新建隧道對(duì)既有小凈距隧道影響的分析與研究

錢文斐

(上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司，上海市200092)

新建隧道對(duì)既有小凈距隧道影響的分析與研究

錢文斐

(上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司，上海市200092)

以某城市既有環(huán)線新建BRT專用車道工程中的控制性工程-“品”字形隧道群為例，通過對(duì)新建隧道與既有小凈距隧道在不同間距工況下，新建隧道的開挖對(duì)既有隧道的位移、圍巖應(yīng)力、結(jié)構(gòu)應(yīng)力值等進(jìn)行分析研究，得出了在有條件下盡可能地將兩者的間距控制在≥1D的結(jié)論，同時(shí)提出了減小對(duì)既有小凈距隧道產(chǎn)生不利影響的工程處治及應(yīng)對(duì)措施，為后續(xù)設(shè)計(jì)及施工提供了參考依據(jù)。

品字形隧道群;隧道間距;注漿加固;中夾巖;結(jié)構(gòu)安全

0 引言

隨著現(xiàn)代城市的發(fā)展，越來越多的新建工程受制于規(guī)劃、地形、地質(zhì)等多方面因素的限制，其地理位置“迫不得已”地選擇在既有工程附近。因此，如何保證新建工程在建設(shè)的同時(shí)，減小對(duì)既有工程的影響，乃是目前甚至將來相當(dāng)長一段時(shí)間困擾設(shè)計(jì)人員的一大難題。本文擬從某城市新建BRT工程中的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)(新建BRT隧道對(duì)既有環(huán)線小凈距隧道的影響)出發(fā)，通過探討新建隧道對(duì)既有隧道受力體系的影響，以更好地為后續(xù)設(shè)計(jì)工程提供依據(jù)。

1 工程概況

某城市擬在既有環(huán)線上新建BRT專用車道，由于受規(guī)劃、周邊環(huán)境及平、縱線形等因素的控制，新建隧道擬布置在既有小凈距隧道正上方通過，形成的隧道群呈“品”字形(詳見圖1)。既有隧道為雙向6車道小凈距隧道(毛洞凈距約4.5 m)，內(nèi)輪廓寬15.343 m，高9.749 m(詳見圖2)。新建隧道為單向2車道隧道，隧道內(nèi)輪廓寬11 m，高8.8 m(詳見圖3)。

圖1 新建隧道與既有小凈距隧道位置關(guān)系圖

圖2 既有隧道內(nèi)輪廓設(shè)計(jì)圖

圖3 新建隧道內(nèi)輪廓設(shè)計(jì)圖

考慮到既有隧道為大跨小凈距隧道，且所處工程地質(zhì)條件較差，新建隧道的施工必然會(huì)對(duì)既有隧道產(chǎn)生一定的影響。國內(nèi)外雖然也有相關(guān)資料提到過新建隧道對(duì)既有隧道產(chǎn)生影響的范圍，但考慮到一方面有關(guān)文獻(xiàn)內(nèi)容僅作了粗略定性的說明，尚缺乏對(duì)后續(xù)設(shè)計(jì)工作的實(shí)際指導(dǎo)意義;另一方面考慮到既有隧道為大跨小凈距隧道，自身受力性能較之分離式隧道復(fù)雜，且需在受力關(guān)鍵部位的中夾巖正上方修建隧道，因此受力情況將更為復(fù)雜。基于以上，擬對(duì)兩者的相互影響進(jìn)行分析，從而更好地指導(dǎo)設(shè)計(jì)工作。

2 模型建立

查閱既有隧道工程地質(zhì)，主要以Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖為主，建模時(shí)圍巖按Ⅴ級(jí)考慮，物理參數(shù)值參照現(xiàn)行《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》中附錄A中附表A.0.4-1中的中值進(jìn)行取值。

考慮到初期支護(hù)作為安全儲(chǔ)備，故該模型僅模擬既有隧道在二次襯砌支護(hù)下的受力分析。既有二次襯砌參數(shù)為:C30混凝土厚度60 cm。

