廊等工程對既有隧道受力、變形等均存在不同程度影響，嚴重時可能會導致既有隧道發(fā)生變形過大、塌方等事故。新舊工程之間的相互影響為隧道施工安全控制帶來挑戰(zhàn)，其風險不容忽視。部分學者在該領域已經(jīng)開展了相關研究，如李文乾等1研究了新建隧道下穿既有隧道豎向變形特征，并討論了隧道水平凈距和交叉角度等參數(shù)變化的影響規(guī)律；王雪晨等[2通過數(shù)值模擬，建立了某盾構隧道下穿既有隧道全過程有限元模型，得到了既有隧道在新建隧道施工下的沉降及應力結果；高坤等3基于兩階段法，提出了新舊隧道相互作用的縱向位移解析解，分析了挖載應力對既有隧道的影響。類似研究多有報道，主要集中于新舊隧道相互作用時既有隧道應力場和位移場的變化情況[4-7]。但是現(xiàn)有研究的新舊隧道間距往往較大，其變形、應力相對較為安全可控，對于新舊隧道小間距情況下的分析報道相對較少?；诖?，本文以某小間距新舊交叉隧道工程為研究背景，建立了其精細化有限元模型，系統(tǒng)分析了新建隧道工程對既有隧道三向位移場的變形影響規(guī)律，相關研究成果可為類似工程提供參考。

工程概況

某隧道屬剝蝕丘陵區(qū)，線位附近海拔為289～363m。隧址區(qū)地勢起伏較大，自然坡度一般為 30^°～45^° ，坡面植被發(fā)育，分布有大量灌木、竹林、茶樹等。進口坡面為茶園，自然坡度約為 45^° ，位于既有隧道進口上方；出口處為河流上方山坡，自然坡度約為 40^° ，坡面植被發(fā)育，多為農田和竹林，位于既有隧道出口左側。隧道起訖里程為TDK7+395～TDK7+653 ，全長 258m ，為單線隧道，設計時速為 60km ，隧道最大埋深為56m。該隧道進口端與既有某隧道交叉，新建隧道位于既有隧道上方交叉處，既有鐵路里程為 Tκ8+018.25 ，新建線里程為 π×7+411.42 兩隧道交叉角為 30^° ，新舊隧道間夾巖層厚度約為2. 76m. 0

對既有隧道 段隧道拱、墻限界與隧道內輪廓間以縱向間距0.5m架設HK100b型型鋼加固既有隧道，并在既有隧道 T1lt;8+004.5～T1lt;8+035 段采用 ?108mm×6mm 鋼管進行地表注漿加固新建隧道及既有隧道周邊圍巖。在新建隧道工程中，便道施工及運營對下方既有隧道的影響也不容忽視。上跨既有隧道進口端的施工便道，距隧道口水平凈距離為 12m ，便道中心線與既有隧道中心線的夾角為 57^° ，交叉處隧道覆土厚度為5.1m。新建隧道和既有隧道幾何關系橫斷面如圖1所示，施工便道縱斷面如圖2所示。

2有限元模型的建立

根據(jù)工程特點，為模擬新建隧道及施工便道立交穿越既有隧道施工過程，將Mohr-Coulomb等面積圓屈服準則和有限元強度折減系數(shù)法相結合，提出在二維應變、三維應力條件下有限元分析模型的選取、邊界條件的處理方法和收斂條件，采用大型通用有限元軟件ABAQUS建立新建隧道及施工便道立交穿越既有隧道工程的二維、三維實體仿真模型，建模過程統(tǒng)一采用國際標準制單位。新舊隧道模型幾何位置示意圖見圖3，圖中應力單位為Pa ，位移單位為 m （2號根據(jù)地勘報告及相關圖紙，各材料參數(shù)如表1所示。其中各土層材料均基于Mohr-Coulomb屈服準則定義理想彈塑性本構模型。

根據(jù)現(xiàn)場實際施工方案，在step中建立分析步，考慮到巖土復雜的非線性特征，開挖卸載后應力場分布不僅與當前應力狀態(tài)相關，與歷史應力場也有明顯關聯(lián)。為在有限元模型中模擬此種效應，使用ABAQUS軟件中的ModelChange模擬開挖過程，該操作不僅可以較為精準地模擬當前開挖狀態(tài)下巖土體的應力分布，還可將開挖移除區(qū)域對剩余土體的作用力“儲存”在有限元模型中。

建立有限元模型時，不僅要考慮新建隧道對既有隧道的影響，同時也應考慮施工便道修建的影響。本文采用建立不同分析步的方法實現(xiàn)對不同施工順序的模擬。

為兼顧計算精度與速度，保證計算迭代收斂，二維模型采用CPE4R四結點雙線性平面應變四邊形單元和B21梁單元，三維模型采用C3D8R八節(jié)點線性六面體減縮積分單元，采用結構化分網(wǎng)、映射分網(wǎng)、掃掠分網(wǎng)技術對模型進行網(wǎng)格劃分，對關鍵區(qū)域進行適量的網(wǎng)格加密。在Load模塊中對模型整體施加Gravity重力荷載，重力加速度取 .9.8m/s² 。在Interaction模塊中定義各部件間的相互作用，本計算中框架橋、給水管、護管涵等結構與土體間采用Surface-to-surface有限滑移接觸，接觸公差為0.1，選取結構構件作為主控面（Mastersur），土體作為從屬面（Slavesurface），其中切向罰函數(shù)取0.3，法向定義為硬接觸。有限元模型及計算工況分別如圖4和表2所示。

