大直徑盾構隧道平行近接施工影響分析

趙 陽 張慶蕓 張 迪 郭小青 王少鋒

(1.江蘇省交通工程建設局, 210001, 南京; 2.中鐵第四勘察設計院集團有限公司, 430063, 武漢; 3.上海同巖土木工程科技股份有限公司, 200092, 上海; 4.上海地下基礎設施安全檢測與養護裝備 工程技術研究中心, 200092, 上海∥第一作者, 正高級工程師)

城市軌道交通隧道工程受限于線位選擇,常常以雙孔、多孔平行或上下疊穿的形式出現。新建隧道近接施工會對周圍土體產生擾動,引起地層發生位移及應力重分布,為既有隧道帶來一定的安全風險。為了合理控制新建隧道近接施工對既有隧道的影響,有必要對隧道近接施工影響進行研究。

目前,已有不少學者圍繞隧道平行近接施工對既有隧道的影響進行了研究。文獻[1]采用FLAC3D軟件研究武漢地鐵平行側穿區間隧道工程,研究結果表明既有隧道兩側水平變形呈現向新建隧道內凸的趨勢。文獻[2]采用FLAC3D軟件和現場試驗的方法,獲得了由盾構施工引起的既有平行隧道附加內力及變形變化規律。文獻[3]采用Plaxis軟件研究了軟土中不同隧道凈距與角度工況下,盾構施工對既有地鐵隧道變形和襯砌內力的影響規律,獲得了軟土地區近接分區影響范圍。文獻[4]采用模型試驗和數值計算方法,研究分析了不同凈距條件下,右線隧道開挖對左線隧道襯砌位移變化、襯砌內力變化的影響。文獻[5]采用理論公式和Abaqus軟件數值模擬的方法,研究了盾構施工引起的既有平行隧道的附加位移。文獻[6]通過現場監測的方法,分析了蘇州軌道交通4號線區間雙線盾構隧道中,后行隧道施工引起先行隧道附加應力場的變化規律。文獻[7]采用有限元剛度遷移法及現場實測數據,研究了地鐵區間雙線隧道后行隧道施工過程對先行平行隧道的影響,發現已建隧道的位移及內力都有較大程度的降低。文獻[8]采用FLAC3D軟件研究了盾構施工對既有平行隧道結構安全性的影響,并給出了近接影響分區。

綜上可知,目前對于平行盾構隧道近接施工的研究主要集中于地鐵隧道等小直徑隧道,而對于大直徑水下盾構隧道的研究較少,且缺少對于不同施工凈距影響規律的研究。海太長江隧道工程采用公鐵分建方式,后建鐵路隧道平行近接施工會引起先建公路隧道周圍土體的擾動,進而對先建隧道的應力和變形帶來影響。鑒于此,本文依托海太長江隧道工程,通過建立三維地層-結構模型和三維精細化荷載-結構模型,研究不同施工凈距下,后建鐵路隧道施工過程對先建公路隧道的應力和變形影響規律。本文研究可為確定海太長江鐵路隧道合理施工間距提供指導。

1 工程概況與分析方法

1.1 工程概況

海太長江隧道段全長11.185 km,采用盾構方案穿越長江,盾構隧道全長9.315 km,為雙管六車道,隧道襯砌環外徑為16.0 m,厚度為0.7 m,環寬為2.0 m,是目前穿越長江直徑最大、距離最長的過江交通隧道。隧道穿越地質條件復雜,沿線穿越不均勻地層,主要為粉細砂、粉土、淤泥質粉質黏土等。公路隧道縱斷面地質剖面圖如圖1所示。海太過江公路隧道下游側為后期建設的如通蘇湖城際鐵路隧道,鐵路隧道與公路隧道基本平行,二者的平面位置關系示意圖如圖2所示。后建鐵路隧道為單洞隧道,隧道采用C60預制鋼筋混凝土管片,襯砌環外徑為14.5 m,厚度為0.6 m,環寬為2.0 m。

圖1 公路隧道縱斷面地質剖面圖

1.2 分析方法

通過建立三維地層-結構模型,分析后建鐵路隧道施工對公路隧道的受力變形特性影響。由于考慮管片分塊拼裝會顯著增大模型的計算量,因此管片采用均質圓環等效模擬。針對收斂變形最大的隧道斷面,建立考慮管片分塊拼裝的10環精細化荷載-結構模型,分析隧道結構的橫向力學特性。

