基于正交分析下近距交疊隧道施工變形研究

吳明雷,李祿

(濟南市勘察測繪研究院,山東濟南 250013)

基于正交分析下近距交疊隧道施工變形研究

吳明雷?,李祿

(濟南市勘察測繪研究院,山東濟南 250013)

為研究近距交疊隧道施工變形影響因素,運用正交試驗對不同彈性模量、內摩擦角、黏聚力、凈距、埋深影響因素進行了FLAC3D模擬,分析了地表沉降、拱頂沉降、拱底變形、塑性區體積、拱頂及拱底應力場6項指標變化規律。結果顯示:不同因素水平下各指標變形量不同,且各因素對同一指標影響程度不同;彈性模量是除指標4外最為顯著的影響因素,其值越大越穩定變形量也越小;黏聚力和內摩擦角是影響指標4關鍵因素,呈負相關系;凈距對指標3、5、6有很大影響,是僅次于彈性模量的影響因子;埋深對指標3、4有一定影響,對其他指標影響不大;并利用二次回歸方程對拱頂變形量進行了公式擬合驗證,對今后類似工程施工變形研究具有一定的借鑒意義。

正交試驗;交疊隧道;小凈距;數值模擬

1　引 言

小凈距施工方案,能很好地滿足特殊地質及地形條件、單雙線銜接方式的要求,具有良好的技術經濟效果,在城市地下鐵道、鐵路隧道和公路隧道中得到了越來越廣泛的應用。且隨著地下空間的不斷開發,使得后建的隧道不得不以立交方式穿越鄰近已有隧道或其他結構設施,且凈距越來越小[1]。

目前,美國土木工程協會在《隧道襯砌設計指南》[9]中提出相鄰、相交、重疊或交叉隧道對設計和施工都產生重要的影響。日本在《近接施工的設計與指南》[9]提出了近距隧道相互影響的范圍、分類以及施工對策措施;國內,包德勇[2]運用ANSYS程序對某新建隧道下穿既有隧道的施工過程進行模擬,揭示了隧道結構受力及位移隨新建隧道的施工推進的變化規律;陳炳志[3]分析了近接隧道不同開挖方式下上部隧道的受力及變形特征;路林海[4,5]分析了青島臺東緊接交疊隧道的施工變形規律;李朋[6]、王國波[7]對4孔緊接交疊隧道采用三維有限元分析了動態施工過程引起的地表變形規律以及后建隧道對已建隧道受力變形及抗震性能的影響。

國內外研究表明,雖然交疊隧道施工變形及受力特點做了很多研究,但圍繞具體哪些因素對小凈距交疊隧道的施工變形產生較大影響及其影響程度如何卻沒有系統闡述,因此,探討不同工程條件,不同的地質水平下近距交疊隧道施工變形如何,對于今后類似工程變形預測和工程施工具有一定的指導作用,因此,本文的研究具有重要現實意義。

2　正交試驗設計

近距交疊隧道的施工由于豎向凈距較小,上下隧道交互影響更為劇烈,施工難度劇增。據國內外文獻[2～6]可知,影響小凈距立體交疊隧道施工過程中施工變形和受力大小的因素很多。比如隧道埋深不僅對地層的初始地應力場起到關鍵作用,同時對隧道開挖后的二次及三次應力場也有很大影響,因此作為本次研究小凈距交疊隧道施工變形的影響因素。小凈距交疊隧道的豎向凈距的大小對交疊區域處上下隧道的施工擾動程度和受力傳遞有很大的作用,也作為本次研究小凈距交疊隧道施工變形的影響因素。除此之外,隧道施工過程中圍巖的力學性質穩定與否是影響整個隧道施工變形和受力的關鍵因素,在此選定圍巖彈性模量、內摩擦角及黏聚力作為本次研究小凈距交疊隧道施工變形的影響因素。考慮青島區域的地質特點,結合初步規劃設計方案,確定5項主要影響因素:圍巖等級E、凈距h、隧道埋深H、圍巖內聚力C、內摩擦角φ;各因素代表的意義如圖1所示:

