暗挖車站零距離下穿既有隧道施工的應(yīng)力分析*

徐延召 易領(lǐng)兵 呂兆龍 楊 忠 吳程浩 王 宇 楊涌躍 鄭力銘 宋 欣

(1.鄭州地鐵集團(tuán)有限公司,450003,鄭州; 2.中國交建軌道交通事業(yè)部,100088,北京; 3.鄭州一建集團(tuán)有限公司,450099,鄭州; 4.鄭州寶冶鋼結(jié)構(gòu)有限公司,450047,鄭州;5.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司,100088,北京; 6.中國國家鐵路集團(tuán)有限公司工程管理中心,100088,北京∥第一作者,高級(jí)工程師)

近些年來,隨著城際鐵路、市域鐵路及城市軌道交通等項(xiàng)目的全面開建,不可避免地出現(xiàn)新建線路與既有線路上跨、下穿及側(cè)穿等諸多情況。文獻(xiàn)[1]對(duì)洞樁法若干小導(dǎo)洞施工過程中,應(yīng)力場的分布規(guī)律進(jìn)行了研究;文獻(xiàn)[2]對(duì)交叉重疊隧道在凈距較小條件下施工過程中的力學(xué)影響進(jìn)行了研究;文獻(xiàn)[3]對(duì)新建隧道采取暗挖法近距離下穿區(qū)間施工方案進(jìn)行了研究;文獻(xiàn)[4]對(duì)大跨度小凈距若干隧道群的開挖施工方案進(jìn)行了研究;文獻(xiàn)[5]對(duì)某4條線路隧道在長距離密貼條件下施工對(duì)車站的影響進(jìn)行了研究;文獻(xiàn)[6]對(duì)某區(qū)間下穿施工對(duì)車站的影響進(jìn)行了研究;文獻(xiàn)[7]對(duì)黃土區(qū)域某通道上穿暗挖施工對(duì)地鐵區(qū)間的力學(xué)及變形影響進(jìn)行了研究;文獻(xiàn)[8]對(duì)新建地鐵下穿施工對(duì)地鐵站的影響進(jìn)行了研究。

本文結(jié)合某具體工程,對(duì)暗挖站零距離下穿施工條件下的隧道應(yīng)力變化趨勢及分布規(guī)律進(jìn)行研究,并進(jìn)一步分析了區(qū)間隧道混凝土結(jié)構(gòu)塑性破壞區(qū)范圍;比較施工中應(yīng)力監(jiān)測值與模擬值的變化規(guī)律及發(fā)生位置,通過擬合度來佐證了模擬的準(zhǔn)確性和可實(shí)施性。

1 工程概況

新建車站為南北向布置,采用明暗挖結(jié)合施工。南端明挖段長100.0 m,中間暗挖段長18.2 m,北端明挖段長60.4 m,明挖部分基坑深26～27 m,暗挖部分頂部至地面約為13 m,底埋深約為26～27 m。新建的平頂直墻暗挖車站零距離下穿既有的矩形斷面隧道。新建車站與既有隧道的平剖面位置關(guān)系如圖1所示。為便于后續(xù)論述,特在圖1中注明:變形縫1東側(cè)既有隧道為區(qū)間a段,變形縫1和變形縫2之間既有隧道為區(qū)間b段,變形縫2西側(cè)既有隧道為區(qū)間c段。

a) 平面圖

2 建立有限元計(jì)算模型

本文采取ABAQUS有限元軟件建立有限元計(jì)算模型,對(duì)施工過程中的既有隧道應(yīng)力進(jìn)行模擬計(jì)算。根據(jù)圣維南原理及以往工程案例可知,僅在地下施工空間周圍距地下空間中心3～5倍開挖范圍內(nèi)存在實(shí)際影響。結(jié)合本工程實(shí)際勘察情況及計(jì)算需求確定模型計(jì)算范圍,確定計(jì)算模型尺寸為180 m(x向)×50 m(z向)×80 m(y向)。土、砂、巖采用Mohr-Coulomb模型模擬;擬建地鐵車站及既有隧道采用線彈性本構(gòu)模型模擬;除地表為自由面外,其余四面及底面采取固定約束以限制各向位移。圖2為計(jì)算模型圖,圖3為相對(duì)位置關(guān)系模型圖。各土層及結(jié)構(gòu)力學(xué)指標(biāo)詳見表1。