1.2.1 縱向分析模型

考慮到數值模型的邊界效應,模型邊界x向距隧道不小于3D(D為公路隧道外徑),y向距隧道不小于2D,z向總長度不小于6D,模型尺寸(x×y×z)為195 m×87 m×96 m。計算模型示意圖如圖3所示。

圖3 計算模型示意圖

隧道管片均采用塑性損傷本構模型(模型參數:膨脹角為30°,流動勢偏移量為0.1,雙軸受壓與單軸受壓極限強度比為1.16,不變量應力比為0.667,黏滯系數為0.000 5)模擬,土體采用摩爾-庫倫模型模擬;鋼筋和螺栓采用梁單元模擬,為理想彈塑性材料。管片與土體之間、管片環間均采用摩擦接觸,摩擦因數取0.3,鋼筋與螺栓嵌入管片混凝土。口子件與管片之間采用綁定約束;口子件橫向之間采用綁定進行約束,環間設置摩擦接觸,摩擦因數取0.3。模型四周約束水平向位移,底部約束豎向位移,頂面為自由面。

通過進行均質圓環及分塊管片單環模型試算,確定公路隧道均質圓環的管片彈性模量折減系數取為0.85。土層物理力學參數及隧道材料參數如表1和表2所示。

表1 土層物理力學參數

表2 隧道材料參數

1.2.2 橫向分析模型

公路隧道管片采用“9+1”分塊方式,橫向分析模型示意圖如圖4所示。管片及內部結構采用塑性損傷本構模型模擬,土體采用摩爾-庫倫模型模擬;鋼筋和螺栓采用梁單元模擬。管片分塊之間、環間均采用摩擦接觸,鋼筋、螺栓嵌入管片混凝土中。管片外側分別與法向、切向接地彈簧相連接,根據地勘報告計算可得,徑向彈簧系數為1.36×107N/m、切向彈簧系數為1.36×106N/m。管片兩端面約束沿隧道軸向方向位移。將地層-結構模型中的最大收斂變形施加于荷載結構模型上,能夠獲得隧道結構橫向力學響應。

圖4 公路隧道橫向分析模型示意圖

1.3 計算工況

計算工況如表3所示。

表3 計算工況

1.4 盾構施工過程模擬

后建鐵路隧道每次推進距離為管片環寬2 m。鐵路隧道施工過程模擬流程為:①通過“生死單元”功能實現隧道、管片襯砌和注漿部位土體的開挖,同時在前方開挖面上施加均布土艙壓力;②在盾尾生成管片單元,并施加徑向均布注漿壓力,盾構機每推進一環,將盾尾后一環材料改設為硬化后的注漿材料。根據新建盾構隧道上覆土層地質條件和朗肯土壓力理論,盾構隧道中軸線處的側向靜止土壓力為0.79 MPa,浮動壓力取為0.02 MPa,則模型中土艙壓力取為0.81 MPa,注漿壓力取為0.20 MPa。

2 先建公路隧道結構的力學響應分析

首先,對施工凈距為48 m(3D)時的公路隧道力學響應特點進行分析。

2.1 管片變形

鐵路隧道開挖前后,先建公路隧道的管片橫斷面變形示意圖如圖5所示。由圖5可知:①鐵路隧道開挖前,先建公路隧道由于自身開挖引起的拱頂沉降約為8.7 mm,拱底上浮約為19.7 mm,豎向收斂變形約為28.4 mm;鐵路隧道開挖后,公路隧道拱頂沉降變為8.0 mm,拱底上浮約為19.6 mm,豎向收斂變形約為27.6 mm。由此可知,鐵路隧道的開挖對先建公路隧道的豎向收斂變形影響較小,公路隧道的拱頂沉降和拱底上浮程度略有減小。②鐵路隧道開挖前,先建公路隧道開挖完成時的最大水平位移約為11.8 mm,水平收斂變形約為23.4 mm;鐵路隧道開挖后,公路隧道左拱腰(遠離鐵路隧道側)的水平位移相比鐵路隧道開挖前有了明顯的增加(約為13.5 mm),而右拱腰(靠近鐵路隧道側)的水平位移則顯著減小(約為9.0 mm),水平收斂變形減小為22.5 mm。由此可知,鐵路隧道的開挖對先建公路隧道的水平變形影響較為明顯,先建公路隧道朝著背離鐵路隧道的方向發生剛體位移。