圖1　實驗影響因素示意圖

正交試驗因素水平的選擇:本工程主要依托某地鐵2號線棗山-李村站區間隧道與3號線萬年泉-李村站區間隧道相互交疊為背景,主要研究淺埋暗挖小凈距立體交疊隧道的施工變形分析。因此,5項因素分別采用4個影響因素水平進行試驗:①隧道埋深H,分為10 m、20 m、30 m、40 m;②雙向隧道豎向間距h:分別采用0．5 m、1 m、3 m、6 m;③圍巖的物理參數選取:考慮到青島地區地質條件主要以較為堅硬的花崗巖為主因此,因此彈性模量E、內摩擦角φ、黏聚力C的選取采用Ⅱ～Ⅲ～Ⅳ級圍巖的具體情況;結合巖體基本質量級別物理力學參數參考表,把各項指標編號匯總于如表1所示:

正交試驗因素編號及水平值大小　表1

正交試驗方案表　表2

正交試驗表的確定:正交表是正交試驗的基本工具,是正交試驗能否取得理想效果的關鍵所在,且安排實驗方案和數據分析均要在正交表中進行。本次試驗選取了5項因素4個水平,因此采用L16(45)正交表表述如表2所示。

3　建立數值模型

3．1計算模型的建立

按照小凈距交疊隧道的施工過程,采用FLAC3D軟件動態模擬該工程開挖與支護的全過程,分析了整個施工過程當中新建隧道與既有隧道的施工變形及受力特點。根據地下工程地鐵隧道施工影響范圍為5倍洞徑[10],分別建立16組試驗對應的三維有限元模型,其中以第一組試驗為例建立模型大小為58．405 m× 109．885 m×55．19 m。邊界條件是位移約束條件,上邊界為自由面,四周受水平約束,底面為豎向約束。荷載類型為:地應力荷載、水荷載、施工荷載。其中施工荷載大小取為20 kN豎向荷載。

隧道圍巖采用Mohr-Coulomb彈塑性模型,初襯、二襯采用實體單元,錨桿采用cable單元,初支方案中超前管棚支護和中空注漿錨桿措施采用對加固區的圍巖力學參數進行等效模擬。建立三維計算模型如圖2所示。

圖2　試驗1計算模型

3．2圍巖與支護參數取值

根據地勘資料并進行地層簡化,選取計算模型的地層及支護參數如表3所示:

模型材料參數表　表3

4　實驗結果的極差分析

4．1試驗指標的選取

極小凈距交疊隧道的施工變形分析主要研究在下穿施工過程中,主要分析以下幾部分變形情況:1．地表的最大沉降量S地表;2．既有隧道拱頂的最大沉降量S拱頂;3．既有隧道拱底的最大底鼓量S底板;4．塑性破壞區體積VP,即交疊隧道開挖完后在模型中產生的塑性區破壞體積的總和;5．拱頂最大主應力P拱頂;6．拱底最大主應力P拱底。

其中,指標1表述了地表的變形;試驗指標2、3反映了下部新線隧道開挖所引起的既有隧道襯砌斷面變形,很大程度上反映了圍巖的穩定性和施工的安全性;試驗指標4描述了小凈距交疊隧道開挖后塑性區發展變化;試驗指標5、6描述了既有線路拱頂和拱底的最大主應力的變化。

4．2試驗結果

正交試驗過程中16組實驗結果均是由FLAC3D軟件嚴格按照相同的施工工序,不同的試驗因素水平來實現模擬的,具體的試驗模擬數據結果列于表4中。其中指標1是交疊隧道施工地表最大沉降量;指標2～3是交疊隧道施工拱頂、拱底變形量,由交疊區域變形云圖得到;指標4是塑性區體積,由FISH語言編程得到;指標5～6是交疊區域拱頂拱底最大主應力的大小,由交疊區域處主應力云圖得到。