（a）新建隧道開挖階段三維有限元模型

3結果分析

3.1地應力自平衡

在進行巖土結構分析時，地應力自平衡是重要的一環(huán)，若地應力在開挖前處于不平衡狀態(tài)，將極大影響結果的準確性，甚至會造成分析步不收斂。如圖5所示為開挖前地應力分析結果云圖。由圖5可知，在施加重力荷載后，地應力在完成分析步后的位移峰值為 10^-14 量級，土體基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，所建立的有限元模型可以作為后繼分析的依據(jù)。

3.2新建隧道開挖影響結果分析

考慮到新舊隧道間隔極小，僅有2.76m，開挖應力場和現(xiàn)存應力場之間必然存在相互擾動的現(xiàn)象，因此將應力指標作為主要的評價依據(jù)精度較低，無法真實客觀地反映開挖對既有隧道的影響。根據(jù)《鄰近鐵路營業(yè)線施工安全監(jiān)測技術規(guī)程》（TB10314一2021），本文選取位移指標作為主要評價依據(jù)。如圖6和圖7所示為新建隧道明挖和暗挖階段對下方既有隧道的位移影響。由圖6和圖7可知，新建隧道明挖和暗挖對既有隧道位移場的影響幾乎相同，隧道縱向U1方向影響最為顯著，極值達到了2.28mm，出現(xiàn)位置位于隧道拱腳處；其次為隧道橫向U2方向，極值為1. 62mm ，出現(xiàn)位置位于隧道底部；豎向U3方向影響最小，極值為0.53mm，出現(xiàn)位置為隧道底部。新建隧道開挖對既有隧道上方呈現(xiàn)“擠壓”作用，拱腳、拱底位置的拉伸變形效果較為明顯，在實際施工時，應關注既有隧道拱腳位置的應力變化情況。

如圖8所示為新建隧道最不利斷面開挖時下方既有隧道最不利斷面U1、U2方向二維位移場。由圖8可知，在新建隧道開挖時，由于交角的影響，既有隧道縱向變形呈不對稱分布，截面左半部分拱腰位置變形為正向，極值為0.3mm；右半部分偏拱腳位置變形為負向，極值為1.4mm ；拱下半部分變形較小，為正向。截面整體變形呈面外扭轉狀態(tài)，隧道U2變形呈對稱分布，其極值為2.35mm，表明既有隧道橫向變形較為均勻。小間距工況下新建隧道交叉施工對既有隧道有一定影響，對于既有隧道截面會產(chǎn)生扭轉效應；既有隧道橫向變形較為均勻，交叉施工對橫向變形沒有顯著影響。

如圖9和圖10所示為上部便道施工及運營階段對下方既有隧道變形的影響。由圖9可知，相比于新建隧道開挖，便道施工時下方既有隧道的三向位移場有明顯區(qū)別，雖然兩者在數(shù)值上較為接近，但位移分布有明顯區(qū)別。在U1方向，既有隧道呈“壓縮\"狀全斷面整體變形，而在新建隧道開挖時，既有隧道變形主要位于左側拱腳位置，隧道截面呈“扭轉”狀態(tài)；在U2方向，新建隧道和便道開挖對既有隧道變形影響規(guī)律較為類似，但新建隧道工況影響范圍更大，對下方既有隧道截面變形影響延續(xù)到拱腰位置，而在便道開挖時，下方既有隧道變形主要分布于拱頂位置；在U3方向，新建隧道對下方既有隧道影響較小，而便道開挖則影響較為顯著，下方既有隧道呈整體下沉趨勢，峰值達3. 32mm

在圖10中，相比于便道施工階段，運營階段下方既有隧道變形分布也有明顯區(qū)別。U1方向既有隧道變形轉換至全截面整體壓縮狀態(tài)，且變形梯度分布更為明顯；U2、U3方向變形極小，說明便道運營對下方既有隧道橫向和豎向變形影響可以忽略。

4結語

本文以某上跨交叉隧道為研究對象，建立了新建隧道、施工便道和既有隧道精細化有限元模型，開展了新建隧道和上跨施工便道小間距交叉施工對既有隧道變形的影響規(guī)律研究，可得到以下結論：

（1）小間距上跨新建隧道施工對下方既有隧道三向位移場有顯著影響，其中對隧道縱向變形影響最為顯著，對豎向變形影響相對較小，在隧道縱向方向既有隧道截面呈扭轉狀態(tài)，橫向變形相對均勻。

（2）小間距上跨施工便道施工對下方既有隧道三向位移場的影響與新建隧道有明顯不同，既有隧道縱向呈現(xiàn)全截面壓縮變形趨勢，橫向變形范圍較新建隧道小，豎向變形量明顯大于新建隧道開挖階段。

參考文獻

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