小间距隧道施工动态监测与数值模拟分析

小间距隧道施工动态监测与数值模拟分析

张雄

黄梅县公路管理局湖北黄冈435500

摘要：由于新建和既有隧道之间距离较近，在施工过程中，产生互相干扰，造成既有隧道的结构变形与内力大小改变，进而影响既有隧道的安全性。

关键词：小间距；隧道施工；监测；数值模拟分析；

随着我国城镇化进程加快，带动地下工程基础设施建设投资增多，地下市政道路、地下轨道交通等工程设施大量建设，难免会产生新建隧道与既有隧道近距离施工，由于新建和既有隧道之间距离较近，在施工过程中，产生互相干扰，造成既有隧道的结构变形与内力大小改变，进而影响既有隧道的安全性。

近年来，有关新建隧道与既有隧道近接施工对既有隧道产生影响的研究较多，大部分是对新建隧道与既有隧道之间以平行或下穿方式的研究，而对新建隧道以不同角度上跨既有隧道的施工影响研究较少。

一、现场监测分析

1.地表沉降监测分析。为更好地反映相邻基坑地表沉降情况，选择CJ4，CJ12，CJ16，CJ22监测点分析，CJ4沉降观测点位于左分离基坑外侧、CJ12沉降观测点位于左分离基坑内侧、CJ16沉降观测点位于主线基坑内侧、CJ22沉降观测点位于主线基坑外侧，各监测点数据沉降曲线没有明显的陡降段，显示各施工工况地表一直在缓慢沉降，直至底板施工渐趋平稳。还可看出，两相邻基坑内侧监测点CJ12，CJ16沉降值较小，其最终沉降量CJ12为10.4mm，CJ16为12.9mm；而外侧监测点CJ4，CJ22沉降值较大，其最终沉降量CJ4为20.5mm，CJ22为25.4mm，可解释为中间土条受相邻两基坑同时开挖的影响，地表沉降有所减少。

2.立柱沉降监测分析。选取桩号K8+250的主线基坑立柱CJ54及左分离基坑立柱CJ62监测数据进行分析，可以看出，整体上CJ54，CJ62监测点数据曲线基本上可划分为5个阶段，分别对应前述施工工况。（1）阶段1主线基坑立柱快速隆起，而左分离基坑则缓慢下沉，这是因为主线基坑第1层土方率先开挖，主线基坑坑侧土体向坑内位移。在本阶段末期随着混凝土支撑的施工，主线基坑立柱隆起有所停顿。（2）阶段2～4主线基坑和左分离基坑立柱都缓慢隆起，两者隆起速率接近相等。（3）阶段5主线基坑立柱有所下沉，而左分离基坑立柱一直隆起，这是因为主线基坑土方开挖完成，左分离基坑第4层土方开挖，主线基坑坑侧土体向左分离基坑坑内位移。该阶段，左分离基坑立柱隆起速率大于前3阶段，可理解为主线基坑结束开挖，对左分离基坑的影响有所降低。主线基坑最终隆起13.8mm，左分离基坑最终隆起8.6mm，考虑到主线基坑第1层土方开挖时沉降4.1mm，左分离基坑累计隆起量12.7mm，与主线基坑隆起量相当；另外，阶段1和阶段5主线基坑与左分离基坑监测数据曲线大致对称，阶段2～4则基本类似。以上两点表明两相邻基坑同步开挖相互影响一致。

3.现场量测的内容和布置。量测内容对于隧道的量测，最直接和有效的是进洞的地表沉降、洞身收敛和拱顶沉降。该隧道的分析主要针对这几个方面的量测结果进行分析。（1）现场测点的布置及量测方法.地表沉降，当隧道的埋深小于3倍洞径时，地表沉降动态是判断周围地层稳定性的一个重要标志，其监测结果能反映隧道开挖过程中围岩介质变形的全过程。地表沉降量测是本工程监控量测的重要内容。主要在进、出口段地表进行布点。在隧道开挖纵、横向3～5倍洞径外的区域埋设两个基点，利用高精准PentaxAP-128水准仪进行地表下沉量量测。（2）隧道围岩周边位移量测净空收敛量测，其作用是监控围岩的稳定性，保证施工安全并为二次衬砌的构造、施设时间等提供依据。在预设点的断面隧道开挖爆破以后，沿着隧道周边的拱顶和边墙部位分别埋设球头测桩。测桩埋设深度30cm，用快硬水泥或早强锚固剂固定。