試驗各指標模擬計算結果表　表4

4．3結果分析

正交試驗的數據處理主要有極差分析法和方差分析法,其中極差分析法又稱為直觀分析法,是最常用的可靠地數據分析方法。因此對該正交試驗采用極差分析方法處理計算結果,研究不同因素水平下小凈距交疊隧道施工變形及受力特點,其計算極差分析結果如表5～表7所示:

指標1、2極差計算表　表5

指標3、4極差計算表　表6

指標5、6極差計算表　表7

為了更直觀的展現不同因素水平下不同因素對同一指標的影響程度大小及其關系,將上述極差分析結果均值繪制成同一指標與不同影響因素之間關系曲線如圖3～圖8所示:

由圖3～圖8可知,不同的因素及對同一指標的影響不同,同一因素對不同指標影響程度也不同,通過對比分析不同因素水平對淺埋暗挖小凈距交疊隧道的施工變形及受力特點影響不同,結論如下:

圖3　對指標1水平均值圖

圖4　對指標2水平均值圖

圖5　對指標3水平均值圖

圖6　對指標4水平均值圖

圖7　對指標5水平均值圖

圖8　對指標6水平均值圖

(1)不同因素對同一指標影響程度不同,具體表現為:對指標1地面,E＞φ＞C＞h＞H;對指標2拱頂,E＞φ＞C＞h＞H;對指標3拱底,E＞h＞H＞φ＞C;對指標4,C＞φ＞H＞E＞h;對指標5,E＞h＞φ＞C＞H;對指標6,E＞h＞C＞φ＞H。

(2)同一因素對不同指標影響程度也不同,除指標4外,彈性模量對各指標影響都很大,是影響小凈距交疊隧道的施工變形的最主要因素;其值越大,同等施工擾動荷載下圍巖越穩定,變形越小,是影響整個施工安全的重要因素之一。

(3)對于指標4即隧道開挖引起的圍巖塑性破壞區的體積,圍巖的內摩擦角φ和黏聚力C成為影響的主要因素,其值越大,塑性區體積越小,因此可將圍巖內摩擦角和黏聚力的水平作為預測塑性區大小的一個因素,這與摩爾-庫倫準則不謀而合;同時黏聚力和內摩擦角對指標1、2影響較大,是僅次于圍巖彈性模量的影響因素,即圍巖的性質是決定地表沉降和拱頂沉降大小的決定性因素,與隧道埋深和凈距關系不大。

(4)凈距和埋深影響:本次試驗主要研究淺埋暗挖隧道施工新建隧道對已有隧道變形及受力影響,因此應力場和位移場僅考慮新建隧道施工引起的一部分,因此埋深前后不變化,對各指標影響略小;而凈距對各指標影響較明顯,研究表明,凈距大小對拱頂、拱底的應力場及變形量影響較大,這與凈距對指標5、6的影響程度相符;而埋深對拱底變形量有一定的影響時僅次于圍巖彈性模量和豎向凈距的影響因子;其值大小也是關乎塑性區的發展的重要影響因子,是僅次于黏聚力和內摩擦角的影響因素。

5　回歸分析驗證

淺埋暗挖小凈距交疊隧道由于其埋深較淺,地層構造應力較小因此在施工開挖過程中拱頂位置處受力最大,發生較大變形,即隧道的破壞是從拱頂處開始的。因此,依據上述數據,利用二次回歸模型,對特定淺埋暗挖小凈距交疊隧道施工條件下拱頂沉降位移計算公式進行擬合,驗證了上述結果的可靠性。

對淺埋暗挖小凈距交疊隧道施工影響因素的分析可知,圍巖力學性質中彈性模量、內摩擦角及黏聚力之間有著一定的內在關系,為簡化計算,將彈性模量、內摩擦角、內黏聚力合稱為一個因子,5個簡化為3個因素分析:x1是埋深H;x2是凈距h;x3由圍巖特性合成因子。由上述數據可知,彈性模量對實驗拱頂沉降影響較大,其影響因素是其他因素影響度的3倍～5倍,因此在確定x3時,在彈性模量E前乘以一個較大的權重值5,確定x3如下:

假定隧道拱頂處最大變形計算公式可以以二次回歸方程表示如下:

根據上述實驗數據分析將其代入上述公式確定方程參數如下:

代入式(2)可得淺埋暗挖小凈距下立體交疊隧道下穿既有隧道的拱頂沉降值計算式:

依據上述擬合式(3),代入實驗16組數據進行反算既有隧道拱頂最大沉降量,驗證本方程式的可靠性,計算結果如表8所示。

反算結果對比　表8

由表8分析可知,在利用此公式計算淺埋暗挖小凈距交疊隧道施工過程中既有隧道拱頂變形量時候,除試驗1和7之外,其他指標反算結果與模擬數據基本吻合,誤差不超過25%,其中最大誤差在20%。最小誤差僅為0．001%,因此從統計學來講,試驗取得了較好的效果。試驗1、試驗7是由于試驗操作不當及巖土體數據不合理所致。具體而言,試驗1號埋深10 m時,上部巖層彈性模量較小,或覆土太厚所致。試驗7號是彈性模量為9 GPa,與青島地區現場實際工程中巖層小概率性有關。總之本次二次方程能夠較好反映淺埋暗挖小凈距交疊隧道施工拱頂變形大小。

6　結 語

(1)不同因素對同一指標影響程度不同:對指標1,E＞φ＞C＞h＞H;對指標2,E＞φ＞C＞h＞H;對指標3,E＞h＞H＞φ＞C;對指標4,C＞φ＞H＞E＞h;對指標5,E＞h＞φ＞C＞H;對指標6,E＞h＞C＞φ＞H。

(2)實驗發現,圍巖的彈性模量對各指標的影響最為顯著,是最重要的影響指標,彈性模量越大同等擾動荷載下交疊隧道施工越穩定,變形量越小。圍巖的內摩擦角和黏聚力大小是影響塑性破壞區的體積最顯著的影響因素。凈距的大小僅在拱頂應力、拱底應力場及變形量變化時有明顯影響;埋深對拱底變形量及塑性區發展有一定影響,對其他指標影響可以不考慮。

(3)試驗發現,淺埋暗挖小凈距交疊隧道施工,拱頂處受力最大,變形量最大,影響施工安全;利用二次方程擬合驗證了本次試驗新建隧道對已有隧道襯砌拱頂變形的可靠性,達到了預期目標。

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Orthogonal Analysis of Construction Deformation in Close Overlapping Tunnels

Wu Minglei,Li Lu

(Jinan Geotechnical Investigation and Surveying Research Institute,Jinan 250013,China)

To study the construction deformation effects of different factors in small spacing overlapping tunnels, based on orthogonal experiment,different situations with different depth,spacing,elastic modulus,internal friction angle and cohesion were analyzed by FLAC3D．The settlement of ground,the settlement of arch top,the dome deformation,plastic zone volume,the maximum principal stress variation of vaults and arches were analyzed．The results showed that:different levels of factors,different six indicators;Except Indicator 4,the elastic modulus is the most significant factors．The greater its value,the smaller amount of deformation;Cohesion and internal friction angle is the key impact factor of indicators 4．The greater its value,the smaller its eformation;Spacing have a significant impact on the index 3,5,6,which is the second impact factor after elastic modulus;Depth have some influence on indicators 3,4,while it had small impact on other indicators;In addition,the use of quadratic regression equation to analyze the deformation of the arch top validation, provided some reference for the deformation control and construction safety in similar projects in the future．

orthogonal experiment;overlapping tunnels;iltra-small spacing;numerical simulation

1672-8262(2016)01-158-06

P642,TU470

A

?2015—08—01

吳明雷(1986—),男,助理工程師,主要從事巖土工程的勘察、設計工作。