不同近接度下新建盾構施工對既有鉆爆隧洞穩定性的影響

趙向波,黎成慶,張思煬,李銘杰,劉軍生,董唯杰*

(1.新疆額爾齊斯河投資開發集團有限公司,烏魯木齊 830000; 2.西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室,成都 610031)

隨著人們對交通運輸需求的日益增長,鐵路、公路、水利、市政等用途的隧道建設數量不斷增長,不可避免地將帶來新建隧道近接既有隧道或既有建筑的一系列問題。因此,針對隧道近接引起的對既有鄰近建筑的變形預測和控制、工程風險管控、結構受力改變等技術難題的研究對隧道近接設計和施工具有重要的指導意義。

基于盾構隧道近接施工力學行為等方面的難題和挑戰,中外學者已開展了大量的研究工作。張俊儒等[1]針對泥質粉砂巖地層,采用數值模擬和模型試驗的手段,研究盾構隧道近接礦山法隧道施工的影響規律,并基于地表沉降準則提出影響分區;仇文革[2]系統提出了廣義地下工程近接分區、分區指標表達式,給出研究近接施工問題的普遍方法;吳枋胤等[3]通過數值模擬探究了高地應力偏壓軟巖小凈距隧道的施工間距和洞形,總結了先后行洞的相互影響規律;方勇[4]采用三維有限元方法對平行盾構隧道施工進行模擬,分析新隧道動態掘進時既有隧道位移、變形和內力的變化規律。潘文韜等[5]借助有限元分析軟件模擬了三洞并行隧道中間鐵路隧道先行情況下,兩側公路隧道近接施工的施工順序、工法、步距等因素對既有隧道產生的影響,并對爆破施工提出針對性意見;聞毓民[6]借助ANSYS有限元分析軟件模擬隧道近接施工,結合結構應力準則和地表位移準則分析和總結得到兩孔平行盾構隧道近接施工影響分區;姚勇等[7]采用二維彈塑性數值計算方法,研究總結小近距隧道近接施工中加巖墻受力、變形特點,為小近距隧道近接的開挖、支護、加固等提高施工指導;張曉清等[8]構建了考慮土體流變特性的盾構近接施工應力遷移模型分析和總結了新建盾構隧道穿越近接既有隧道施工擾動周邊土體的應力遷移規律;崔光耀等[9]利用有限差分軟件FLAC3D模擬研究了管棚管幕預加固和改變施工順序兩種方案對小凈距隧道近接隧道群的變形控制效果;劉代國等[10]結合數值計算和現場監測,研究總結后行洞施工條件下引起的先行洞附加應力及變形變化規律;汪洋等[11]將模型試驗和數值模擬相結合,分析總結圍巖條件、隧道間距等多種因素影響下盾構隧道正交下穿施工引起的既有隧道的變形和附加內力的規律;丁智等[12]采用數值分析方法,針對軟土地質條件下新建盾構隧道近接既有地鐵的情況,研究總結得到不同隧道凈距和角度工況下地鐵變形和襯砌內力變化規律以及近接分區范圍;吳冬[13]通過數值模擬和模型試驗研究了分岔隧道非對稱小凈距段施工力學行為,提出針對實際工程的施工技術和合理支護參數;劉慶豐等[14]結合數值模擬以及現場監測等方法,研究近接施工對既有隧道以及周圍地層的影響規律,提出盾構近接相關的施工控制技術。何永成[15]比選分析了兩隧道平行近接施工的影響判別準則,并基于強度折減法提出平行近接隧道施工影響分區。

綜上所述,現有隧道近接研究大多是針對施工工法、支護參數、地質條件等因素改變下近接施工隧道在變形和受力的分析和研究,而對采用兩種不同施工工法進行非平行近接的分岔隧道的研究較少,如分岔隧道中后行隧道近接先行隧道產生穩定性影響的最小安全凈距、交叉段最佳支護參數和開挖工法選擇等問題亟待解決。

基于此,現依托新疆YEGS二期工程,以盾構法隧洞近接礦山法隧洞為研究對象,采用數值計算與現場監測相結合的方式,針對軟巖地層下的關鍵近接斷面,分析不同凈距條件盾構隧洞近接鉆爆隧洞引起的附加變形和內力影響規律,得到最合理安全的近接施工凈距,對交叉段提供施工和支護建議,以期為類似工程的設計和施工提供一定的參考。

