新建草莓溝2號(hào)隧道近接下穿既有隧道施工安全影響分析*

王 兵

(中鐵十六局集團(tuán)地鐵工程有限公司，北京100023)

0 引言

近接交疊隧道為隧道線路規(guī)劃了新的空間，但其施工產(chǎn)生的地層擾動(dòng)給既有隧道帶來結(jié)構(gòu)安全等問題。

從大量工程案例中發(fā)現(xiàn)，近接下穿隧道施工產(chǎn)生的開挖擾動(dòng)影響區(qū)域存在一定分布規(guī)律[1-6]。石杰紅等[7-8]對(duì)4種不同施工方案引起的地表沉降進(jìn)行比較，并采用數(shù)值分析的方法對(duì)地鐵隧道進(jìn)行安全性研究，發(fā)現(xiàn)其兩側(cè)土層較軟而中心土層較硬，故卸荷后的基坑中部回彈量較小，使基底的回彈曲線呈明顯的駝峰形變化；林志軍[9]對(duì)盾構(gòu)下穿施工過程中的施工影響因素及施工措施分別進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)不同圍巖條件會(huì)改變高鐵隧道結(jié)構(gòu)縱向正應(yīng)力增量，正應(yīng)力增量及不同的土船壓力、注架壓力等施工參數(shù)均會(huì)影響盾構(gòu)下穿施工。近接施工方面，仇文革[10]通過深入分析彈性力學(xué)、塑性力學(xué)、巖土力學(xué)等相關(guān)物理力學(xué)原理與基本理論，揭示臨近施工中的作用機(jī)制，并提出針對(duì)開挖施工的影響線設(shè)定方法，建立地基-圍巖一體化模型；鄭余朝[11]研究不同分區(qū)對(duì)地表沉降的預(yù)測(cè)，進(jìn)一步獲得埋深比等不同影響參數(shù)的比值；吳克新[12]研究在下穿施工中不同地層、不同開挖方式、不同加固方案的交疊隧道開挖過程中的力學(xué)響應(yīng)，進(jìn)而對(duì)變形機(jī)理、破壞機(jī)理及特征進(jìn)行分析；賀琦[13]研究不同路線的隧道下穿上部結(jié)構(gòu)時(shí)原有圍巖的受力變化及其對(duì)支護(hù)的影響規(guī)律，得出交叉段供水隧洞襯砌因開挖產(chǎn)生的附加拉應(yīng)力及附加壓應(yīng)力的分布規(guī)律，確定最大附加拉、壓應(yīng)力值及作用位置；文獻(xiàn)[14-15]基于不同結(jié)構(gòu)體的受力，分析下穿施工對(duì)上部已有隧道的穩(wěn)定性影響，得出在建隧道的圍巖壓力10 d內(nèi)基本穩(wěn)定,拱腰位置圍巖壓力較大,右側(cè)拱腰最大為0.2 MPa,之后緩慢減小并趨于穩(wěn)定。

目前，關(guān)于精確預(yù)測(cè)近接下穿施工引起的地層變形、確定近接下穿施工影響區(qū)域的研究還較少，故本文以新建草莓溝2號(hào)隧道下穿既有丹湯公路盤道嶺隧道工程為研究背景，利用有限元方法對(duì)近接下穿施工過程進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)開挖施工引起的既有隧道的位移、應(yīng)力增量變化進(jìn)行深入分析。研究方法和技術(shù)方案可為合理預(yù)測(cè)工程施工及既有隧道安全性提供必要的技術(shù)支持。

1 工程概況

新建草莓溝2號(hào)隧道下穿既有丹湯公路盤道嶺隧道位于丹東市西北，全長為620 m，新建草莓溝2號(hào)隧道在樁號(hào)TJLDK158+161處下穿既有丹湯公路盤道嶺右線隧道，如圖1所示。2條隧道結(jié)構(gòu)凈距4.47 m，交叉段K5+146～K5+184為V類圍巖，巖體較為破碎。對(duì)既有隧道進(jìn)行安全檢測(cè)后，評(píng)定所檢查范圍(下穿段附近)內(nèi)的隧道技術(shù)狀況等級(jí)為B級(jí)。需提及的是，新建隧道采用三臺(tái)階施工方法，臺(tái)階長度為4 m，開挖進(jìn)尺為1 m。