表1 材料力學(xué)性能參數(shù)

圖2 計(jì)算模型

圖3 相對(duì)位置關(guān)系模型

施工過程共有8個(gè)施工步驟,土體-結(jié)構(gòu)斷面如圖4所示。

圖4 土體-結(jié)構(gòu)斷面示意圖

步驟1:1號(hào)導(dǎo)洞開挖與支護(hù);1號(hào)導(dǎo)洞貫通后,施做洞內(nèi)的灌樁柱和樁頂冠梁。

步驟2:4號(hào)導(dǎo)洞開挖與支護(hù);4號(hào)導(dǎo)洞貫通后,施做洞內(nèi)的灌樁柱和樁頂冠梁。

步驟3:2號(hào)導(dǎo)洞開挖與支護(hù);2號(hào)導(dǎo)洞貫通后,施做2號(hào)導(dǎo)洞內(nèi)的灌注樁、鋼管柱、頂縱梁和部分頂板。

步驟4:3號(hào)導(dǎo)洞開挖與支護(hù);3號(hào)導(dǎo)洞貫通后,施做2號(hào)導(dǎo)洞內(nèi)的灌注樁、鋼管柱、頂縱梁和部分頂板。

步驟5:開挖2、3號(hào)導(dǎo)洞之間的Ⅰ部土體;貫通后進(jìn)行拆除2、3導(dǎo)洞部分初期支護(hù),施做部分頂板。

步驟6:開挖1、2號(hào)導(dǎo)洞之間的Ⅱ部土體,以及3、4號(hào)導(dǎo)洞之間的Ⅲ部土體;拆除其余部分初期支護(hù)后,施做剩余頂板和部分側(cè)墻。

步驟7:向下開挖,施做車站中板、中縱梁和部分側(cè)墻。

步驟8:向下開挖,施做車站底板和剩余部分結(jié)構(gòu),完成車站暗挖段施工。

3 有限元計(jì)算結(jié)果分析

既有隧道為C30鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu),其抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為14.30 MPa,抗拉強(qiáng)度與抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為1.43 MPa,鋼筋材料的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為310.00 MPa。本文將以此為依據(jù)對(duì)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。

為節(jié)約篇幅,本文僅列出步驟8(施工即將完成時(shí))的應(yīng)力云圖,并對(duì)各步驟的應(yīng)力變化趨勢進(jìn)行分析。模擬得到的各施工步驟下既有隧道應(yīng)力最大值發(fā)生位置如表2所示。其中,位置坐標(biāo)系原點(diǎn)(0,0,0)位于下穿段開挖起始斷面、注漿加固區(qū)底部東側(cè)底角。

表2 各施工步驟下既有隧道應(yīng)力最大值發(fā)生位置

3.1 最大主應(yīng)力

圖5為步驟8的既有隧道主應(yīng)力云圖。圖6為步驟8的既有隧道主應(yīng)力分布仰視圖。圖7為不同施工步驟下的既有隧道最大主應(yīng)力曲線圖。

圖6 步驟8的既有隧道主應(yīng)力仰視云圖

圖7 不同施工步驟下的既有隧道最大主應(yīng)力曲線圖

根據(jù)計(jì)算結(jié)果,最大主應(yīng)力基本出現(xiàn)在既有隧道的底部變形縫1附近,處于區(qū)間b段上,且既有結(jié)構(gòu)頂部基本處于受壓狀態(tài)。這表明在整個(gè)施工過程中既有隧道結(jié)構(gòu)呈“凹向上”的彎曲變形趨勢。

隨著開挖施工的進(jìn)行,既有隧道的最大主應(yīng)力呈不斷增加的趨勢:從步驟 1到步驟5,最大主應(yīng)力緩慢增大,且增大幅度很小;從步驟5到步驟6,最大主應(yīng)力值突然增大到65.61 MPa,增大比例高達(dá)314.7%;隨后,增加幅度放緩慢,最終增大到71.47 MPa。

