偏壓狀態(tài)下新建隧道下穿既有構(gòu)筑物合理施工方法研究

汪 波,張 勝,何 川

(1.西南交通大學(xué)地下工程系,成都 610031；2.安徽省交通規(guī)劃設(shè)計研究院,合肥 230031)

1 概述

隨著土地利用的日益緊張和交通設(shè)施需求的不斷增加,在城市繁華地區(qū)或一些特定地段,有時需要在既有隧道旁新建隧道或者一次性修建多孔近距離平行或交叉隧道,這種狀況在國內(nèi)外都不乏其例。但由于近距離交疊隧道間的相互影響使其在施工、設(shè)計上較之單孔及水平平行隧道更難于控制[1],故雖國內(nèi)外對這類問題研究較多,但研究尚處于從個案上升到理論的階段。從已有的研究來看,后施工隧道開挖將使圍巖應(yīng)力場在原來演變的基礎(chǔ)上再次演變,造成既有隧道的安全性以及相互影響帶來的工法、工序和對策優(yōu)化等問題。由于空間關(guān)系、隧道施工順序、地質(zhì)條件和施工方法等不同,影響程度也各異,需要進行與施工過程相關(guān)的分析研究[2～3]。

本文所研究疊交隧道上部為已建的人防通道,下部為新建隧道,依據(jù)設(shè)計資料可知,兩隧道均處于偏壓狀態(tài),其中人防隧道處于橫向偏壓,而新建隧道處于縱向偏壓,二者均處于不利的受力狀況,同時人防通道與新隧道間有效間距在7 m左右(圖1),在這種情況下新建隧道的施工對既有結(jié)構(gòu)物——人防隧道的近距離施工時影響將是重點關(guān)注的問題。如何把對環(huán)境的影響減少到最低限度,也是地下建筑物在近距離條件下施工的核心問題。鑒于此,采用有限元數(shù)值方法對將開建的偏壓狀態(tài)下新隧道在不同施工方法時對既有隧道影響的演變規(guī)律進行全真模擬,為今后的設(shè)計及施工提供重要的參考依據(jù)。

圖1 有限元總體模型及空間相對位置

據(jù)前期勘查隧道區(qū)內(nèi)圍巖條件較好,設(shè)計中定為Ⅳ級偏高,新建隧道按分離式雙洞單向行駛設(shè)計,開挖寬度約16 m,雙洞軸線間距約為40 m,大于3倍的洞室半徑,在此條件下,初步判斷隧道開挖后應(yīng)力互不疊加,故分析一個交叉口即可[4～6]?？紤]到圍巖條件較好及上部既有結(jié)構(gòu)的重要性,施工中擬采用礦山法開挖。

2 數(shù)值模型的建立[6～8]

2.1 基本假定

在進行數(shù)值模擬過程中,做如下假定[7]。

(1)計算模型為彈塑性應(yīng)變,圍巖進入塑性后采用Drucker-Prager屈服準(zhǔn)則,支護體系假定為彈性體。

(2)巖體材料是各向同性的。

(3)圍巖以自重應(yīng)力場為主,不考慮構(gòu)造應(yīng)力場的影響。

2.2 本構(gòu)模型

在數(shù)值模擬過程中材料進入塑性狀態(tài)后采用的D-P屈服準(zhǔn)則表達式如下

(1)

2.3 計算模型的建立

計算中模型建立依據(jù)以往的隧道力學(xué)經(jīng)驗,一般選取3～5倍洞徑為計算區(qū)域[5～6],計算中依據(jù)實際斷面形狀建立計算模型,模型建立時橫向取100 m、高度(即隧道的埋深)方向選取隧道仰拱底部以下約30 m、豎直向上按照實際地形坡度取至地表(地表坡度近23度,人防通道拱頂部埋深約29 m,高差約30 m),軸向取60 m。計算模型的邊界條件除上部為垂直荷載邊界外,其余各側(cè)面和底面為法向約束邊界。分析中巖體及二襯采用實體(solid)單元,對于超前小導(dǎo)管注漿、錨桿等加固措施按經(jīng)驗采取相應(yīng)的提高該區(qū)域的圍巖等級來加以考慮[9～11]。共劃分近34 200個單元,36 700個節(jié)點。計算模型如圖1所示,物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 物理力學(xué)計算參數(shù)的選取