1 工程背景

在建的YEGS二期工程線路全長約為540 km,受地形、蒸發、生態環境等多因素的影響,其建設主要以隧洞為主。沿線隧洞主要由XE隧洞、KS隧洞和SS隧洞組成,總長度約為515 km。其中SS隧洞全長92.35 km,為無壓洞,隧洞軸線縱坡1/5 000,隧洞位于中低山區,全線平均埋深156 m,呈兩端高,中間淺的凹槽地形。

針對6號隧洞主支洞分叉段近接施工問題進行分析研究,其隧址區圍巖以侏羅系和白堊系泥巖砂巖為主,遇水后易泥化、軟化,因此施工時地質情況采用分段分區、鉆爆與盾構相結合的手段進行建設。施工方案布置并非采用主洞與曲線段相切的直線連接方式,而是通過局部調整主洞軸線,通道布置上將主洞側裁直取彎,再將主支洞交叉洞室做成“卜”形叉與轉彎段相接,如圖1所示。為了確保水流平順,轉彎半徑應不小于5倍洞徑,盡量不改變主洞橫斷面寬度,與下游側管片襯砌連接時漸變段圓錐角不大于10°。

圖1 6號隧洞近接施工示意圖

“卜”形叉洞室交角為37°,由鉆爆段及盾構段共同構成,施工時先進行鉆爆段開挖(圖2),鉆爆完成后,后續盾構進行掘進(圖2),當二者近接到一定程度后,將按照連拱隧洞采用鉆爆法逐步擴挖,然后拆除管片接合成。為方便車輛調頭,主支洞交叉洞室采用城門洞形橫斷面,毛洞寬6.2 m,高6.25 m。轉彎段長17.9 m,轉彎半徑40 m,轉角22°,橫斷面與交叉洞室一致。該方案洞室體型不大,施工方法采用常規的上下導洞開挖支護、以及逐環拆管片擴挖即可,現階段主支洞交叉段施工如圖3所示。

圖2 鉆爆隧洞和盾構隧洞施工圖

圖3 主支洞交叉段施工圖

在此施工過程中,盾構隧洞的施工將會影響到既有鉆爆隧洞的穩定性,若不分析兩隧洞最小安全凈距直接對接分叉段,容易導致隧洞坍塌、先行隧洞支護失效等嚴重事故。因此,在進行施工前研究不同近接度下盾構隧洞對鉆爆隧洞的穩定性影響至關重要。

2 計算模型

2.1 計算模型與計算工況

為探究不同近接度下盾構施工對鉆爆隧洞的穩定性影響,以YEGS二期工程SS段隧洞為背景,采用ABAQUS前處理建立模型,后續導入有限差分軟件FLAC3D中進行計算。根據設計資料,鉆爆隧洞水平跨度5.40 m,豎向跨度5.35 m,盾構隧洞直徑5.20 m,根據圣維南原理,為降低模型邊界條件的影響,考慮隧洞至模型邊界處的距離應不小于5倍的洞徑,同時為提高計算效率將模型簡化平面模型,取模型尺寸為110 m×80 m×2 m。鉆爆隧洞初期支護厚度為0.15 m,二次襯砌厚度為0.45 m,盾構隧洞管片厚度為0.35 m,兩隧洞邊墻凈距為B,計算模型如圖4所示。

圖4 數值計算模型

本文計算模型數值模擬流程為:初始地應力平衡→模型位移清零→鉆爆法隧洞開挖(空單元模擬、控制應力釋放)→激活初支和錨桿(下一階段應力釋放)→激活二次襯砌→求解平衡→盾構法隧洞開挖(空單元模擬、控制應力釋放)→激活管片→求解平衡。此外,因為鉆爆法隧洞開挖支護時間較長,盾構隧洞頂進安裝管片時間較短,二者的開挖支護模擬通過控制調節圍巖應力釋放率來實現。

此外,為研究盾構隧洞近接鉆爆隧洞的影響和最合理凈距,設置了8種工況進行計算分析,如表1所示。此外,結合前期工程地質資料及巖石力學試驗及相關試驗,各材料的物理力學參數如表2所示。

表1 計算工況

表2 材料物理力學參數取值表

2.2 模型驗證

為了保證盾構近接鉆爆隧洞模擬結果相對較為合理,以及模型選參的可靠性,在模型中設置3個錨桿應力監測點如圖5所示,獲取數值計算得到的錨桿軸向應力結果。最后選取SD57+190斷面實際監測數據(圖6)與數值模擬結果(圖7)進行對比。分析計算A、B、C三個位置的錨桿應力數值模擬與實測數據的誤差依次為:28.57%、34.43%、23.19%。可以得出結論:數值計算得到的隧洞鉆爆達到穩定時錨桿應力結果與實際監測結果較為吻合,可以認為模型選參較為合理,可以利用該模型接著進行盾構近接鉆爆隧洞的數值模擬。

