新建公路對下方既有隧道力學(xué)影響分析

林禮華

(福建省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司 福州市 350004)

既有隧道上方挖方工程已成為目前常見的近接工程之一，許多學(xué)者針對上述問題開展了相關(guān)研究。龔倫等[1]采用模型試驗(yàn)、現(xiàn)場監(jiān)測方法，開展了上方挖方施工對既有隧道結(jié)構(gòu)安全性影響的研究；司君嶺[2]采用有限差分軟件模擬，通過比較分析得到土層填挖方及路基施工對下方既有隧道的影響規(guī)律；林禮華[3]采用數(shù)值模擬方法分析了新建翠屏山隧道施工對圍巖和翠屏山煤礦巷道交叉段變形和應(yīng)力的影響；劉斌[4]通過三維非線性有限元的模擬試驗(yàn)分析，給出新建公路近距離上跨已有隧道時，挖方、施做樁基、橋面板施工等先后工況過程對既有隧道及其周圍土體位移的影響規(guī)律；王志杰等[5]采用FLAC3D軟件對新建公路上跨既有鐵路隧道工程進(jìn)行模擬計(jì)算，綜合評估了新建公路路基上跨既有隧道的安全性；陳建剛[6]采用MIDAS/GTS有限元軟件考慮新建隧道不同洞徑條件、不同交叉隧道間距與交叉角度，研究了新建隧道施工對既有隧道變形和受力的影響；熊文亮[7]以蘭州北環(huán)路黃河書院隧道小凈距上跨既有鐵路隧道工程為背景,介紹了新建公路隧道上跨既有鐵路隧道的安全性影響分析、結(jié)構(gòu)計(jì)算的依據(jù)、思路和方法等；申文明等[8]考慮上跨問題的卸荷機(jī)理，分析新建地鐵隧道上跨既有運(yùn)營地鐵隧道的影響；張強(qiáng)[9]考慮開挖卸荷對城市新建鐵路隧道下方既有隧道的豎向變形影響，并采用可靠性分析得到既有隧道豎向變形控制值。

上述研究主要集中在新建隧道對既有隧道結(jié)構(gòu)、變形的影響，而在既有隧道上方挖方施工時，還需考慮隧道圍巖應(yīng)力和應(yīng)變變化規(guī)律的影響。以既有龍廈鐵路人面山隧道與福建省龍巖東環(huán)線近接施工工程為背景，分析新建公路路基開挖施工對既有隧道圍巖應(yīng)力和應(yīng)變的影響，并采用有限元數(shù)值模擬的方法結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)控量測論證了施工工法的可靠性。

1 工程概況

新建福建龍巖東環(huán)線與既有龍廈鐵路人面山隧道在里程K10+200～K10+500段近乎平行，兩者距離66～127m。距離較近且挖方較大處的斷面圖(里程樁號K10+400)如圖1所示，隧道埋深約26m，與新建路線中線的水平距離約73m。

根據(jù)龍廈鐵路人面山隧道地質(zhì)勘探資料，既有隧道與挖方路基近接位置穿越巖層為V級圍巖，圍巖為強(qiáng)風(fēng)化～中風(fēng)化灰?guī)r。裂隙極發(fā)育，巖體極破碎，呈散體～碎裂狀結(jié)構(gòu)，巖體基本質(zhì)量指標(biāo)修正值[BQ]<250。隧道采用復(fù)合式襯砌。

2 擬采用的施工工法

本項(xiàng)目前期已開挖(從開挖1到開挖5)形成兩側(cè)邊坡。考慮到排水設(shè)施的布設(shè)，對左側(cè)的二級邊坡進(jìn)行推平，根據(jù)圍巖特性以及施工機(jī)械配備情況，擬定的施工工序如圖2所示。

3 數(shù)值模擬

3.1 模型建立及邊界條件

圖1 新建公路與既有隧道近接典型斷面

圖2 模擬流程圖

基于工程實(shí)際，選取既有龍廈鐵路人面山隧道與擬建公路距離較近且挖方量較大的斷面進(jìn)行計(jì)算，隧道二襯拱墻厚度為45cm，仰拱厚度為50cm；考慮計(jì)算簡便，只建立二襯進(jìn)行模擬，有限元模型斷面圖如圖3所示。模型長245m，寬1m，高度約105m，節(jié)點(diǎn)數(shù)為27018，單元數(shù)為13278。考慮到隧道已運(yùn)營多年，根據(jù)二襯現(xiàn)狀，將原C30混凝土強(qiáng)度折減為C20混凝土強(qiáng)度。模型底部邊界設(shè)置為固定約束，左右兩側(cè)邊界設(shè)置為水平方向約束，頂部設(shè)置為自由邊界。

3.2 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

模型由雜填土、坡積含碎石粉質(zhì)粘土、中風(fēng)化灰?guī)r(地層編號分別為1、2、3)構(gòu)成，基本物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

圖3 有限元模型斷面圖

表1 邊坡巖土體基本物理力學(xué)參數(shù)

3.3 計(jì)算方案

首先計(jì)算初始應(yīng)力場，在此基礎(chǔ)上模擬隧道開挖與支護(hù)，在對上坡的土體清表后分8次開挖，在開挖過程中對邊坡進(jìn)行小導(dǎo)管注漿，之后修建擋墻與道路。具體計(jì)算流程如圖2所示。