3.2 最大拉應(yīng)力

圖8為步驟8的既有隧道拉應(yīng)力云圖。圖9為不同施工步驟下的既有隧道最大拉應(yīng)力曲線圖。

圖8 步驟8的既有隧道拉應(yīng)力云圖

圖9 不同施工步驟下的既有隧道最大拉應(yīng)力曲線圖

由圖5—圖6可見,最大拉應(yīng)力附近區(qū)域的應(yīng)力變化比較明顯,在相應(yīng)位置既有隧道的結(jié)構(gòu)表面將可能出現(xiàn)張裂裂紋。根據(jù)計(jì)算結(jié)果,最大拉應(yīng)力均出現(xiàn)在既有線底板變形縫1附近:在開挖步驟1中,最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在區(qū)間a段;后續(xù)開挖過程中,最大拉應(yīng)力均處于區(qū)間b段底板局部區(qū)域?？梢?應(yīng)力變化較明顯的區(qū)域位于相應(yīng)開挖步驟部位上方、偏近于變形縫1處,反映出施工過程對(duì)相應(yīng)部位上方既有隧道的擾動(dòng)影響。

進(jìn)一步分析模擬結(jié)果可以看出,隨著開挖施工的進(jìn)行,既有隧道的最大拉應(yīng)力呈不斷增加的趨勢:從步驟 1到步驟5,最大拉應(yīng)力緩慢增大,且增幅很小;從步驟5到步驟6,最大拉應(yīng)力值突然增大到86.92 MPa,增大比例達(dá)346.9%;隨后,增加幅度放緩,最大拉應(yīng)力最終增大到94.33 MPa。

在施工過程中,既有隧道結(jié)構(gòu)的最大拉應(yīng)力值超過C30混凝土的拉應(yīng)力設(shè)計(jì)值,故在施工期間既有隧道的混凝土可能出現(xiàn)裂紋。最大拉應(yīng)力值雖未超過鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值,但這對(duì)既有結(jié)構(gòu)是一潛在的不利因素。因此,在施工期間,應(yīng)勤于觀測結(jié)構(gòu)面裂紋變化,在特殊情況下應(yīng)適當(dāng)減緩施工,并采取相應(yīng)加固支護(hù)措施,防止結(jié)構(gòu)表面大面積開裂。

3.3 最大剪切應(yīng)力

圖10為步驟8的既有隧道剪切應(yīng)力仰視云圖,圖11為既有隧道的結(jié)構(gòu)剪切應(yīng)力云圖。圖12為不同施工步驟下的既有隧道最大剪切應(yīng)力曲線圖。

圖10 步驟8的既有隧道剪切應(yīng)力仰視云圖

圖11 步驟8的既有隧道剪切應(yīng)力云圖

圖12 不同施工步驟下的既有隧道最大剪切應(yīng)力曲線圖

由模擬結(jié)果可以看出:隨著開挖施工的進(jìn)行,既有隧道的結(jié)構(gòu)最大剪切應(yīng)力呈不斷增加的趨勢。最大剪切應(yīng)力出現(xiàn)在變形縫1附近,處于區(qū)間b段上。

隨施工步驟進(jìn)行,既有隧道結(jié)構(gòu)的最大剪切應(yīng)力逐漸增大:從步驟 1到步驟5,最大剪切應(yīng)力緩慢增大,且增幅很小;從步驟5到步驟6,最大剪切應(yīng)力突然增大到49.46 MPa,增大比例達(dá)363.5%;隨后,增幅放緩,最終最大剪切應(yīng)力增大到51.03 MPa。

在施工過程中,既有隧道的最大剪切應(yīng)力值超過C30混凝土設(shè)計(jì)值,故混凝土在施工期間可能會(huì)出現(xiàn)裂紋,這對(duì)既有結(jié)構(gòu)是一潛在不利因素。在施工期間,應(yīng)勤觀測結(jié)構(gòu)面裂紋變化,特殊情況適當(dāng)減緩施工,采取相應(yīng)加固支護(hù)措施,防止結(jié)構(gòu)大面積表面開裂。

3.4 結(jié)構(gòu)塑性破壞區(qū)

各步驟的既有隧道彈塑性區(qū)域分布如圖13所示。由圖13可以看出:大部分塑性區(qū)位于結(jié)構(gòu)底板上,且位于東側(cè)變形縫1附近區(qū)域;在既有隧道的側(cè)壁上也有部分塑性區(qū)域。在塑性區(qū)內(nèi),既有隧道的C30混凝土結(jié)構(gòu)將處于極不安全狀態(tài),隨時(shí)會(huì)萌生裂紋或開裂,甚至大面積開裂,這將會(huì)大大降低結(jié)構(gòu)的安全性。在施工過程中應(yīng)該嚴(yán)密監(jiān)視塑性區(qū)部位,防止裂紋發(fā)生。