圖1 隧道下穿示意

2 隧道變形預(yù)測(cè)及安全判別準(zhǔn)則

大量國內(nèi)外近接施工案例表明，既有隧道在受新建施工影響后結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)一定的柔性變形特征[11]，故一般認(rèn)為可將線彈性分析方法應(yīng)用于近接施工問題分析中。本文基于E.Winkle地基梁方程對(duì)其予以深入分析，其變形的撓曲微分方程形式如式(1)所示：

(1)

式中：EI為地基梁的剛度；x，y為沿著地基梁的橫向和縱向；k為地基系數(shù)，kPa/m。

則附加力q(x)如式(2)所示：

q(x)=KbWd

(2)

式中：Kb為地層位移剛度系數(shù)；Wd為地層受擾動(dòng)之后的位移，m。

地層沉降的預(yù)測(cè)采用Peck公式，如式(3)～(4)所示：

(3)

(4)

式中：S，Smax分別為沉降預(yù)測(cè)值與最大沉降預(yù)測(cè)值，m；i為齊次方程解的虛數(shù)項(xiàng)；Wd為地層沉降量，m；Wd,max為地層的最大沉降量，m；id為地層的沉降槽寬度系數(shù)。

由于既有隧道的沉降表現(xiàn)出的柔性特征，認(rèn)為其沉降曲線形式與地層沉降曲線相同，如式(5)所示：

(5)

式中：Ws,max為隧道的最大沉降量，m；Ws為原有隧道的沉降位移，m。is為隧道的沉降槽寬度系數(shù)。

將式(4)～(5)帶入式(3)中，進(jìn)行麥克勞林展開得式(6)：

(6)

解得式(7)：

(7)

沉降槽寬度系數(shù)間的關(guān)系為式(8)：

(8)

得出隧道的沉降預(yù)測(cè)公式，如式(9)所示：

(9)

綜上，通過式(9)可以預(yù)測(cè)既有隧道的豎向沉降變化，進(jìn)而通過相應(yīng)的安全判別準(zhǔn)則及閾值來判斷既有隧道結(jié)構(gòu)受近接施工影響程度，從而在實(shí)際工程中采取相應(yīng)的加固措施。

表1 襯砌應(yīng)力增加的容許值

3 模擬計(jì)算結(jié)果

采用有限元軟件對(duì)近接下穿施工過程進(jìn)行數(shù)值模擬，模型中巖體采用Drucker-Prager模型。隧道的開挖與支護(hù)可通過模型單元活化與湮滅予以模擬，且不同的支護(hù)及襯砌可通過單元再分析予以模擬。模型如圖2所示，相關(guān)參數(shù)見表2。

表2 物理力學(xué)性質(zhì)

圖2 數(shù)值模型

3.1 位移分析

提取近接下穿施工完成后隧道結(jié)構(gòu)的豎向位移云圖，如圖3所示。

由圖3可知，既有隧道結(jié)構(gòu)距離下部新建隧道越近，結(jié)構(gòu)沉降位移越大，在隧道交疊處豎向沉降有最大值。

圖3 2條隧道縱向位移云圖

通過設(shè)置在隧道左拱腳、左拱腰、拱底、右拱腳及右拱腰的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，可獲得下穿隧道施工過程中既有隧道結(jié)構(gòu)的位移變化曲線，如圖4所示。

由圖4可知，隧道結(jié)構(gòu)拱底、拱腰和拱腳的豎向沉降有明顯差異。其中，“隧道中斷面”為既有隧道與新建隧道空間交叉處既有隧道斷面。與施工掌子面先行接觸的右拱腳和右拱腰最先產(chǎn)生沉降，與施工掌子面后接觸的左拱腳和左拱腰后發(fā)生沉降。當(dāng)新建隧道貫通時(shí)，既有隧道在拱底沉降最大，左右拱腰部位沉降最小，拱腰最大沉降量僅為1.01 mm。

開挖過程中既有結(jié)構(gòu)拱底沉降如圖5所示。其中，“小樁號(hào)”指的是在施工過程中，沿程標(biāo)示為較小數(shù)量值的樁號(hào)。

圖5 拱底沉降曲線

借助式(5)～(6)可得到沉降槽寬度為31.75 mm，由隧道的相對(duì)曲變得出允許的最大沉降量為5i/5 000=6.35 mm。由圖5可知，數(shù)值模擬中拱底的最大沉降量為1.33 mm，遠(yuǎn)小于沉降控制閾值6.35 mm，即從位移的角度認(rèn)為既有隧道受到影響較小，結(jié)構(gòu)安全。

