不同間距下上跨隧道對既有隧道的影響研究

陳建剛 歐文軍 謝有月 陳 聰

(1.華南理工大學土木與交通學院，廣東 廣州 510630； 2.中鐵十二局第四工程有限公司，陜西 西安 710000)

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不同間距下上跨隧道對既有隧道的影響研究

陳建剛1歐文軍2謝有月1陳 聰1

(1.華南理工大學土木與交通學院，廣東 廣州 510630； 2.中鐵十二局第四工程有限公司，陜西 西安 710000)

運用有限元分析軟件MIDAS/GTS，構(gòu)建了三維有限元數(shù)值模型，計算分析了不同間距條件下上跨新建隧道開挖對既有高鐵隧道變形及受力影響，并探討了兩隧道的合理間距，從而保證隧道施工的順利進行。

上跨隧道，數(shù)值模擬，支護結(jié)構(gòu)，受力分析

由于公路鐵路網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展趨勢越來越明顯，不可避免的出現(xiàn)近距離交疊隧道。交疊隧道的施工會對既有隧道產(chǎn)生有害影響，當兩個隧道的間距越小，交疊程度愈高，施工影響程度就愈大，甚至可能使既有隧道的圍巖、襯砌變形過大導致坍塌等破壞現(xiàn)象[1]。因此，交疊隧道的施工問題顯得尤為重要。

目前，雖然在特定間距下上跨隧道施工對既有隧道變形、受力影響的研究很多，但是，在不同間距下上跨隧道影響的相關(guān)研究不多。因此，有必要圍繞不同間距下上跨隧道施工引起的既有隧道結(jié)構(gòu)變形及受力變化規(guī)律等進行研究。

1 工程概況

該新建隧道全長660 m，左右洞分離。在建隧道上跨既有隧道，新建隧道洞徑15 m，既有隧道洞徑12 m，左線交叉角90°，間距22.5 m。右線交叉角90°，間距22.3 m。

隧址區(qū)地質(zhì)構(gòu)造總體簡單，僅見一條斷層和一條裂隙密集帶與隧道軸線斜交的次級構(gòu)造通過，地殼整體較穩(wěn)定。地下水主要為風化基巖中的裂隙孔隙水及構(gòu)造裂隙水，水量較貧乏，對洞身圍巖及開挖影響較小。

交叉段掌子面主要為微風化凝灰熔巖，圍巖等級為Ⅳ級，采用全斷面開挖施工，進尺為2 m，左線開挖完成后開始右線開挖。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 有限元模型的建立

經(jīng)過理論分析與工程實踐經(jīng)驗可得，隧道開挖后引起的應(yīng)力改變范圍為3倍～5倍隧道直徑。在3倍處，應(yīng)力變化在10%以下，在5倍處，應(yīng)力變化在3%以下。因此，計算邊界可確定為3倍～5倍開挖直徑[2]。綜合考慮隧道斷面大小、間距以及影響范圍和模型計算后，模型尺寸定為100 m×90 m×150 m，如圖1所示。

模型中，圍巖材料的本構(gòu)關(guān)系采用Drucker-Prager，圍巖采用實體單元，襯砌的噴混采用板單元，錨桿采用植入式銜架單元模擬。

2.2 模型參數(shù)的選取

根據(jù)勘察報告與《公路隧道設(shè)計規(guī)范》[3]等相關(guān)文獻，選取圍巖、混凝土、錨桿等材料參數(shù)如表1所示。

表1 物理力學參數(shù)

3 既有隧道變形影響分析

上跨隧道施工過程中需要保證既有隧道變形在控制范圍之內(nèi)，按隧道間距與新建隧道直徑比(H/D)劃分8個計算工況，基準工況為新建隧道洞徑為D，上下交叉隧道間距為H。主要考察在施工過程中既有隧道的最大豎向變形與間距之間的關(guān)系，見圖2。

當兩隧道間距為0.5D時拱頂豎向變形最大，為14.84 mm,小于控制值20 mm[4]，間距越大，豎向變形減小，且當間距大于1.5D時，豎向變形速率衰減變慢。

以拱頂豎向變形為例，考察不同間距下既有隧道拱頂在軸線上的豎向變形，如圖3所示。

在上跨施工中，變形主要為上抬，隨著間距的增大，峰值點逐漸移向既有隧道中心。

新建隧道開挖后圍巖發(fā)生卸荷回彈和應(yīng)力重分布，當間距不大于1.5D時，交叉處地基反力增大使交叉處上抬，交叉處相鄰地基反力減小使隧道下沉，變形在既有隧道軸線上呈駝峰狀，故最大豎向變形出現(xiàn)在兩隧道交叉面處；當間距大于1.5D時，間距的增大使開挖對既有隧道的集中影響減弱，變形表現(xiàn)為在較大范圍的整體上抬，且拱頂最大豎向位移出現(xiàn)在隧道中部。

4 既有隧道支護結(jié)構(gòu)受力分析

4.1 既有隧道支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

1)交叉斷面內(nèi)力分析。隨著新建隧道的開挖，上方臨空面的產(chǎn)生使得周邊圍巖應(yīng)力釋放，既有隧道支護結(jié)構(gòu)受力發(fā)生改變。作為兩隧道交叉部位處下方既有隧道斷面，受新建隧道開挖的影響最大，因此，是對既有隧道力學特性研究的重點。

