城市道路隧道平行上穿既有隧道施工方法數(shù)值模擬分析

張 玥，曹 偉

(內(nèi)蒙古科技大學(xué)，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

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城市道路隧道平行上穿既有隧道施工方法數(shù)值模擬分析

張 玥，曹 偉

(內(nèi)蒙古科技大學(xué)，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

某城市道路小凈距隧道平行上穿既有地鐵隧道，施工圖紙顯示該新建隧道的施工方法為上下短臺(tái)階法。文章運(yùn)用有限元分析軟件MIDAS/GTS進(jìn)行數(shù)值模擬分析，比較新建隧道采用不同開挖臺(tái)階長度施工時(shí)對(duì)既有隧道的變形及內(nèi)力的影響，評(píng)價(jià)既有隧道的安全性。模擬分析結(jié)果表明，新建隧道施工可以采用長臺(tái)階法開挖施工，能夠保證既有隧道安全并可加快施工進(jìn)度。

新建隧道；既有隧道；小凈距隧道；數(shù)值模擬；臺(tái)階法

0 引言

隨著我國城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，地下工程基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投資日益增多，地下市政道路、地下軌道交通等工程設(shè)施大量建設(shè)，難免會(huì)產(chǎn)生新建隧道與既有隧道近接施工[1，2]，由于新建和既有隧道之間距離較近，在施工過程中，產(chǎn)生互相干擾，造成既有隧道的結(jié)構(gòu)變形與內(nèi)力大小改變，進(jìn)而影響既有隧道的安全性[3]。

近年來，有關(guān)新建隧道與既有隧道近接施工對(duì)既有隧道產(chǎn)生影響的研究較多，大部分是對(duì)新建隧道與既有隧道之間以平行或下穿方式的研究，而對(duì)新建隧道以不同角度上跨既有隧道的施工影響研究較少[4，5]。本文以某城市道路小凈距隧道平行上穿既有地鐵隧道為工程背景，利用MIDAS/GTS軟件模擬分析臺(tái)階法施工時(shí)，不同臺(tái)階長度對(duì)既有隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的位移變形和內(nèi)力的影響，總結(jié)合理的施工臺(tái)階長度，以期為此類工程提供借鑒。

1 工程概況

某市政道路隧道工程為小凈距隧道，隧道最大埋深為35 m，圍巖等級(jí)為IV級(jí)，隧道洞身處于淺埋段，拱頂距地面最近只有5 m。施工方法采用超前支護(hù)，上下短臺(tái)階法。新建隧道與既有地鐵隧道在空間上平行上穿，兩者之間的空間位置關(guān)系如圖1所示，在縱斷面上城市道路隧道底板位于既有地鐵區(qū)間隧道拱頂上方，兩者間距為2.5～5 m。

圖1 新建隧道與既有隧道空間位置關(guān)系圖

2 開挖方法

目前臺(tái)階法施工通常按照不同的臺(tái)階長度分為以下三種方法[6]。

(1)超短臺(tái)階法

臺(tái)階長度一般超前3～5 m，施工需交替作業(yè)，進(jìn)度緩慢，且互相干擾大，但由于初次支護(hù)閉合的時(shí)間更短，利于對(duì)圍巖變形的控制。

(2)短臺(tái)階法

可以減少支護(hù)結(jié)構(gòu)閉合時(shí)間，改善初次支護(hù)受力條件，有利于控制隧道收斂速度，在I～V級(jí)圍巖中都可以適用。但相對(duì)長臺(tái)階法，其上下臺(tái)階長度不長，施工互相干擾大，工期可能受影響。

(3)長臺(tái)階法

有足夠的工作空間，施工速度可以加快，上下臺(tái)階之間相互干擾小，相對(duì)于全斷面法，長臺(tái)階法一次開挖的斷面和高度比較小，對(duì)圍巖的穩(wěn)定有利。在圍巖不能自穩(wěn)，且因圍巖堅(jiān)硬而不能拱頂和拱底封閉斷面時(shí)，可以采用長臺(tái)階法施工。

本文進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，采用以下臺(tái)階長度：長臺(tái)階法，上臺(tái)階長度為50 m；短臺(tái)階法，上臺(tái)階長度為12.5 m；超短臺(tái)階法，上臺(tái)階長度為2.5 m。

3 計(jì)算模型及巖土支護(hù)材料參數(shù)