根據(jù)新建隧道與既有隧道的相對(duì)位置關(guān)系，以新建隧道的開挖寬度D為參照，按0.25D為間隔建立0.25D～2D共8個(gè)模型(以間距為0.25D為例見圖4)，從而分析不同間距對(duì)既有小凈距隧道的受力體系的影響，以確定相對(duì)合理的間距。

圖4 間距為0.25D時(shí)隧道建模圖

3 結(jié)果分析

考慮到研究的對(duì)象為既有小凈距隧道，因此以下分析結(jié)果僅與既有小凈距隧道有關(guān)，且考慮到“品”字形隧道群的結(jié)構(gòu)布置及受力情況的對(duì)稱性，結(jié)果分析均以既有左側(cè)隧道為研究對(duì)象(下同)。

3.1 既有隧道變形

計(jì)算結(jié)果顯示:兩隧道間距為0.25 D～0.5 D范圍時(shí)，既有隧道左半部分拱、墻部位均出現(xiàn)向右側(cè)變形的位移(見圖5)，而間距為0.75 D～2 D范圍時(shí)，既有隧道左半部拱、墻均出現(xiàn)向左變形的位移(見圖6)。

圖5 間距為0.25 D時(shí)既有隧道變形圖

圖6 間距為0.75 D時(shí)既有隧道變形圖

經(jīng)分析認(rèn)為:當(dāng)間距為0.25 D～0.5 D范圍時(shí)，由于右側(cè)上方巖土體對(duì)于整個(gè)隧道的約束變形能力大大降低，因此隧道出現(xiàn)整體向右位移的變形。而當(dāng)間距在0.75 D～2 D范圍時(shí)，右側(cè)上方巖土體對(duì)整個(gè)隧道的約束變形雖然有一定程度的削弱，但仍能足以抵抗隧道整體向右位移的趨勢(shì)。由此可以得出:當(dāng)間距為0.25 D～0.5 D范圍時(shí)，隧道左半部拱、墻將發(fā)生完全相反的位移，這不僅可能導(dǎo)致隧道內(nèi)輪廓傾入既有建筑限界，而且結(jié)構(gòu)內(nèi)力將出現(xiàn)較大調(diào)整，嚴(yán)重威脅既有隧道結(jié)構(gòu)的耐久性及安全性。

3.2 既有隧道中夾巖受力性狀

考慮到中夾巖是小凈距隧道的關(guān)鍵部位，將直接影響既有隧道結(jié)構(gòu)安全，因此對(duì)于不同間距范圍，對(duì)中夾巖中部的豎向應(yīng)力進(jìn)行了分析研究，具體如圖7所示。

圖7 中夾巖中部豎向應(yīng)力值隨不同間距變化曲線圖

由變化曲線可知:當(dāng)間距在0.25 D～1 D時(shí)，豎向壓力逐步增大;當(dāng)間距在1 D～2 D時(shí)，豎向壓力保持不變。經(jīng)分析如下:根據(jù)豎向壓力云圖顯示，以間距為0.25 D為例(見圖8)，由于間距過小而未形成有效拱作用;而當(dāng)間距≥1 D時(shí)在中夾巖上方形成了卸載拱的作用(見圖9)。

圖8 間距為0.25D時(shí)豎向壓力云圖

圖9 間距為1D時(shí)豎向壓力云圖

3.3 既有隧道結(jié)構(gòu)安全性

為了掌握既有隧道主要部位的結(jié)構(gòu)安全性能，分別對(duì)拱頂、拱腰、拱腳、邊墻與仰拱交界處的隅角、仰拱的結(jié)構(gòu)安全系數(shù)進(jìn)行分析計(jì)算，其中考慮到既有隧道為小凈距隧道，除拱頂、仰拱部位外，其它部位均分為遠(yuǎn)離中夾巖側(cè)、靠近中夾巖側(cè)分別進(jìn)行分析(各點(diǎn)布置位置詳見圖1)。

3.3.1 拱頂

由拱頂(1點(diǎn))的應(yīng)力值變化曲線(見圖10)可知:當(dāng)間距≤1.5 D時(shí)，結(jié)構(gòu)應(yīng)力值大于初始應(yīng)力值，特別是間距在0.25 D～0.5 D時(shí)，結(jié)構(gòu)應(yīng)力值較之增大了20%～43%;間距在0.75 D～1.5 D時(shí)，結(jié)構(gòu)應(yīng)力值較之僅增大8%以內(nèi);而當(dāng)間距≥1.5 D時(shí)，結(jié)構(gòu)應(yīng)力值幾乎與初始應(yīng)力值相當(dāng)。