二、监控量测措施及分析

隧道监控量测是新奥法施工里面重要的一个程序，隧道在整个开挖施工中，都必须要对隧道围岩和隧道支护结构变形和受力情况进行监控量测，监测结果及时反馈给施工现场，以便指导施工。监控量测实施简明方案如下：（1）既有隧道拱顶位移监测。既有隧道拱顶沉降监测主要采用反光片和全站仪联合构成监测体系，拱顶测点分布在既有隧道拱顶和离拱顶左右1m各一个监测点。（2）既有隧道周边收敛监测。监控量测既有隧道周边收敛，主要采用卷尺收敛计测量。在既有隧道拱腰左右处各设置一个监测点，通过对既有隧道拱顶处位移的监控实测，从开始施工时，拱顶位移值很小，在0．05mm左右，在左上台阶开挖完成后，即施工到第35d左右，即和数值模拟结果中的左隧道上部分完成相对应，拱顶位移开始逐渐增大，在左下台阶开挖完后，拱顶隆起值最大为1．38mm。根据工程检测要求轨道隧道衬砌结构拱顶位移为±7mm，故其变形值在可控范围内。数值模拟的竖向位移和水平位移与监控实测收敛数据曲线基本一致，达到模拟与实测的相统一。

三、小间距隧道数值模拟

为了从理论上进一步验证施工现场的实测结论，进一步分析偏压情况下小间距隧道围岩变形的规律。

数值模拟的基本假定。对小间距隧道采用荷兰Delft大学开发的平面有限元程序PLAXIS，模型计算基本假设为（1）由于隧道在纵向的长度远远大于其开挖的尺寸，可以将隧道围岩受力与变形视为平面应变问题加以研究；（2）对于锚杆和超前小导管加固区的模拟，考虑将受到加强的围岩参数提高；（3）根据隧道围岩的工程地质条件与力学特性，通过隧道地表沉降数据的分析，说明仰坡地表沉降数据和预测洞口段仰坡的稳定性关系紧密，加强地表沉降监测对预测塌方有重要作用。

2.开挖过程的模拟。隧道数值模拟按照实际情况采用预留核心土法，先右洞后左洞。整个断面分为14个施工步骤。第1步，施加超前小导管；第2步，开挖右洞上部环形土；第3步，施加右洞上台阶初次衬砌和围岩加固；第4步，开挖右洞核心土；第5步，开挖右洞下台阶；第6步，对右洞下部进行钢筋网和钢拱架支护施工，并喷射混凝土；第7步，对右洞施加二次衬砌；第8～14步用同样方法对左洞进行施工。数值模拟的物理力学参数平年隧道进口段上方的围岩根据勘测单位提供的地质资料以及对现场的实际观察，将岩层分3层，从上到下依次是：分层①黄色亚粘土分层②灰色细砂岩分层③黄褐色粉砂质泥岩网格划分和计算范围数值计算的有限元网格采用15节点三角形单元，形成2719个网格。计算边界上方取至地表，左右部及下部边界取至边缘40m；边界约束均为位移约束，上部为自由边界，左右为水平位移约束边界，下部为水平和竖直两个方向位移约束。隧道洞顶离约地表11m，偏压角度为18.7°，左右洞净距为19m，两洞有错台左高右低，相差高度4m。

3.数值模拟计算结果分析。对数值计算的结果分析主要分为两个方面：一方面是结合本文前面提到的拱顶下沉和周边位移收敛的相关数据进行对比分析，另一方面分析中间岩体的稳定性问题，在往年隧道没有直接现场量测数据，却是小间距隧道施工的一个重要问题。

4.数值模拟结果对比分析。（1）拱顶下沉：K7+395断面右洞开挖后使用有限元软件计算和现场实测值的对比，拟合方程如前，其公式为U=20.20×e-7.09t，可以看到无论在变化规律上还是最大值上都有很好的吻合。（2）洞周收敛：隧道右洞洞周水平收敛计算值最大为9mm，相当于实测的测线3，与实测结果9.3mm相比，也是比较好的拟合。说明用有限元方法对隧道开挖过程数值模拟，可以正确反映小间距隧道的变形规律。

5中间岩体稳定性分析.考虑到小间距隧道间距小于规范规定的净距最小值，存在中间岩体稳定性的问题，但是在实际施工中这部分的位移很难监测到，故对中间点进行受力和变形分析。可以判断，中间岩体的稳定性在这种工况下是可以保证的。但是要注意适当加固中间岩柱体上部的区域。

参考文献

［1］唐兴国，王玉军.近距离双隧道开挖与支护的稳定性有限元计算[J].岩土力学，2011

［2］王强，经刚，马杰．新建隧道近距离上穿既有隧道的力学分析及工程处理［J］．铁道建筑，2013

［3］汪志敏，高峰，黄丽娜．隧道及地下工程［M］．北京：清华大学出版社，2014．