3.1 計(jì)算模型

根據(jù)工程實(shí)際情況，采用三維實(shí)體模型，圍巖等級(jí)為IV級(jí)，模型寬度為80 m，高度為60 m，縱向長度取100 m，兩新建隧道之間凈距為5 m，底邊至既有隧道拱頂之間豎向距離為3 m。新建隧道采用三心圓斷面即曲墻加半圓拱形式，拱半徑為4.95 m，曲墻半徑為8.5 m；既有隧道為三心圓曲墻加仰拱斷面形式，拱半徑為6 m，曲墻半徑為6 m，仰拱半徑為9 m。

三維網(wǎng)格模型如圖2所示。

圖2 隧道三維網(wǎng)格模型圖

3.2 巖土及支護(hù)材料參數(shù)

隧道圍巖為IV級(jí)，其巖土和支護(hù)參數(shù)參考該工程地質(zhì)詳細(xì)勘察報(bào)告，如表1～2所示。

表1 巖土參數(shù)表

表2 支護(hù)材料參數(shù)表

表2中新建隧道單個(gè)截面錨桿數(shù)量為15根，長度為3.5 m，弧長為1.5 m。既有隧道初期支護(hù)采用C25噴射混凝土，二次襯砌采用C40混凝土，將初期支護(hù)中鋼架采取等效剛度法進(jìn)行折算。

3.3 施工過程

臺(tái)階法施工順序見圖3。

圖3 臺(tái)階法施工順序圖

臺(tái)階開挖過程如圖3所示，其中：(1)左洞上臺(tái)階開挖，II左洞上臺(tái)階初期支護(hù)；(2)左洞下臺(tái)階開挖，IV左洞下臺(tái)階初期支護(hù)，V左洞二次襯砌澆注；(3)右洞上臺(tái)階開挖，VII右洞上臺(tái)階初期支護(hù)；(4)右洞下臺(tái)階開挖，IX右洞下臺(tái)階初期支護(hù)，X右洞二次襯砌澆注。新建隧道采取左右隧道交叉施工的方法，左隧道洞口先開挖，洞身上臺(tái)階完成50 m時(shí)，右隧道洞口開始開挖。

4 模擬計(jì)算結(jié)果及分析

4.1 新建隧道施工模擬

在數(shù)值模擬計(jì)算中，嚴(yán)格按照前述三種不同臺(tái)階長度及施工方法和施工步驟進(jìn)行，通過計(jì)算分別得出各施工階段的既有隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)位移和應(yīng)力值，通過圖表加以對(duì)比分析。既有隧道位移值和應(yīng)力取值點(diǎn)位置如圖4所示。

圖4 既有隧道位移和應(yīng)力取值點(diǎn)示意圖(cm)

注：既有隧道二次襯砌位移取值點(diǎn)為：1—拱頂，2—拱底，3—左拱腰，4—右拱腰；既有隧道二次襯砌應(yīng)力取值點(diǎn)為：a—左拱肩，b—右拱肩，c—左仰拱，d—右仰拱

通過數(shù)值模擬施工過程，按照?qǐng)D4所示取值點(diǎn)位置提取其中以下各施工步序所對(duì)應(yīng)的既有隧道二次襯砌的位移和應(yīng)力，施工步序1：既有隧道完工；施工步序2：新建隧道左洞上臺(tái)階開挖結(jié)束；施工步序3：左洞下臺(tái)階開挖結(jié)束；施工步序4：右洞上臺(tái)階開挖結(jié)束；施工步序5：右洞下臺(tái)階開挖結(jié)束。

4.2 計(jì)算結(jié)果分析

采用不同臺(tái)階長度開挖施工時(shí)，既有隧道二次襯砌的位移變化曲線見圖5～7，應(yīng)力變化曲線見下頁圖8～10，位移和應(yīng)力的最大值見下頁表3。

圖5 長臺(tái)階法施工時(shí)既有隧道二次襯砌位移變化曲線圖

圖6 短臺(tái)階法施工時(shí)既有隧道二次襯砌位移變化曲線圖

圖7 超短臺(tái)階法施工時(shí)既有隧道二次襯砌位移變化曲線圖

圖8 長臺(tái)階法施工時(shí)既有隧道二次襯砌應(yīng)力變化曲線圖

圖9 短臺(tái)階法施工時(shí)既有隧道二次襯砌應(yīng)力變化曲線圖

圖10 超短臺(tái)階法施工時(shí)既有隧道二次襯砌應(yīng)力變化曲線圖

項(xiàng)目長臺(tái)階法短臺(tái)階法超短臺(tái)階法豎向位移(mm)0.6270.4620.316水平位移(mm)0.4180.3960.301拱肩應(yīng)力(kPa)-1242-1105-943仰拱應(yīng)力(kPa)-959-787-665

