吴月红
(佛山市建盈发展有限公司，广东 佛山 52800)
随着城市地下交通系统日益庞大，新建隧道的开挖对既有隧道的影响越来越常见。一方面，由于土体的卸载效应，可能使既有隧道产生附加的位移或者应力，对既有隧道造成破坏，例如台北地铁曾因邻近隧道的开挖导致既有地铁隧道结构的破坏[1]。为保护既有隧道的安全运营，通常需要严格限制由邻近隧道开挖造成的位移和变形。另一方面，由于地下结构以及土体的复杂性，规范中未明确既有结构的变形和位移的限值，国内外没有统一标准，如上海限制竖向位移为不超过20 mm，广东限制竖向位移为15 mm。因此，研究既有隧道的位移和变形问题具有现实意义。
近年来，国内外学者以邻近隧道开挖对既有隧道的影响为背景开展了大量研究。Liu等[2]基于现场实测，提出土体本身的性质及新建隧道开挖的顺序对既有隧道的位移有较大的影响。Sharma等[3]提出新建隧道的开挖对既有隧道位移和变形有显著的影响。Peck[4]通过大量工程实际数据，提出在不考虑排水的情况下，隧道开挖形成的地表沉降槽的体积等于地层损失的体积，地表横向分布近似为高斯正态分布。杨春山等[5]对下穿隧道施工进行数值模拟，分析不同开挖深度对既有隧道的影响，结果表明：下穿开挖过程主要对既有隧道相交位置两侧2D范围内产生影响。昝子卉[6]以某盾构地铁上穿既有隧道为实例，建立了MIDAS有限元模型，分析开挖过程中的竖向变形，并通过现场实测数据验证有限元结果的正确性。瞿婧晶[7]以盾构地铁隧道上穿南京2号线为基础，通过有限元软件，分析既有隧道的竖向变形规律。沈良帅[8]采用有限差分法，分析新建隧道开挖导致的地表沉降，同时探讨开挖对地下管线的影响，并给出相关拟合公式。张琼方等[9]依据杭州地铁1号线下穿工程项目，分析下穿盾构隧道对既有隧道变形的影响规律，提出当新建隧道开挖范围在既有隧道中心线20 m以外时，既有隧道变形受影响比较小。袁德浩[10]以青岛某地铁区间隧道为基础，采用Ansys有限元软件模拟盾构隧道开挖对地表沉降的影响。
目前，邻近隧道开挖对既有隧道影响的研究主要集中在隧道下穿工程，对于上跨隧道工程的研究还不多。本文采用数值模拟的方法，研究上跨隧道开挖对既有隧道位移、变形以及内力的影响，同时对比分析两种不同既有隧道的加固措施，可为类似工程设计提供一定参考。
1.1 模型参数
本文采用MIDAS/GTS进行计算分析，隧道与土体模型如图1所示，新建盾构隧道与既有盾构隧道直径均为8.5 m，衬砌厚度为0.4 m，新建隧道距离地表20 m，新建隧道与既有隧道间距为4 m，新建隧道长度为300 m，既有隧道长度为500 m。为充分考虑新建隧道开挖对既有隧道的影响，减小边界条件造成的影响，土体尺寸长、宽、高分别为80.0 m、80.0 m、50.0 m，两条隧道的交角为90°。为保证计算精度和计算效率，隧道衬砌和土体模型均采用三角形全结构网格，计算时在隧道横断面方向取300 m，在隧道开挖掘进方向取200 m，在隧道基地方向取80 m。模型中x方向和y方向分别定义为既有隧道、新建隧道长度方向，z方向为土体深度方向。在既有隧道左右方向施加水平方向约束，前后边界施加纵向的约束，顶板施加垂直方向的约束。选取Mohr-Coulomb本构模型，该模型可以准确反映隧道开挖过程中土体的传力路径，相关实验也表明该模型破坏模式与试验相符，其结果具有准确性较好、可靠度高的特点[11]。土体采用实体单元，衬砌采用板单元。土体参数如表1所示。
(a) 土体结构
表1 土体力学参数
1.2 既有隧道隆起变形分析
在计算前，为避免既有隧道的初始状态对结果造成影响，对既有隧道重力及土体作用下的变形、位移进行初始化，如图2a所示。图2b是新建隧道开挖60 m时既有隧道的位移云图，此时既有隧道竖向位移达到最大值。从图中可以看到，既有隧道在两隧道相交区域有较大的竖向位移，拱顶位置的竖向位移较其他位置更明显；
当沿着既有隧道轴向逐渐远离相交区域，竖向位移逐渐减小，说明新建隧道的开挖影响主要集中在梁隧道的相交位置，随着距离的增加，其他位置受影响越来越小。
为进一步分析不同开挖长度下，既有隧道的竖向位移变化，图3给出了10～70 m范围内共7个不同开挖深度下的竖向位移曲线。由图3可知，当新建隧道开挖距离小于30 m时，隧道主要发生沉降作用，沉降位移约为1 mm。当新建隧道开挖至40 m处，正好位于既有隧道顶部时，由于顶部土体的卸载，既有隧道发生隆起效应，位移迅速增加。随着开挖深度继续增加，隆起效应愈加显著，在开挖至60m时，隆起位移为4.464 mm，达到最大值；
随后，竖向位移稳定在该数值附近，基本不再随新建隧道开挖发生变化。从图中还能看到，新建隧道开挖的影响主要集中在两隧道相交区域，约两侧1.5D开挖范围内，其他区域受影响较小。
(a)开挖前
图3 不同开挖深度下既有隧道位移曲线