圖13 各施工步驟的既有隧道彈塑性區(qū)域分布示意圖

4 模擬結(jié)果與施工監(jiān)測結(jié)果的對(duì)比

在實(shí)際施工過程中,對(duì)各施工步驟的最大主應(yīng)力、最大拉應(yīng)力及最大剪切力變化情況進(jìn)行監(jiān)測,并繪制各施工步驟的實(shí)際應(yīng)力監(jiān)測曲線,如圖14所示。

a) 最大主應(yīng)力

根據(jù)實(shí)際監(jiān)測結(jié)果,總結(jié)各應(yīng)力的變化規(guī)律如下:

1) 既有隧道的最大主應(yīng)力。從步驟 1到步驟5,最大主應(yīng)力緩慢增大,且增幅很小;從步驟5到步驟6,最大主應(yīng)力值突然增大到62.15 MPa,增大比例達(dá)315.0%;隨后,最大主應(yīng)力增幅放緩,最終增至68.75 MPa。

2) 既有隧道的最大拉應(yīng)力。從步驟 1到步驟5,最大拉應(yīng)力緩慢增大,且增幅很小;從步驟5到步驟6,最大拉應(yīng)力值突然增大到84.62 MPa,增大比例達(dá)351.0%;隨后,最大拉應(yīng)力增幅放緩,最終增至89.61 MPa。

3) 既有隧道的最大剪切應(yīng)力。從步驟 1到步驟5,最大剪切應(yīng)力緩慢增大,且增幅很小;從步驟5到步驟6最大剪切應(yīng)力值突然增大到47.62 MPa,增大比例達(dá)378.1%,隨后,最大剪切應(yīng)力增幅放緩,最終增至51.03 MPa。

在實(shí)際施工期間,觀測既有隧道結(jié)構(gòu)表面發(fā)現(xiàn):在既有隧道的底板,特別是區(qū)間b段靠近變形縫1位置附近,混凝土結(jié)構(gòu)表面確有微小裂紋出現(xiàn);適當(dāng)減緩施工并及時(shí)進(jìn)行支頂后,該結(jié)構(gòu)表面裂紋區(qū)域明顯不再擴(kuò)大,混凝土各應(yīng)力監(jiān)測值也不再進(jìn)一步增大,說明施工影響得到了較好的控制。

將各應(yīng)力的模擬值和實(shí)際監(jiān)測值進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果如圖15所示。

a) 最大主應(yīng)力

從圖15可以看出:監(jiān)測數(shù)值與模擬數(shù)值結(jié)果基本一致;總體而言,監(jiān)測數(shù)據(jù)均小于模擬計(jì)算結(jié)果;兩者數(shù)據(jù)顯示,最大主應(yīng)力、最大拉應(yīng)力及最大剪切應(yīng)力最大值發(fā)生位置均一致。這進(jìn)一步說明了模擬計(jì)算的準(zhǔn)確性和可實(shí)施性,驗(yàn)證了有限元模型的可靠性。

5 結(jié)論

1) 隨施工步驟進(jìn)行,既有隧道的結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力(最大主應(yīng)力、最大拉應(yīng)力及最大剪切應(yīng)力)逐漸增大:從步驟 1到步驟5,應(yīng)力均緩慢增大,且增幅很小;從步驟5到步驟6,應(yīng)力均會(huì)突然增大,且增幅很大;隨后,應(yīng)力均緩慢增大。

2) 應(yīng)力的實(shí)際檢測值與模擬值變化規(guī)律基本一致,驗(yàn)證了有限元模擬計(jì)算的準(zhǔn)確性和可操作性。

3) 在施工過程中,既有隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)力值超過C30混凝土設(shè)計(jì)值,混凝土在施工期間出現(xiàn)裂紋。特別是在既有隧道結(jié)構(gòu)底板位置區(qū)間b段靠近變形縫1處附近混凝土結(jié)構(gòu)表面有微小裂紋變化。適當(dāng)減緩施工并及時(shí)采取支頂?shù)却胧?能有效防止既有隧道混凝土表面裂紋的擴(kuò)大,進(jìn)而對(duì)既有隧道結(jié)構(gòu)起到保護(hù)作用。