新隧道开挖对相邻既有隧道稳定性影响的分析

为什么拥挤的城市需要更安全的隧道

随着大城市新增地铁线路，新的隧道越来越需要在已运营线路之间穿插布局。新隧道开挖过于靠近既有隧道，可能会推动、扭曲或开裂旧有结构，带来明显的安全与运营风险。本研究考察了在附近开挖新隧道时，正在运行的地铁隧道可能发生的变形量，并提出工程师可用的简明公式，帮助在今后施工中避免危及现有乘客。

新隧道如何扰动地层

盾构或掘进机掏出土石并以混凝土衬砌替代，这一过程会使周围土体略微松动和位移。反过来，地层对埋于其中的既有结构（例如旧隧道）的作用力就会发生变化。作者首先回顾了通常如何估算隧道上方土体的重压。传统方法假定存在一个平滑的“土拱”将荷载绕过洞口，但忽略了开挖过程中实际丢失或位移的土体量。团队改进了这一思路，以适用于西安等地常见的黄土和类似土层，这些地区正规划大量新地铁线路。

更新土压力的估算方式

追溯到卡尔·特扎基（Karl Terzaghi）在20世纪30年代的工作，传统计算将隧道上方的土拱视为已完全形成，并采用固定系数将竖向重力转换为对衬砌的侧向压力。后续研究表明，这忽视了一个重要细节：在隧道面推进时，部分地层会沉降或移动，使土拱削弱。作者采用了较新的“不完全土拱”方法，明确引入地失率——即开挖过程中地表或拱顶沉降的量。他们表明，在粘性黄土的现实地失水平下，改进方法通常比旧公式预测出较低且更符合实际的衬砌荷载，尤其是在地失不微小时更为明显。

双隧道的虚拟试验

为了解新隧道对邻近既有隧道的影响，研究者建立了以西安典型土层和地铁隧道尺寸为基础的三维详尽数值模型。他们改变了三项参数：隧道直径、隧道之间的间距以及相对位置——并排、对角错位或一上一下。每种情况都模拟环片环片的掘进过程，并追踪既有隧道横断面周围八个关键点的位移。模型显示，隧道越近且既有隧道越大，变形越显著。模型还表明，既有隧道并非简单平移；它们往往发生扭转，一侧位移大于另一侧。

隧道如何移动、扭转与沉降

当新隧道大致平行且埋深相近时，旧隧道主要向挖孔方向发生侧向推移，竖向沉降较小。在这种情形下，水平位移占主导，当净距约为五米时，老隧道的扭转（旋转）最为明显。随着间距增至20米，最大侧向位移可下降超过三分之二，扭转也变得可忽略。当新隧道呈对角或位于下方时，情况不同：既有隧道既发生平移又发生沉降。隧道靠近且直径较大时，竖向位移可接近两厘米，随着间距增加而逐渐减小。在所有布置中，旋转角随隧道直径增大而增大，但随隧道间距增大而减小，呈平滑的数学曲线变化。

工程师实际可用的简明公式

基于这些模拟，作者提炼出预测公式，将既有隧道的最大侧向和竖向位移与两个易测量的量联系起来：既有隧道的半径和其与新隧道的距离。关系在间距上大多遵循对数趋势，意味着隧道非常靠近时变形会急剧增加，而当间距超过约15–20米时，增加间距带来的减小变形的收益递减。研究还说明，对于并排隧道，控制水平位移在规范限值内通常也能保证竖向位移安全。

对未来地铁建设的意义

对非专业读者而言，关键信息很直接：在已有隧道附近新建地铁隧道时，旧隧道会发生位移——但如果已知间距、尺寸和土层条件，这种位移是可预测的。通过改进黄土中土压力的估算并提供紧凑的扭转与位移预测公式，这项工作为设计者提供了实用工具，帮助判断“多近为过近”、何时需要额外加固，以及如何规划线路以保护城市已经依赖的隧道。

引用: Yang, M., Liu, N., Li, H. et al. Analysis of the influence of new tunnel excavation on the stability of adjacent existing tunnels. Sci Rep 16, 5510 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35181-6

关键词: 地铁隧道, 隧道开挖, 地面变形, 隧道相互作用, 城市地下空间