考慮模型的對稱性，以左交叉面處既有隧道拱頂Y方向(垂直既有隧道軸線方向)附加軸力與附加彎矩為例，如圖4，圖5所示。

新建隧道左線開挖時，左交叉處既有隧道隆起，拱頂附加軸力負向增大，當開挖到交叉處上方時附加軸力增長速率增大，隨開挖直至穩(wěn)定；右線施工對左交叉面影響較小，使左交叉處附加軸力正向增加，總體附加軸力減??；間距越大，附加軸力的峰值越小，且當間距大于1.5倍洞徑時，附加軸力增加的幅度顯著減小。

新建隧道的開挖對既有隧道拱頂附加彎矩的影響同對附加軸力的影響相似，即左線施工對右交叉面影響小，右線施工對左交叉面影響小，且均正向增大；左線施工對左線與右線施工對右線影響大，且均負向增大。在交叉處上方時增長的速率增大，隨著開挖的推進附加彎矩逐漸趨于穩(wěn)定。間距越大，附加彎矩的峰值越小，且當間距大于1.5D時，附加彎矩增加的幅度減小。

2)對稱處斷面內(nèi)力分析。作為新建隧道對稱面處下方既有隧道斷面，該斷面處支護結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，也是上跨隧道中對既有隧道力學特性影響的研究內(nèi)容。對稱面處既有隧道拱頂Y方向附加軸力與附加彎矩如圖6所示。

對稱斷面處受左右線開挖兩次影響，隨著開挖推進內(nèi)力逐漸增大且在開挖到交叉斷面附近時內(nèi)力增大速率驟增，直至穩(wěn)定。間距越大，附加軸力與附加彎矩峰值越小，當間距大于1D時附加軸力與附加彎矩隨間距變化不大。

綜上，由既有隧道典型斷面處內(nèi)力隨開挖的變化規(guī)律可知，當間距大于1.5D時，結(jié)構(gòu)內(nèi)力受不利影響的程度較小，既有隧道結(jié)構(gòu)安全。

4.2 既有隧道支護結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

同上，以左交叉面與對稱斷面處既有隧道結(jié)構(gòu)第一主應(yīng)力為例，如圖7，圖8所示。

可以看出，隨著間距的增加，拱底與拱頂?shù)谝恢鲬?yīng)力緩慢增加，但是拱腳處隨間距的增大而顯著增大，到3.5D附近第一主應(yīng)力達到峰值，嚴重應(yīng)力集中易破壞。

隧道的開挖使圍巖局部區(qū)域的應(yīng)力超過巖體強度，圍巖進入塑性狀態(tài)，隨著間距的增大切向應(yīng)力增大，直至彈塑性區(qū)的交界線處切向應(yīng)力達到最大，隨著往巖體內(nèi)部延伸，圍巖應(yīng)力減小逐漸恢復(fù)到原巖應(yīng)力狀態(tài)。即由既有隧道襯砌主應(yīng)力變化規(guī)律可推導出圍巖塑性區(qū)應(yīng)該在3.5D內(nèi)，當大于3.5D時進入彈性區(qū)。

5 結(jié)語

1)上跨施工時，既有隧道變形主要表現(xiàn)為上抬，隨間距增大而減??；且當間距不大于1.5D時，最大變形發(fā)生在上下隧道交叉面處；當間距大于1.5D時，最大變形發(fā)生在既有隧道中心附近。2)對稱面與交叉面處既有隧道拱頂附加軸力與附加彎矩均隨間距的增大而減小，但對稱面處在大于1D后附加軸力與附加彎矩增加的速率減小，而交叉斷面處在大于1.5D后速率減小。3)圍巖塑性區(qū)在3.5倍新建隧道洞徑，且受力最合理間距為1.5D～3.5D之間。

[1] 陶連金，唐四海，金 亮.隧道上穿已建車站結(jié)構(gòu)的變形預(yù)測及安全評估[J].地下空間與工程學報，2008,4(3):442-447.

[2] Lee K M,Rowe R K.Finite element modeling of the three-dimensional grounded formations due to tunneling in soft cohesive soils:Part I-method of analysis[J].Computers and Geotechnics,1990(10):87-109.

[3] JTG D70—2004，公路隧道設(shè)計規(guī)范[S].

[4] 林志軍.地鐵盾構(gòu)隧道下穿既有高鐵隧道施工影響及控制技術(shù)研究[D].長沙：中南大學,2013：28-33.

On influence of overpass tunnels with various distances on existing tunnels

Chen Jiangang1Ou Wenjun2Xie Youyue1Chen Cong1

(1.CollegeofCivilEngineeringandCommunications,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510630,China; 2.No.4EngineeringCo.,Ltd,ChinaRailway12thBureau,Xi’an710000,China)

The paper adopts MIDAS/GTS, the finite element analysis software, establishes the three-dimension finite element model, calculates and analyzes the excavation of the newly-constructed overpass tunnel with various distances on the deformation and stress of the existing express railway tunnels, and explores the reasonable distance for the two tunnels, so as to ensure the smoothness of the tunnel construction.

overpass tunnel, numeric simulation, support structure, stress analysis

1009-6825(2016)26-0166-03

2016-07-07

陳建剛(1991- )，男，在讀碩士； 謝有月(1991- )，男，在讀碩士； 陳 聰(1990- )，男，在讀碩士

U455

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