圖10 1點(diǎn)處應(yīng)力值變化曲線圖

3.3.2 拱腰(遠(yuǎn)離中夾巖側(cè))

由拱腰(2點(diǎn))的應(yīng)力值變化曲線(見圖11)可知:當(dāng)間距在0.25 D～0.5 D時(shí)，結(jié)構(gòu)應(yīng)力值大于初始應(yīng)力值，但結(jié)構(gòu)應(yīng)力值增大僅為7%范圍內(nèi);而當(dāng)間距≥0.75 D時(shí)，結(jié)構(gòu)應(yīng)力值均小于初始應(yīng)力值;說明新建隧道對(duì)此處結(jié)構(gòu)受力影響較小。

圖11 2點(diǎn)處應(yīng)力值變化曲線圖

3.3.3 拱腰(靠近中夾巖側(cè))

由拱腰(2'點(diǎn))的應(yīng)力值變化曲線(見圖12)可知:間距為0.25 D時(shí)，結(jié)構(gòu)應(yīng)力方向發(fā)生了變化，由原來的受壓控制變成了受拉控制;當(dāng)間距在0.5 D～0.75 D時(shí)，結(jié)構(gòu)應(yīng)力值較之增大了17%～73%;間距≥1 D時(shí)，結(jié)構(gòu)應(yīng)力值幾乎與初始應(yīng)力值相當(dāng)。經(jīng)分析認(rèn)為:因新建隧道引起了圍巖應(yīng)力的重分布，而2'點(diǎn)位于新建隧道隅角下方，為圍巖應(yīng)力集中處，當(dāng)間距較小時(shí)，由于未形成有效拱作用，因此傳遞至2'點(diǎn)的應(yīng)力值較大;而當(dāng)間距≥1 D時(shí)，由于形成了拱作用，因此此處應(yīng)力值受新建隧道影響較小。

圖12 2'點(diǎn)處應(yīng)力值變化曲線圖

3.3.4 拱腳(遠(yuǎn)離中夾巖側(cè))

由拱腳(3點(diǎn))的應(yīng)力值變化曲線(見圖13)可知:間距為0.25 D～0.75 D時(shí)，結(jié)構(gòu)應(yīng)力值較之增大了6%～11%，而間距≥1 D時(shí)，結(jié)構(gòu)應(yīng)力值均小于初始應(yīng)力值;說明新建隧道對(duì)此處結(jié)構(gòu)受力影響較小。

圖13 3點(diǎn)處應(yīng)力值變化曲線圖

3.3.5 拱腳(靠近中夾巖側(cè))

由拱腳(3'點(diǎn))的應(yīng)力值變化曲線(見圖14)可知:間距為0.25 D～0.5 D、1.25 D～2 D時(shí)，結(jié)構(gòu)應(yīng)力值均小于初始應(yīng)力值;而間距在0.75 D～1 D時(shí)，結(jié)構(gòu)應(yīng)力值較之增大了2.5%;說明新建隧道對(duì)此處結(jié)構(gòu)受力影響幾乎可以忽略。

圖14 3'點(diǎn)處應(yīng)力值變化曲線圖

3.3.6 隅角(遠(yuǎn)離中夾巖側(cè))

由隅角(4點(diǎn))的應(yīng)力值變化曲線(見圖15)可知:間距為0.25 D～0.5 D時(shí)，結(jié)構(gòu)應(yīng)力值較之增大了200%～324%;而間距為0.75 D～2 D時(shí)，結(jié)構(gòu)應(yīng)力值均小于初始應(yīng)力值。經(jīng)分析認(rèn)為:新建隧道的開挖，將導(dǎo)致既有隧道出現(xiàn)“左邊圍巖厚、右邊圍巖薄”的偏壓受力狀態(tài)，當(dāng)間距較小時(shí)，由于未形成拱作用，左側(cè)(即遠(yuǎn)離中夾巖)圍巖壓力相對(duì)較大，因此位于應(yīng)力集中點(diǎn)處的隅角結(jié)構(gòu)應(yīng)力值較大;而當(dāng)間距大于0.75 D時(shí)，可認(rèn)為形成了拱作用，由于圍巖壓力變化不大，因此隅角處的結(jié)構(gòu)應(yīng)力值與之前變化不大。