A、B、C為錨桿軸向應力監測點;其他數字為位移監測點

圖6 SD57+190斷面錨桿應力監測數據圖

圖7 錨桿監測點軸向應力時程曲線

3 計算結果

3.1 鉆爆隧洞開挖力學分析

由于各個工況下兩隧洞凈距改變導致模型稍微改變,鉆爆隧洞單洞開挖求解得到的位移、錨桿軸向應力稍有不同,本文取各個工況模型鉆爆單洞開挖的位移、錨桿軸向應力平均值作為鉆爆隧洞開挖結果,分別如表3和表4所示。

表3 監測點位移結果表

表4 單洞鉆爆錨桿測點軸向應力表

由表3可知,單洞鉆爆開挖后,在及時施作錨桿、初支和二襯的情況下,最大豎向位移出現在拱頂和底面中心處,最大水平位移出現在兩側邊墻中心處(測點4和8)。拱頂最大沉降值為2.318 8 mm,底面中心最大隆起值為4.249 1 mm,兩側邊墻中心處基本無豎向位移。兩側邊墻中心左右側水平位移分別為1.707 3和1.718 8 mm,拱頂和底面中心處基本無水平位移。

由表4可知,單洞鉆爆開挖下,錨桿測點得到的軸向應力在兩側邊墻中心的錨桿取得最大值,分別為19.262 MPa和19.295 MPa,其次是拱頂的錨桿,約為4.626 MPa,最小的是左右拱肩的錨桿,分別為1.860 MPa和1.954 MPa。

從上述鉆爆隧洞單洞開挖支護后的位移、錨桿軸向應力的結果整體上來看,隧洞中心線左右兩側對稱位置的位移和錨桿應力結果差異很小,基本滿足沿隧洞中心線左右對稱分布,符合單洞隧洞開挖的一般規律和力學行為特征。

由鉆爆隧洞初支及二襯大小主應力云圖8和圖9知,單洞鉆爆開挖和支護后,初支和二襯上最大主應力和最小主應力分別為1.398 MPa和0.523 MPa,未達到初支或二襯抗拉或抗壓強度極限值,所以未發生強度破壞。此外,對比初支與二襯的大小主應力云圖可知初支應力較大、二襯應力極小,說明圍巖壓力主要由初支承擔,而二襯主要用于作為安全儲備。

圖8 鉆爆隧洞最大主應力云圖

圖9 鉆爆隧洞最小主應力云圖

3.2 近接度影響效應分析

3.2.1 位移影響分析

在開挖盾構隧洞前,對鉆爆模擬得到的位移場進行清零,后續開挖模擬結果即為盾構隧洞對既有隧洞的影響。數值計算得到的各近接度下既有鉆爆隧洞的附加豎向位移云圖和附加水平位移云圖分別如圖10和圖11所示。

圖11 各近接度下鉆爆隧洞附加水平位移云圖

由圖10和圖11可知,受盾構隧洞近接施工的影響,既有鉆爆法隧洞附加豎向位移和水平位移都為負數,即整體向左下側沉降。同時,從附加位移最大數值極其出現位置上來看,豎向附加位移最大值稍大于水平附加位移,豎向附加位移最大值出現的位置隨凈距的減小從拱底變化到拱頂。且隨著盾構隧洞和鉆爆隧洞凈距的增大,隧洞初支和二襯的附加最大豎向位移和最大水平位移值逐漸減小,盾構隧洞對既有鉆爆隧洞的影響逐漸變小。

對前文得到的最大附加豎向和水平位移值與兩隧洞凈距的關系進行數據擬合(圖12)可以看出,兩隧洞凈距大于10 m時,附加位移變化曲線逐漸趨于平緩,而凈距小于10 m時,曲線曲率快速變大,附加位移增量顯著增大,即兩隧洞凈距越小,盾構隧洞施工對既有鉆爆隧洞的影響越顯著,凈距10～12 m可認為是對位移影響的臨界轉折點。

圖12 隧洞凈距與最大附加位移關系擬合曲線

3.2.2 應力影響分析

評估近接施工對既有建筑的結構的應力影響是至關重要的,若新建盾構隧洞近接既有鉆爆隧洞導致后者結構受力改變嚴重,甚至超過極限強度發生破壞,就會給工程安全帶來巨大隱患。