3.2 橫向不均勻沉降

除縱向沉降變形外，近接下穿施工過程隧道斷面亦出現(xiàn)明顯的橫向不均勻沉降。不同進(jìn)尺下的橫向變形如圖6所示，其中Uz為縱向沉降，mm；Ux為橫向沉降，mm。

新建隧道下穿過程中，既有隧道橫斷面各部分沉降有明顯差異，近處拱腰和拱腳先發(fā)生沉降，開挖貫通后既有隧道中線開挖斷面下方沉降量最大；當(dāng)下穿貫通后，縱向下沉產(chǎn)生于隧道橫斷面處。

由圖6可知，各斷面襯砌的收斂量差異明顯。中斷面的收斂圖為先擴(kuò)展后壓縮，且斷面壓縮趨勢(shì)隨著施工開挖逐漸減小，如圖7所示。由圖7可知，中斷面處以及距離中斷面小于10 m處的斷面收斂量變化較大，此處的施工作業(yè)對(duì)于隧道斷面的收斂變化影響更為顯著。下部隧道貫通后各斷面的收斂情況如圖8所示。由圖8可知，隧道斷面最終的收斂量隨著距離中斷面距離的增加，呈現(xiàn)出先減小再增大的趨勢(shì)；在距離中斷面15 m處有1個(gè)峰值收斂點(diǎn)，結(jié)合圖7表明此處的收斂量變化顯著，在后續(xù)施工作業(yè)中需予以重視。

圖6 既有隧道差異沉降

圖7 斷面收斂曲線

圖8 斷面最終收斂量

3.3 應(yīng)力增量分析

既有隧道中斷面應(yīng)力增量定義為：在新建隧道施工過程中，既有隧道中斷面某測(cè)點(diǎn)第n施工步與第n-1施工步的應(yīng)力差。

對(duì)于襯砌橫向，其受力一般為受拉。既有隧道中斷面12 m處的右拱腳受拉應(yīng)力最大；隨著掌子面開挖，其右拱腳處拉應(yīng)力增量趨于穩(wěn)定。新建隧道施工過程橫向應(yīng)力增量如圖9所示。

圖9 中斷面橫向應(yīng)力增量曲線

縱向應(yīng)力增量表現(xiàn)為壓應(yīng)力增量，最大壓應(yīng)力增量為0.5 MPa，遠(yuǎn)小于壓應(yīng)力控制閾值，縱向應(yīng)力增量如圖10所示。

圖10 中斷面縱向應(yīng)力增量曲線

從位移和應(yīng)力增量的角度分析既有隧道受下穿施工影響的變化程度，最大拉應(yīng)力增量0.86 MPa，小于拉應(yīng)力控制閾值1 MPa，最大壓應(yīng)力增量0.5 MPa，遠(yuǎn)小于控制閾值5 MPa，可以預(yù)測(cè)既有隧道在下穿施工過程中受到的影響較弱，既有隧道安全穩(wěn)定。

新建隧道可以順利通過，但在施工過程中應(yīng)確保監(jiān)測(cè)頻率，及時(shí)反饋監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，保證既有隧道的絕對(duì)安全穩(wěn)定。

4 結(jié)論

1)結(jié)合彈性地基理論和經(jīng)典Peck公式可得出既有隧道受下穿施工影響的位移變化公式，可以由其判斷既有隧道的受影響范圍。

2)既有隧道結(jié)構(gòu)在下穿隧道施工的影響下產(chǎn)生豎向和橫向位移，且橫向位移變形較豎向更為明顯；結(jié)構(gòu)的最大沉降量為1.33 mm，遠(yuǎn)小于沉降控制閾值6.35 mm。

3)新建隧道施工過程中，既有隧道中斷面襯砌結(jié)構(gòu)橫向應(yīng)力增量表現(xiàn)為拉應(yīng)力增量，縱向應(yīng)力增量表現(xiàn)為壓應(yīng)力增量；最大拉應(yīng)力增量為0.86 MPa，小于拉應(yīng)力控制閾值1 MPa；最大壓應(yīng)力增量為0.5 MPa，遠(yuǎn)小于控制閾值5 MPa。

4)綜合既有隧道結(jié)構(gòu)的沉降、應(yīng)力增量分析結(jié)果可知，草莓溝2號(hào)隧道下穿施工過程中對(duì)盤道嶺隧道的施工影響較小，既有隧道安全穩(wěn)定。