圖15 4點(diǎn)處應(yīng)力值變化曲線圖

3.3.7 隅角(靠近中夾巖側(cè))

由隅角(4'點(diǎn))的應(yīng)力值變化曲線(見圖16)可知:無論間距多少，結(jié)構(gòu)應(yīng)力值均有所減小，但與之前變化不大，說明新建隧道對(duì)此處結(jié)構(gòu)受力影響較小。綜合上節(jié)分析認(rèn)為:當(dāng)間距在0.25 D～0.5 D時(shí)，由于出現(xiàn)的“左重右輕”偏壓受力狀態(tài)，因此位于右側(cè)的隅角受力相對(duì)較小;而當(dāng)間距≥0.75 D時(shí)，由于拱作用的出現(xiàn)，右側(cè)隅角的受力與之前變化不大。

3.3.8 仰拱

由仰拱(5點(diǎn))的應(yīng)力值變化曲線(見圖17)可知:無論間距為多少，此處應(yīng)力值與未新建隧道時(shí)均變化不大，說明新建隧道對(duì)此處結(jié)構(gòu)受力影響較小。

圖16 4'點(diǎn)處應(yīng)力值變化曲線圖

圖17 5點(diǎn)處應(yīng)力值變化曲線圖

4 結(jié)論

通過對(duì)新建隧道的開挖對(duì)既有小凈距隧道的位移、圍巖應(yīng)力及結(jié)構(gòu)安全性的研究，得出以下結(jié)論:

(1)由以上分析結(jié)果可知:當(dāng)新建隧道與既有隧道的間距在0.25 D～0.5 D時(shí)，由于間距較小，總體而言新建隧道對(duì)既有隧道的變形、中夾巖受力、結(jié)構(gòu)各部位的受力狀態(tài)影響較大;當(dāng)間距在≥1 D時(shí)，由于能有效地形成拱作用，因此對(duì)新建隧道各方面的影響相對(duì)較小。

(2)當(dāng)設(shè)計(jì)有條件時(shí)，盡可能保證新建隧道與既有隧道的間距大于1 D;當(dāng)由于條件所限，無法保證間距時(shí)，需注意加強(qiáng)對(duì)既有隧道的拱頂、拱腰(靠近中夾巖側(cè))、隅角(遠(yuǎn)離中夾巖側(cè))部位的結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行復(fù)核，以確保以上薄弱點(diǎn)的結(jié)構(gòu)安全。

(3)當(dāng)間距小于1 D時(shí)，“品”字形隧道群中既有小凈距隧道的中夾巖上方由于新建隧道的開挖將會(huì)增加中夾巖處的應(yīng)力，如超過中夾巖的承載力，則會(huì)導(dǎo)致左、右隧道圍巖各自形成的塌落拱成為一個(gè)大的塌落拱，從而增大圍巖壓力，威脅結(jié)構(gòu)安全，因此對(duì)中夾巖的加固將是必要措施。

(4)為了減小新建隧道對(duì)既有隧道的不利影響，還應(yīng)考慮采取以下措施:a.在新建隧道仰拱底部進(jìn)行注漿加固;b.加強(qiáng)新建隧道仰拱部位的初期支護(hù)，并及時(shí)封閉仰拱;c.施工期間新建隧道盡可能采用非爆破開挖或者控制爆破。

(5)作為地下工程，監(jiān)控量測(cè)是永恒的核心，因此加強(qiáng)對(duì)既有隧道的監(jiān)控量測(cè)工作特別是右側(cè)拱腰位置的位移變化，將是工程安全建設(shè)的有利保障。

U451

A

1009-7716(2015)11-0186-04

2015-06-25

錢文斐(1977-)，男，江蘇鎮(zhèn)江人，碩士，高級(jí)工程師，注冊(cè)巖土工程師，研究方面;隧道及地下工程、巖土工程。