2.4 施工步驟

新建隧道開挖擬采用全斷面法及上下臺階法兩種方案,重點研究既有人防隧道在兩種不同的工法下其圍巖及襯砌的演變規(guī)律并加以對比分析,以期獲得最佳的開挖方式并指導(dǎo)后續(xù)的施工。

計算中采用有限元程序提供的“生”與“死”功能進行模擬,通過分次“殺死”和“激活”單元分別模擬隧道的分步開挖及二次襯砌施工過程。計算中共分為3種工況。

工況1：新隧道全斷面開挖,圍巖未采取任何加固措施；

工況2：新隧道全斷面開挖,圍巖采取加固措施；

工況3：新隧道上下臺階法開挖,圍巖采取加固措施。

因受計算機資源的限制,計算中對施工過程做了簡化：對已建的人防通道,采用全斷面法一次開挖成功,形成毛洞后將開挖荷載釋放50%,然后施作人防二襯,再將剩余50%荷載由襯砌和圍巖共同承擔(dān)[4]。分析中采用全斷面及上下臺階法開挖過程見圖2,其中上下臺階法開挖時錯開距離為1～2倍洞徑。

圖2 開挖步驟示意(單位：m)

依據(jù)新奧法理念：應(yīng)充分發(fā)揮圍巖的自承載能力,故在計算過程中形成毛洞時將圍巖應(yīng)力釋放40%再激活新建隧道的初襯[4～5]。其具體開挖步驟為：形成自重地應(yīng)力場→人防隧道開挖,釋放荷載50%→人防隧道支護,釋放荷載50%→新隧道第一步開挖,釋放荷載40%→新隧道第一步開挖處初期支護,釋放荷載60%→新隧道第二步開挖,釋放荷載40%→新隧道第一步開挖處初期支護,釋放荷載60%→其余開挖步驟同上,整個循環(huán)全斷面法共計13個施工開挖步,上下臺階法共計17個施工開挖步。

3 計算結(jié)果分析

通過上述不同工況條件下數(shù)值分析,獲取了既有結(jié)構(gòu)物在新建隧道不同工法下的計算結(jié)果,為清楚表達各工況條件下圍巖受力及位移演變規(guī)律,選取其在橫向及縱向典型位置作為研究分析路徑(圖3)。

圖3 研究分析路徑圖示

3.1 工況1條件下圍巖受力及位移分析

圖4 人防隧道建成時圍巖σ1及UY云圖(含初始位移及應(yīng)力)

通過數(shù)值分析獲取了工況1條件下最初人防隧道建成時的圍巖應(yīng)力及位移云圖(圖4),應(yīng)力以壓為正,Pa；位移向上為正,m。以及隨開挖步增加既有隧道圍巖特征點的位移及受力變化情況(圖5)。

圖5 既有隧道特征點圍巖位移及應(yīng)力變化曲線

從圖4、圖5中可以看出，人防隧道圍巖特征點應(yīng)力及位移因受橫向地形偏壓及新隧道建設(shè)過程中施工偏壓的影響而呈現(xiàn)出不對稱分布的特點,現(xiàn)分析如下。

(1)圍巖受力特征：人防隧道建成之初(開挖步3),圍巖總體處于受壓狀態(tài),與初始應(yīng)力場比較而言，除拱頂壓應(yīng)力減小外,其余部位壓應(yīng)力均將增大,最大值位于右邊墻腳位置處,達0.8 MPa；人防右側(cè)邊墻的受力明顯大于左側(cè)邊墻,拱腳以上拱圈部位的受力則是左側(cè)大于右側(cè),究其原因是由于隧道受橫向偏壓作用而導(dǎo)致對左側(cè)拱部產(chǎn)生相對較大擠壓所致。隨著新隧道的開挖,人防通道圍巖特征點的受力狀況逐漸發(fā)生變化,從圖5(a)可知,相對人防通道建成之初的圍巖受力情況而言,新隧道建設(shè)對拱頂受力影響較小,幾乎未發(fā)生太大變化；但其他特征點的受力均將降低,降幅最大的位于左、右邊墻腳處,超過0.5 MPa。具體如下：新隧道第一步開挖(開挖步5)因距離人防隧道較遠,對其上述特征點的受力影響較小,幾乎未發(fā)生變化；第二步開挖(開挖步7)時因受施工偏壓及地形偏壓的共同影響,將明顯引起左拱腳的應(yīng)力降低,此時,左、右側(cè)拱腳的受力幾乎相等,但邊墻部位受力仍不對稱,相比較人防隧道建成之初而言,不對稱狀況有所緩解；當(dāng)開挖通過人防隧道時(開挖步9),左、右邊墻腳的應(yīng)力急劇降低,降幅在0.4 MPa左右,同時左拱腳的應(yīng)力進一步下降,但右拱腳的受力狀況變化不大,此時,由于施工已通過既有結(jié)構(gòu)物,施工偏壓的影響逐漸減小,圍巖特征點又呈現(xiàn)出偏壓的特性；新隧道進一步開挖(開挖步11),左、右邊墻腳的應(yīng)力再次降低,對右邊墻腳的影響最大,其降幅達0.6 MPa左右,右拱腳的應(yīng)力也顯著降低,降幅在0.3 MPa左右,但此時對左拱腳受力影響較小,幾乎未發(fā)生太大變化；當(dāng)隧道貫通時,可以看出圍巖特征點的受力狀況幾乎趨于穩(wěn)定,均未發(fā)生太大變化,只是右邊墻腳的受力稍有增加,但增幅不大,既有隧道的特征點受力最大位置由最初的右邊墻腳轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)今左拱腳處,右邊墻腳與右拱腳之間的應(yīng)力差減小,但左邊墻腳與左拱腳之間的應(yīng)力差逐漸加大。

