中国建筑2013年技术交流会论文集
五心圆隧道正交下穿施工对既有隧道影响分析
杨春英，油新华
（中国建筑股份有限公司技术中心，北京， 101300）
摘要： 采用数值计算方法对五心圆断面隧道开挖进行模拟，分析隧道掘进时其空间正上方已建隧道的沉降规律及地表变形趋
势。结果表明，在既有隧道横截面上土体变形形态与中部受力的简支梁挠度曲线一致，即下方正交隧道掘进类似对既有隧道
施加轴向力；在既有隧道纵截面上沉降与既有隧道本身位置及截面形状有关，近似隧道二次开挖。地表沉降等值线以新隧道
中心线在地面上的投影线为轴线对称分布，并以新建隧道模型中点为中心向两边呈现近内凹远外凸的特征，表明既有隧道对
控制地表沉降的作用方式为近抑制远促进；而地表水平变形等值线沿既有隧道方向均呈内凹状，表明已建隧道对控制地表水
平变形一直起抑制作用。
关键词： 五心圆隧道；正交下穿；数值
1. 前言
地下空间利用是城市发展到一定阶段的客观产物 [1]，科技及城市的发展，成就了地下轨道交通的重要
地位。地下轨道交通能缓解交通压力，但城市公共交通整体规划与建筑工业水平、城市发展速度存在不同
步的现象，且为充分利用城市现有地下空间资源，提升土地利用的集约化
[2]，新建隧道下穿已有隧道的工
程越来越多，甚至有可能是多车道公路隧道下穿已运行隧道。新隧道施工必然对既有隧道产生影响
[3]，这
种影响受土层性质、上下隧道近接程度、下穿方式、隧道断面形状等多因素制约。隧道断面形状可以为圆
形、半圆形、马蹄形、长方形等，圆形断面具有顶压、侧压较为接近、便于盾构推进、易于管片制作拼接
的优点
[4]，应用最普遍，且盾构可以穿越各种复杂工程、水文地质特性的地层，从流动性很大的第四纪淤
泥质土层到微风化层，具有广泛的适应性
[4]，面对速度、环保等问题，使用盾构掘进是最好的选择 [5]，但
是单心圆高跨比较大，多适用于两条轨道隧道，大断面隧道能承载多车道，但大跨度隧道按单心圆隧道高
跨比建设，势必会造成空间利用浪费及围护成本增加。为提高断面利用率，特大断面隧道一般设计成扁平
状
[6]，五心圆拱易利用围岩自稳定能力，适用于各类围岩 [7]，是大跨度隧道常用的断面形式，已建和在建
的单洞四车道公路隧道在破碎围岩段均采用五心圆带抑拱的断面形式
[8]。
分析新建隧道对既有隧道的影响，若试图建立一种较为完善的适用于各类地层、围岩及衬砌材料的经
验或理论推导公式是困难的，如解析解只能给出圆形和椭圆形断面上的围岩应力分布
[8]，模型试验和数值
计算能定性反映隧道变形和附加内力的发展规律，但是模型试验的误差仍较大且费用高昂，因此本文采用
数值计算方法，分析新建五心圆断面隧道对既有隧道的影响，并对地表沉降进行预测。
2.数值模型
2.1地层参数
隧道所处土层或岩体均是非线性材料，没有唯一的应力 -应变关系，为非均匀、各向异性的复杂介质，
使用数值方法难以真实再现，目前尚没有软件能完全准确模拟。因此在数值计算时做适当简化和假设。
地层层序自上而下依次为：①层杂填土，层厚度 2.0~3.7m；②层粘质粉土，层厚 1.6~3.2m；③层粉细
砂， 层厚 6.6~8.7m ；④层中砂， 层厚4.3~5.9m ；⑤层卵石， 层厚2.8~4.2m ；⑥层全风化花岗岩， 层厚1.8~3.8m ；
⑦层中风化 ~微风化花岗岩。场地内土层特性指标见表 1。
2.2 隧道概况及施工工序
既有隧道采用盾构法施工，衬砌管片混凝土强度等级为 C50，厚度 500m，内径 10.6m，外径 11.6m，
洞顶埋深 -9m。新建双洞五心圆断面隧道，洞顶埋深 -19m，单洞净宽 6.5m，净 高 4.2m，正交下穿既有隧道，
采用初期支护加二次衬砌的复合式衬砌，初期支护为喷射混凝土、钢筋网及钢筋格栅，二次衬砌为
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