注：“—”表示壓應(yīng)力

由位移曲線可見，隨著新建隧道的開挖施工，既有隧道拱頂和拱底均向上隆起，而拱頂?shù)穆∑鹬蹈笠恍?，這是由于上方新建隧道開挖卸荷作用引起的。左右拱腰分別發(fā)生向外側(cè)的水平位移，其值相差不大。

既有隧道二次襯砌混凝土為C40，其抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為21.5 MPa，抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為1.8 MPa。隨著新建隧道開挖，仰拱由受拉轉(zhuǎn)變?yōu)槭軌籂顟B(tài)，這是由上方新建隧道開挖卸荷，致使應(yīng)力發(fā)生變化。拱肩始終受壓，左拱肩壓應(yīng)力大于右拱肩，其主要原因是既有隧道離新建隧道左幅相對(duì)右幅近些，引起應(yīng)力分布不均勻。無論是拉應(yīng)力還是壓應(yīng)力，均未超過二襯混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

右洞上下臺(tái)階開挖先后完成后，最終二次襯砌的位移和應(yīng)力值趨于不變，圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)。

計(jì)算結(jié)果表明，三種不同臺(tái)階長度開挖施工過程中，長臺(tái)階法施工時(shí)對(duì)既有隧道影響最大，短臺(tái)階次之，超短臺(tái)階最小，但三種施工方法對(duì)既有隧道的運(yùn)營安全均不存在不利影響。

5 結(jié)語

通過數(shù)值模擬對(duì)比分析，三種不同臺(tái)階長度的施工方法對(duì)既有隧道的安全運(yùn)營均不產(chǎn)生影響，從工程技術(shù)角度來看，都能滿足規(guī)范和施工技術(shù)要求，綜合考慮施工進(jìn)度、難易程度和施工費(fèi)用等方面的因素，同時(shí)結(jié)合市政工程的實(shí)際情況，為了實(shí)現(xiàn)城市道路隧道及早通行、緩解城市交通壓力，推薦新建隧道采用長臺(tái)階法施工。

在施工過程中，要做好監(jiān)控量測，隨時(shí)掌握圍巖動(dòng)態(tài)，并提前做好預(yù)支護(hù)，采用小導(dǎo)管注漿和管棚等措施[7]，保證圍巖的穩(wěn)定，上下臺(tái)階開挖后及時(shí)噴射混凝土和打設(shè)錨桿，做好初期支護(hù)，按照“少擾動(dòng)，早噴錨，勤量測，緊封閉”的施工原則[8]，做好施工每一環(huán)節(jié)，在新建隧道施工穩(wěn)定的情況下確保既有隧道運(yùn)營安全。

[1]仇文革.地下工程近接施工力學(xué)原理與對(duì)策研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2003.

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[8]關(guān)寶樹.隧道工程施工要點(diǎn)集[M].北京：人民交通出版社，2003.

Numerical Simulation Analysis on Urban Road Tunnel Construction Methods Parallel Crossing Above Existing Tunnel

ZHANG Yue，CAO Wei

(Inner Mongolia University of Science and Technology，Baotou，Inner Mongolia，014010)

An urban road small-interval tunnel is parallel crossing above the existing subway tunnel，the construction drawings show that the construction method of this new tunnel is the upper and lower short-step method.Through finite element analysis software MIDAS/GTS，this article conducted the numerical simulation analysis，compared the impact of new tunnel construction by using the different excavation step length on the deformation and internal forces of existing tunnel，and evaluated the safety of existing tunnel.Simulation analysis results showed that the new tunnel construction can adopt the long step method for the excavation，which can both ensure the safety of existing tunnel and speed up the construction progress.

New tunnel；Existing tunnels；Small-interval tunnel；Numerical simulation；Step method

U

A

10.13282/j.cnki.wccst.2016.10.017

1673-4874(2016)10-0061-05

2016-09-02

張 玥(1968—)，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向：橋梁與隧道工程；

曹 偉(1988—)，碩士研究生，研究方向：橋梁與隧道工程。