由圖13和圖14可知,既有鉆爆隧洞初支及二襯最大主應力和最小主應力隨著兩隧洞凈距B的增大而逐漸減小。表明:兩隧洞凈距越大,后行盾構隧洞施工對先行鉆爆隧洞產生的結構內力的影響越小。

同時,新建盾構隧洞的施工改變了既有鉆爆隧洞單洞開挖支護下應力對稱的情況,使既有鉆爆隧洞結構的內力變得左右兩側不對稱,在兩隧洞凈距在6 m以內時[圖13(a)、圖13(b)和圖14(a)、圖14(b)],明顯觀察到先行鉆爆隧洞結構靠近后行盾構隧洞一側,初支壓應力加強,二襯應力由拉應力轉變為壓應力。

在B=4 m的工況下,既有鉆爆隧洞右側墻的初支應力值為15.077 MPa,超過C30混凝土的抗壓強度值,二襯底部中心抗拉強度為2.975 MPa,超過混凝土抗拉強度,均出現破壞情況。在B=6 m的工況下,既有隧洞右側墻的初支為15.252 MPa,也發生破壞,但二次襯砌未出現受拉破壞。在其他工況下,初支和二襯受力改變未超過承受范圍,均可保持良好的工作狀態,不發生強度破壞。

3.2.3 塑性區影響分析

根據模型數值計算結果得到各工況下隧洞塑性區,如圖15所示。由圖15可知,隨著兩隧洞凈距的增大,塑性區逐漸從連通過渡到分離,塑性區范圍逐漸減小。

shear-n shear-p為單元當前和過去均發生剪切破壞;shear-n shear-p tension-p為單元當前和過去均發生剪切破壞且過去還有拉伸破壞;shear-p為單元僅過去發生剪切破壞;shear-p tension-p為單元過去發生剪切破壞和拉伸破壞

既有隧洞塑性區在兩隧洞凈距B>12 m時,沿隧洞中軸線基本呈對稱狀態,兩隧洞塑性區尚未貫通,相互影響不顯著,既有隧洞不會出現新的剪切塑性區,圖15(e)～圖15(h)所示。

當兩者間距B<12 m時[圖15(a)～圖15(d)],兩隧洞施工所產生的塑性區開始逐漸貫通,塑性區不再沿隧洞中軸線對稱,新建隧洞對先行隧洞的影響隨凈距的減小而顯著增大。在間距B≤8 m時[圖15(a)～圖15(c)],新建盾構隧洞施工會引起既有鉆爆隧洞右側拱肩和右側拱腳處巖體出現新的剪切破壞,此時既有隧洞右側受到的附加應力和位移影響程度相較于左側應該更大,也就印證了前文對位移和應力的分析。

4 結論

通過現場監測和數值計算,對不同凈距條件下新建盾構隧洞平行近接既有鉆爆隧洞所引起的既有鉆爆隧洞的附加位移、應力變化、塑性區分布等規律進行分析和研究,得出如下結論。

(1)綜合對比現場監測與數值模擬結果發現,數值計算得到的單洞鉆爆條件下錨桿軸向應力結果與現場監測得到的錨桿軸向應力結果較為相符,驗證了模型的可行性,保證了后續進行盾構隧洞近接既有鉆爆隧洞的合理性。

(2)結合各個工況下數值模擬得到的位移云圖發現,盾構隧洞施工后既有鉆爆隧洞整體向左下側沉降,且兩隧洞凈距越小,后行隧洞對先行隧洞的位移影響越顯著,10～12 m可認為是顯著影響位移的臨界凈距。

(3)對比既有鉆爆隧洞結構大小主應力云圖結果發現,受新建盾構隧洞影響結構應力非均勻分布,且凈距越小影響越顯著。在凈距較小時(如B=4 m或B=6 m),靠近新建盾構隧洞一側的初期支護受壓破壞,二襯受拉破壞。

(4)塑性區云圖顯示,隨著凈距的減小,兩隧洞的塑性區逐漸貫通,塑性區面積變大,當凈距小于10 m時,在靠近新建盾構隧洞一側的拱肩和拱腳處出現新的剪切破壞,繼而產生不利于既有隧洞穩定性的附加位移和附加應力,更容易引起既有隧洞結構破壞。

(5)綜合位移、應力、塑性區研究結果,建議工程中兩隧洞平行近接的最小凈距大于10 m,在兩隧洞凈距小于10 m的匯交段應采取加強隧洞支護和監控量測的措施,嚴格控制隧洞變形,減小后行隧洞對先行隧洞產生的影響。