(2)圍巖位移特征：人防隧道建成之初圍巖底板將產(chǎn)生少量隆起,其余特征點將產(chǎn)生下沉,最大下沉位置位于拱頂,量值達0.67 mm。相對人防建成之初圍巖位移狀況而言,新隧道開挖均將引起所有特征點下沉,但受施工及地形偏壓的影響,下沉量有所不同,具體分析如下：新隧道第一步開挖(開挖步5)引起特征點的位移較小,不足1 mm,此時受施工及地形偏壓共同影響,左、右拱腳及邊墻腳處的位移幾乎相當(dāng)；同應(yīng)力的影響相似,第二步開挖時因受施工偏壓影響,將明顯引起人防隧道圍巖左側(cè)部位特征點的下沉,最大沉量差位于左邊墻角及左拱腳處,約1.2 mm,右側(cè)圍巖稍有沉降,但沉降量不大(圖5(b))。當(dāng)開挖通過人防隧道時,沉降量最大的仍位于左邊墻角及左拱腳處,但右側(cè)圍巖特征點位移也明顯增大,左、右邊墻腳及拱腳位置的位移差達到最大,隧道處于相對不利的受力狀態(tài)；隨著開挖的進一步深入,新隧道將穿過既有建筑物,此時最大影響位置位于右側(cè)邊墻及拱腳處,沉降差達1.5 mm左右,其余特征點也有相對沉降,但沉降量相對較小,受施工偏壓影響,左、右拱腳及邊墻腳處的位移又幾乎相當(dāng)；當(dāng)隧道貫通時,既有隧道圍巖特征點進一步下沉,但沉降量有所降低,相對最大沉降量仍位于右側(cè)圍巖,受地形偏壓影響,最終相對最大沉降量位于右邊墻腳處,達2.2 mm,既有隧道的圍巖特征點下沉規(guī)律無太大變化。

3.2 工況2條件下圍巖受力及位移分析

為討論圍巖加固效果,對全斷面法開挖時圍巖加固條件下的人防通道特征點的應(yīng)力及位移隨開挖步演變規(guī)律進行了數(shù)值分析,結(jié)果如圖6所示。

從圖6中可以看出,工況2條件下圍巖的位移及應(yīng)力隨開挖步的演變規(guī)律基本同工況1,但由于在開挖過程中采取了相應(yīng)的加固措施,使得既有結(jié)構(gòu)物的受力及位移狀況都得到了改善,圍巖自承載能力提高,提高幅度達0.2 MPa左右,圍巖特征點位移減小,降幅約0.4 mm,但地形引起的偏壓依然存在。從上述結(jié)果比較分析來看,因圍巖本身性狀較好,加固效果并不是十分明顯。

3.3 工況3條件下圍巖受力及位移分析

為確保施工安全,數(shù)值分析時對圍巖加固條件下采用上下臺階法對新隧道進行了開挖,以探求在此工法下既有結(jié)構(gòu)物圍巖的演變規(guī)律是否有較大改善,通過數(shù)值分析,獲取的結(jié)果如圖7所示。