單位:mm

由于數值模擬未考慮盾構施工過程中地層損失的影響,因此,鐵路隧道施工對公路隧道的影響主要表現為側向擠壓作用,使得先建隧道原來的“橫鴨蛋”變形有一定程度的減小。

2.2 管片應力

鐵路隧道開挖前后,公路隧道管片的最大主應力和最小主應力分布云圖如圖6所示。由圖6可知:①鐵路隧道開挖前,公路隧道開挖完成時的管片最大主應力約為1.91 MPa,位于拱底內側;公路隧道管片最小主應力約為12.70 MPa,位于拱腰內側。②鐵路隧道開挖完成后,公路隧道管片最大主應力約為1.84 MPa,位于拱底內側;公路隧道管片最小主應力約為12.20 MPa,位于拱腰內側。在鐵路隧道開挖后,公路隧道管片的最大主應力和最小主應力均有所減小,這是由于鐵路隧道結構變形對公路隧道產生的側向擠壓作用造成的。

a) 鐵路隧道開挖前的最大主應力

2.3 環向鋼筋應力

鐵路隧道開挖前,公路隧道開挖完成時的管片鋼筋最大主應力約為18.00 MPa,位于拱底位置。

鐵路隧道開挖完成后,先建公路隧道管片鋼筋最大主應力變為17.30 MPa,數值略有減小。管片鋼筋應力水平較低,未發生屈服現象。

2.4 管片連接螺栓應力

鐵路隧道開挖前,公路隧道開挖完成時的縱向螺栓最大主應力約為38.40 MPa。鐵路隧道開挖后,先建公路隧道的管片縱向螺栓最大主應力變為37.80 MPa,數值略有減小。公路隧道縱向螺栓應力處于彈性狀態。鐵路隧道開挖前后,公路隧道環向螺栓最大主應力均約為55.60 MPa,無明顯變化。公路隧道環向螺栓應力處于彈性狀態。

3 不同施工凈距對公路隧道影響的對比分析

不同施工凈距下,鐵路隧道開挖對先建公路隧道變形的影響如表4所示。由表4可知:不同施工凈距下,鐵路隧道開挖對公路隧道的變形影響規律基本一致,均表現為相對于鐵路隧道開挖前拱頂沉降、右拱腰位移減小、豎向收斂和水平收斂變形減小及左拱腰位移增加,公路隧道往背離后建隧道方向發生水平剛體位移;隨著施工凈距的增加,鐵路隧道開挖后,公路隧道變形變化幅值基本呈減小的趨勢。

表4 不同施工凈距下鐵路隧道開挖對公路隧道變形影響

不同施工凈距下,鐵路隧道開挖對公路隧道應力的影響如表5所示。由表5可知:不同施工凈距下,鐵路隧道開挖對公路隧道的應力影響規律基本一致,相對于鐵路開挖前,公路隧道的管片應力、鋼筋應力及螺栓應力均有所減小,這是由于后建鐵路隧道結構變形對側向土體產生擠壓作用引起的;隨著施工凈距的增大,公路隧道的管片應力、鋼筋應力及螺栓應力的減小幅度呈減小趨勢。

表5 不同施工凈距下鐵路隧道開挖對公路隧道應力影響

4 結論

1) 鐵路隧道開挖對先建公路隧道的應力和變形均產生了一定程度的影響。總體而言,鐵路隧道開挖對公路隧道的水平變形影響較豎向變形更為明顯。鐵路隧道開挖后,公路隧道的拱頂沉降、豎向收斂及水平收斂變形均有所減小,隧道整體發生背離后建隧道的剛體位移。公路隧道管片應力、鋼筋應力及螺栓應力均有所減小,后建鐵路隧道施工對先建公路隧道產生了側向擠壓的作用。

2) 不同施工凈距下,鐵路隧道施工對先建公路隧道的受力變形性能的影響規律基本一致。隨著施工凈距的增大,鐵路隧道開挖對公路隧道的影響程度逐漸減小,公路隧道變形及應力變化幅值基本呈減小的趨勢。

3) 本文模擬的工況為假定地層損失率為0的理想情況,實際施工過程中,需要考慮盾尾空隙、施工時效等因素造成的地層損失,后續研究應增加考慮鐵路隧道施工過程中地層損失對公路隧道的影響分析。