为分析既有隧道断面不同位置的变形情况，本文沿既有隧道轴向，对各拱顶、拱腰、拱底三个位置的竖向位移进行了提取，如图4所示。由图4可知，当新建隧道开挖到既有隧道左右10 m范围内时，拱顶、拱腰、拱底三个位置的竖向位移变化剧烈，在该开挖范围内，竖向位移迅速增大。当开挖深度较浅时，拱顶、拱腰、拱底首先出现沉降效应，在拱顶位置有最大的沉降位移约1 mm。当开挖至10 m时，三个位置的变形趋近于收敛，最大竖向位移出现在拱顶位置。随着开挖深度继续增加，既有隧道断面基本不再发生变形和位移。同时，拱顶位置的竖向位移以及变化趋势相较其他位置更加显著。
图4 不同开挖深度下既有隧道断面不同位置位移
1.3 内力分析
为研究新建隧道开挖对既有隧道内力分布规律的影响，本文对不同开挖深度下的既有隧道弯矩和剪力进行分析。
图5给出在新建隧道不同开挖长度下，既有隧道的弯矩分布。从图中可以看到，既有隧道在中部两侧1.5D范围内以较大的正弯矩为主，在两隧道相交位置有最大的弯矩值，其余位置以负弯矩为主，且数值较小。开挖深度较小时，沿既有隧道轴向，各位置的弯矩值较小。开挖至40 m时，新建隧道位于既有隧道正上方，此时弯矩显著增大。开挖至50 m附近时，弯矩逐渐接近最大值，随后弯矩数值趋近收敛，基本稳定在最大值附近，不再随开挖长度的变化而变化。图6是既有隧道相交断面弯矩值随开挖深度的变化图，从图中可知，开挖至30 m之前，既有隧道弯矩几乎不发生变化，始终在0附近波动；
开挖深度进入既有隧道约1.5D范围内时，弯矩迅速增加，且基本呈线性变化；
开挖超出既有隧道约1.5D深度后，弯矩值基本稳定，不再变化。
图5 不同开挖深度下既有隧道不同位置弯矩
图6 既有隧道最大弯矩随开挖深度变化
从图7中可以看到，在距离既有隧道中心线左右约10 m处存在最大的剪力值。剪力分布以相交位置为中点对称分布。与弯矩分布规律相似，当开挖深度较小时，既有隧道剪力受影响较小；
当开挖至既有隧道顶部位置附近时，剪力迅速增大；
当开挖至50 m附近时，剪力值开始收敛。图8是最大剪力值随开挖深度的变化，最大剪力变化与最大弯矩变化规律类似，当开挖深度在既有隧道1.5D范围内时，剪力受开挖影响较大，其余位置影响较小。
图7 不同开挖深度下既有隧道不同位置剪力
图8 既有隧道最大剪力随开挖深度变化
新建隧道上跨既有隧道时，土体卸载作用会使既有隧道周向的土体应力状态发生变化，既有隧道会发生变形，影响其使用安全性以及隧道的正常运营。因此，如何合理加固既有隧道，控制其变形，保证其安全运营，成为不可忽略的问题。本文对抗浮锚杆(见图9)以及抗浮锚杆+超前管幕(见图10)两种加固方式进行了数值模拟，分析两种加固措施控制既有隧道变形的效果。抗浮锚杆长10 m，索力为100 kN，采用桁架单元进行模拟，抗浮锚杆均匀布置在既有隧道断面拱腰到拱底范围内，每一管片设置5根。根据前述分析，新建隧道开挖主要影响既有隧道左右1.5D范围，因此本文在既有隧道3D范围内均匀设置超前管幕，间距0.85 m，直径0.8 m，采用梁单元进行模拟。
图9 抗浮锚杆模型
图10 抗浮锚杆+超前管幕模型
图11～图13为加固前后既有隧道竖向位移、弯矩、剪力的对比图。从图可知，加固后，既有隧道的位移变形、内力显著降低。采用抗浮锚杆+超前管幕的组合加固措施相比单一的抗浮锚杆措施更加有效，加固措施一的布置方式降低了约58%竖向位移、77%弯矩、75%剪力，加固措施二的布置方式降低了80%竖向位移、83%的弯矩值、75%的剪力值。此外，加固前后，既有隧道变形和内力分布规律基本保持一致，即当新建隧道开挖范围在既有隧道两侧1.5D范围内时，影响较大。
图11 加固前后竖向位移对比
图12 加固前后弯矩对比
图13 加固前后剪力对比
本文基于MIDAS/GTS有限元软件，建立上跨隧道开挖模型，分析开挖过程对既有隧道竖向位移、内力的影响，同时对比两种不同的加固措施的效果，通过结果分析获得出以下结论：
(1)当新建隧道开挖至既有隧道1.5D范围内时，既有隧道发生明显的隆起效应，在相交区域的隆起效应显著，同时拱顶位置相较其他位置竖向位移更大；
当逐渐远离相交中心时，既有隧道受影响随之减小。
(2)既有隧道的剪力和弯矩以两隧道相交点为中心呈对称分布，在既有隧道相交位置以正弯矩为主，在距离既有隧道中心线左右约10 m处存在较大的剪力值。
(3)当开挖深度进入既有隧道1.5D范围内时，既有隧道竖向位移、弯矩、剪力迅速增加，基本呈线性变化，当开挖超出既有隧道1.5D范围后，竖向位移、弯矩和剪力趋于稳定，基本不再发生变化。
(4)采用抗浮锚杆和抗浮锚杆+超前管幕的加固措施能有效减小上跨隧道开挖对既有隧道的影响，可为实际工程提供参考。
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