圖6 既有隧道特征點圍巖位移及應(yīng)力變化曲線

圖7 既有隧道特征點圍巖位移及應(yīng)力變化曲線

比較3種工況下圍巖的位移及應(yīng)力隨開挖步的演變規(guī)律可知：工況3時基本同工況1、2,其最終的結(jié)果與工況2大致相當(dāng),但由于工況3采用上下臺階法的開挖方式,使得既有結(jié)構(gòu)物的受力及位移狀況與同樣加固圍巖條件時的工況2有所不同,究其原因主要是由于上下臺階法中下臺階對圍巖的應(yīng)力釋放和位移起了一定的抑制作用,致使每個循環(huán)開挖步之間產(chǎn)生的圍巖應(yīng)力和位移差值減小,位移減小值一般在0.4 mm左右,應(yīng)力值減小雖相對較小,但相比較工況2而言,工況3中各開挖步之間的應(yīng)力差值相差甚小,應(yīng)力變化均勻,圍巖在開挖過程中自承載能力提高,有助于既有隧道的穩(wěn)定,同時從圖7中還可以看出,在開挖步11——即圖2中的第四步時,圍巖的受力基本趨于穩(wěn)定,在開挖步13——即圖2中的第五步時,圍巖的位移亦基本趨于穩(wěn)定,后續(xù)的開挖對既有結(jié)構(gòu)物的影響很小；既有隧道圍巖的受力和位移主要發(fā)生在上臺階開挖的過程中,下臺階開挖對人防隧道的影響基本不大,但地形引起的偏壓依然存在(圖8),從圖8可以看出,新隧道建成后,既有結(jié)構(gòu)物仍處于橫向偏壓狀況,應(yīng)力及位移分布特征未發(fā)生太大改變,只是在量值上與未建新隧道之前存在差異；而新建隧道處于明顯縱向偏壓狀態(tài),最大壓應(yīng)力及位移位于偏壓最大側(cè)。

圖8 新隧道貫通時圍巖σ1及UY云圖(含初始位移及應(yīng)力)

3.4 既有隧道底板處圍巖受力及位移分析

新建隧道的開挖過程中,既有隧道底板及其下部巖體內(nèi)也將發(fā)生位移變化,該值也將直接反映出人防隧道結(jié)構(gòu)物的穩(wěn)定性,且在施工中易于實施監(jiān)測,因此對其在3種工況條件下的演變規(guī)律也進行研究,具體如圖9所示。

圖9 新隧道開挖引起既有隧道底板圍巖特征點UY增量

結(jié)合圖9可以看出,隨著新隧道的開挖,既有隧道底板及其下部圍巖深處相對人防隧道建成之初而言也將產(chǎn)生位移增量,其量值隨著距離新建隧道拱頂越近而越大,在工況1條件下,其最大值達3.1 mm,而工況2、3條件下最大值為2.6 mm。同時從位移變化曲線圖可以看出,新建隧道全斷面法開挖時第一步及最后一步的開挖對既有隧道影響較小,而中間3步開挖將是今后關(guān)注的重點,從距離來看,應(yīng)在距離既有隧道前后1～1.5倍洞徑位置。比較全斷面法及上下臺階法可知,后者雖對圍巖的最終影響與前者相同,但在開挖過程中后者能有效減小每個循環(huán)開挖步之間產(chǎn)生的圍巖位移差值,使得既有隧道處于較為有力的受力狀態(tài),且從圖9可以看出在開挖到第五步時(參考圖2),圍巖的深部位移亦基本趨于穩(wěn)定,后續(xù)的開挖對既有結(jié)構(gòu)物的影響很小,下臺階開挖影響較小。

3.5 新建隧道對既有隧道縱向影響范圍的分析

新隧道在開挖過程中對既有隧道長度方向影響范圍也是一個需重點研究的問題,它對于施工中既有隧道監(jiān)測長度的擬定具有指導(dǎo)意義,基于此,本文重點對3種工況條件下新隧道貫通時引起的既有隧道沿軸向底板中心處的位移變化量來確定影響范圍的大小，考慮到結(jié)構(gòu)對稱性,取一半特征點研究(圖3),結(jié)果如圖10所示。