為了研究隧道中關(guān)鍵位置的應(yīng)力、位移定量，共布設(shè)5個監(jiān)測點(diǎn)，如圖4所示。

圖4 隧道二襯監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)

4 模擬結(jié)果及分析

根據(jù)模擬方案，提取出路基挖方施工前后應(yīng)力場、位移場的結(jié)果進(jìn)行分析。以監(jiān)測點(diǎn)計(jì)算結(jié)果為例分析說明。

4.1 主應(yīng)力場分析

施工前后監(jiān)測點(diǎn)最小、最大主應(yīng)力變化如圖5～圖8所示，應(yīng)力結(jié)果以拉應(yīng)力為正。

圖5 隧道二襯拱頂監(jiān)測點(diǎn)最小主應(yīng)力變化曲線

圖6 隧道二襯拱頂監(jiān)測點(diǎn)最大主應(yīng)力變化曲線

由圖5、圖6可知，拱頂出現(xiàn)拉應(yīng)力，隨著開挖的進(jìn)行，拉應(yīng)力呈先增大后減小并逐漸穩(wěn)定的趨勢，路基挖方施工前后最小主應(yīng)力變化量值為0.075MPa，最大主應(yīng)力變化值為0.015MPa。

隨著開挖的進(jìn)行，二襯邊墻最大主應(yīng)力呈先略減小后增大并逐漸穩(wěn)定的趨勢，其中變化幅度最大的施工步是開挖7，這是因?yàn)樵撻_挖步的挖方較大，路基挖方施工前后左、右邊墻最大主應(yīng)力變化值分別為0.12MPa、0.2MPa。隧道二襯右邊墻監(jiān)測點(diǎn)最大主應(yīng)力變化曲線如圖7所示。

圖7 隧道二襯右邊墻監(jiān)測點(diǎn)最大主應(yīng)力變化曲線

隨著開挖的進(jìn)行，二襯拱腳最大主應(yīng)力呈先增大后減小并逐漸穩(wěn)定的趨勢，其中變化幅度最大的施工步是開挖7，路基挖方施工前后左、右拱腳最大主應(yīng)力變化值分別為0.045MPa、0.42MPa，相差比較大。在開挖4、開挖5以及修建擋墻對主應(yīng)力影響較小。隧道二襯左拱腳監(jiān)測點(diǎn)最大主應(yīng)力變化曲線如圖8所示。

圖8 隧道二襯左拱腳監(jiān)測點(diǎn)最大主應(yīng)力變化曲線

4.2 位移場分析

以隧道二襯拱頂、右邊墻、右拱腳監(jiān)測點(diǎn)為例，施工前后各監(jiān)測點(diǎn)水平方向、豎直方向位移變化如圖9～圖11所示。可知，拱頂、右邊墻、右拱腳位移隨開挖逐漸增大并最終趨于穩(wěn)定，其中開挖7引起的位移變化最大，路基挖方施工前后水平位移變化值分別為0.1mm、0.12mm、0.09mm，豎直位移變化值分別為0.25mm、0.26mm、0.25mm。

各監(jiān)測點(diǎn)計(jì)算結(jié)果匯總?cè)绫?、圖12所示。路基開挖對既有隧道二襯主應(yīng)力、位移具有一定的影響，其中開挖7的影響較大；路基挖方施工對右邊墻、右拱腳的影響大于左邊墻、左拱腳，對豎向位移的影響大于水平位移。根據(jù)文獻(xiàn)[10]，拉應(yīng)力小于0.3MPa，壓應(yīng)力小于1.0MPa時，判定對隧道穩(wěn)定性影響較小，因此，本項(xiàng)目路基開挖施工對既有隧道穩(wěn)定性的影響較小。

圖9 隧道二襯拱頂監(jiān)測點(diǎn)位移變化曲線

圖10 隧道二襯右邊墻監(jiān)測點(diǎn)位移變化曲線

圖11 隧道二襯右拱腳監(jiān)測點(diǎn)位移變化曲線

表2 監(jiān)測點(diǎn)計(jì)算結(jié)果匯總

圖12 隧道監(jiān)測點(diǎn)壓力、位移變化曲線

5 實(shí)測與數(shù)值計(jì)算隧道截面位移對比

新建公路施工期間分別對隧道截面各部位的水平和豎向位移進(jìn)行監(jiān)測，實(shí)際測點(diǎn)布置與圖5相同。通過實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值計(jì)算結(jié)果對比，如圖13和圖14所示。可以看出，實(shí)測值與計(jì)算值最大位移發(fā)生位置基本相同，數(shù)值計(jì)算量值大于實(shí)測值，但幅度不大。

6 結(jié)論

結(jié)合龍巖東環(huán)線近接既有龍廈鐵路人面山隧道實(shí)際情況，通過數(shù)值模擬分析路基挖方施工對既有隧道變形和應(yīng)力的影響，驗(yàn)證了本近接工程施工方法的合理性，并得出以下結(jié)論：

圖13 隧道截面水平位移

圖14 隧道截面豎直位移

(1)路基挖方施工對既有隧道有一定的影響，其中正上方開挖引起既有隧道應(yīng)力應(yīng)變較大，但量值均在安全范圍之內(nèi)。

(2)路基開挖施工引起的豎向位移變化大于水平位移，且無論是邊墻還是拱腳位置，均是右邊大于左邊。

(3)實(shí)測值與計(jì)算值最大位移發(fā)生位置基本相同，數(shù)值計(jì)算量值大于實(shí)測值，但幅度不大，偏于安全。