圖10 新隧道開挖引起既有隧道軸向UY增量

從圖10中可以看出,新隧道開挖引起既有隧道底板中心沿縱向產(chǎn)生了下沉,在工況1條件下,最大下沉量約達2.6 mm,而工況2、3由于圍巖進行了加固,最大下沉量減小為2.1 mm左右,均位于與新建隧道中心線交匯處,距離交匯處越遠,下沉量越小,距離超過20 m時,下沉量幾乎保持不變,工況2、3的影響幾乎相當(dāng),故位移云圖只繪制了工況2時的情形。結(jié)合圖10可以判斷,在工況1條件下,新建隧道開挖對既有隧道產(chǎn)生較大影響的縱向長度范圍應(yīng)在新隧道中心線兩側(cè)各15 m左右,而工況2、3條件下,影響較大的縱向長度應(yīng)在新隧道中心線兩側(cè)12 m左右,為保證既有隧道的絕對安全,建議取新隧道中線上既有隧道左右側(cè)各20 m作為安全監(jiān)測的范圍。

綜上所述,3種工況對既有隧道圍巖的應(yīng)力及位移的影響規(guī)律是一致的,即均將引起既有結(jié)構(gòu)物特征點下沉、應(yīng)力降低,只是在量值上存在差別,其中工況1影響最大,工況2、3因?qū)鷰r進行了加固,影響相對較小,但二者最終影響趨于一致,總體來看,3種工況下最終圍巖的應(yīng)力及位移量值較小,既有隧道將處于穩(wěn)定狀態(tài)。且工況3條件下各開挖步之間的位移及應(yīng)力差值相差甚小,使得在開挖過程中圍巖受力位移更加均勻,圍巖自承載能力提高,增強了既有隧道的穩(wěn)定性。從影響范圍來看：橫向上新建隧道在距離既有隧道前后各1～1.5倍洞徑開挖時影響最大,縱向上對既有隧道影響的范圍在30～40 m。

4 關(guān)于開挖方法及施工時監(jiān)測項目的建議

雖通過上述3種不同工況下數(shù)值分析后認(rèn)為既有隧道將處于穩(wěn)定狀態(tài),但考慮到地質(zhì)條件、施工方法等許多不可預(yù)見的風(fēng)險因素,故建議如下[3～4]。

(1)擬建隧道一般地段可考慮采用全斷面法開挖。但在兩隧道交叉口處前后各2～3倍洞徑范圍內(nèi),為保證既有隧道的運營安全,建議采用臺階法開挖,且斷面應(yīng)盡快閉合,若交叉點一定范圍內(nèi)的巖體存在松動破碎現(xiàn)象,應(yīng)預(yù)先進行超前加固。開挖過程中建議采用光面爆破與預(yù)裂爆破技術(shù)。斷面開挖后及時采用噴混凝土及錨桿進行初支,并根據(jù)圍巖變形量測結(jié)果確定二襯的合理施作時間。

(2)因兩隧道交叉點處圍巖厚度僅有7 m左右,故施工過程中存在一定的風(fēng)險,為了保證施工的安全進行,建議在擬建隧道的掌子面推進到距離交叉點3倍洞徑時,開始進行下述監(jiān)測項目：

①交叉點處既有隧道的特征點、底板及其下深部圍巖的下沉量測,縱向量測范圍建議40 m為宜；

②交叉點處既有隧道二襯的受力量測；

③擬建隧道拱頂下沉、收斂量測；

④交叉點處新隧道圍巖壓力及層間支護壓力量測。

根據(jù)監(jiān)測結(jié)果,掌握圍巖及支護的力學(xué)動態(tài),及時反饋調(diào)整施工方法和支護參數(shù)及二襯施作時機。在掌子面超過交叉點3倍洞徑跨度后,可酌情部分或全部取消上述監(jiān)控項目。

5 結(jié)論

通過上述3種不同工況條件下新建隧道開挖對既有隧道影響的彈塑性數(shù)值分析可以看出,全斷面法與上下臺階法均將引起既有結(jié)構(gòu)物特征點下沉、應(yīng)力降低,但最終圍巖的應(yīng)力及位移量值較小,既有隧道將處于穩(wěn)定狀態(tài)。同時因圍巖條件較好,加固效果不甚明顯,建議施工中根據(jù)具體情況采取加固措施,依據(jù)分析得出在交叉口處前后各1～1.5倍洞徑范圍內(nèi)新隧道開挖時對既有隧道影響最大,縱向上影響范圍約在30～40 m左右。同時對不同開挖條件下圍巖受力及位移分析后，建議一般地段采用全斷面法開挖,在兩隧道交叉口處前后各2～3倍洞徑范圍內(nèi),建議采用臺階法開挖,并根據(jù)影響范圍建議了具體的監(jiān)控方案,有力地指導(dǎo)設(shè)計與施工。

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