某近接運(yùn)營(yíng)地鐵隧道的盾構(gòu)隧道開挖穩(wěn)定性分析

代 勇

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100000)

[定稿日期]2018-01-02

地下工程對(duì)開挖比較敏感,易受擾動(dòng)。當(dāng)相鄰隧道比較接近時(shí),如果不采取專門對(duì)策,則新建隧道的施工將會(huì)對(duì)既有隧道產(chǎn)生不利影響。如承載能力下降、甚至破壞變形過大以至于侵入凈空不均勻沉降造成相鄰隧道破損或不能正常使用等。以往對(duì)于此問題的研究相對(duì)單一,研究得還不夠充分和深入,對(duì)于現(xiàn)在出現(xiàn)的新型問題還無法解決,設(shè)計(jì)和施工還無規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)可循,對(duì)各類近接施工的力學(xué)機(jī)理還沒有系統(tǒng)的闡述。因此,目前遇到這類工程的處理結(jié)果是要么采取過于保守的對(duì)策,造成很大的浪費(fèi),要么采取過于冒險(xiǎn)或盲目的對(duì)策,造成安全問題。因此,對(duì)相鄰隧道的近接施工問題的研究顯得尤為重要。

本文以某在建地鐵隧道作為工程依托，對(duì)近接問題進(jìn)行相關(guān)的探討和分析。

1 工程概況

某軌道交通線工程，下穿既有線路盾構(gòu)隧道。新建隧道與既有隧道位置分布如圖1、圖2所示，根據(jù)地質(zhì)條件和線路埋設(shè)深度采用盾構(gòu)法施工。隧道主要穿越強(qiáng)風(fēng)化砂巖。兩條線路的隧道埋深分別為12.25m和22.50m。

圖1 新建隧道與既有軌道線位置示意

圖2 兩近接隧道關(guān)系

2 分析方法原理

強(qiáng)度折減法是通過對(duì)圍巖的剪切強(qiáng)度代表值進(jìn)行不斷的折減直至圍巖達(dá)到極限破壞狀態(tài)為止。下面以服從摩爾—庫(kù)侖準(zhǔn)則的材料為例來闡述強(qiáng)度折減法的基本原理。

令w為強(qiáng)度安全系數(shù)，折減后的圍巖強(qiáng)度可以表示如下：

根據(jù)以上的式子可以得出：

式中：c、c′分別為初始粘聚力和極限粘聚力；φ、φ′分別為初始內(nèi)摩擦角和極限內(nèi)摩擦角修正值。

強(qiáng)度折減法的主要優(yōu)點(diǎn)有:(1)不需要假定破壞面；(2)通過分析可以比較直觀地反映圍巖的實(shí)際破壞面。

3 數(shù)值計(jì)算

3.1 計(jì)算模型

計(jì)算采用平面應(yīng)變計(jì)算模型(圖3)。其中計(jì)算模型橫向取84m(左邊界距新建隧道左線30m、右邊界距既有隧道右線30m)，豎向取隧道下方25m，隧道上方取20m，縱向拉伸40m。到下土體依次為人工填土、強(qiáng)風(fēng)化砂巖。采用實(shí)體單元，一共建立了102 640個(gè)單元來進(jìn)行數(shù)值模擬。模型服從摩爾-庫(kù)倫屈服準(zhǔn)則。應(yīng)力場(chǎng)按自重應(yīng)力場(chǎng)考慮。

圖3 計(jì)算模型

3.2 計(jì)算參數(shù)

結(jié)合地勘資料、《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》和相關(guān)文獻(xiàn)，進(jìn)行圍巖、初支、二襯等的物理力學(xué)參數(shù)選取，具體如表1所示。

表1 圍巖、鐵軌和道床物理力學(xué)參數(shù)

3.3 整體穩(wěn)定性分析

分別對(duì)只開挖既有軌道線、只開挖既有軌道線+新建左線隧道、只開挖既有軌道線+新建左線隧道+上管片、只開挖既有軌道線+新建左、右隧道等五種情況進(jìn)行分析考慮。通過對(duì)其達(dá)到極限狀態(tài)下的等效塑性應(yīng)變和特征點(diǎn)位移突變來進(jìn)行綜合分析。

(1)既有運(yùn)營(yíng)線路開挖穩(wěn)定性分析。數(shù)值模擬既有軌道線全斷面開挖且無支護(hù)條件下，隧道豎向(z方向)位移如圖4所示。通過強(qiáng)度折減得到的拱頂?shù)乇砦灰婆c折減系數(shù)的關(guān)系曲線圖5可知，既有軌道線隧道開挖完后的整體安全系數(shù)為1.79，處于安全狀態(tài)，地表最大沉降、拱頂最大沉降分別為1.03mm、2.61m。同時(shí)得到等效塑性應(yīng)變?cè)茍D如圖6、圖7所示。由圖6可知，在K=1.89的情況下，既有軌道左、右線均形成了剪切滑移面，此時(shí)等效塑性應(yīng)變從隧道拱頂?shù)降乇碡炌?。同時(shí)當(dāng)折減系數(shù)K=1.79時(shí)。位移發(fā)生突變，由此可知開挖既有軌道線的安全系數(shù)為1.79。

圖4 右線開挖的豎向位移云圖

圖5 拱頂沉降與折減系數(shù)關(guān)系曲線

K=1.79

K=1.89圖6 等效塑性應(yīng)變?cè)茍D

(2)新建隧道開挖工序分析。先開挖左線再開挖右線。在既有軌道線施作完成后，新建隧道進(jìn)行施工。數(shù)值模擬求得，通過對(duì)同時(shí)開挖左右線隧道和先開挖左線再開挖右線隧道進(jìn)行數(shù)值模擬，得到隧道豎向(z方向)位移如圖7～圖9所示。

圖7 新建隧道只開挖左線的豎向位移云圖

圖8 左線施作完成開挖右線的豎向位移云圖

圖9 右線開挖的豎向位移云圖

通過對(duì)地表布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，得到在這兩種開挖順序下地表沉降如表2所示。

表2 隧道拱頂?shù)乇沓两祬R總 mm

由表2可知，只開挖左線、開挖左線完成，施作右線、同時(shí)開挖左右線的拱頂?shù)乇砦灰凭幱诳刂茦?biāo)準(zhǔn)以內(nèi)，開挖左線完成，施作右線和同時(shí)開挖左右線的拱頂?shù)乇沓两挡钪祪H為0.1mm，為了加快施工建議左右線同時(shí)開挖。

開挖完成后施做支護(hù)結(jié)構(gòu)如圖10所示，通過分析可知，在施作支護(hù)結(jié)構(gòu)以后，支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移很小，所受的最大彎矩都很小，說明結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。

圖10 右線開挖的豎向位移云圖

(3)開挖新建隧道穩(wěn)定性分析。數(shù)值模擬既有軌道線開挖完成，新建隧道全斷面開挖且無支護(hù)條件下通過強(qiáng)度折減得到的拱頂?shù)乇砦灰婆c折減系數(shù)的關(guān)系曲線圖11可知，既有軌道線隧道開挖完后的整體安全系數(shù)為1.41，處于安全狀態(tài)，地表最大沉降、拱頂最大沉降分別為3.73mm、 5.91mm。由等效塑性應(yīng)變?cè)茍D12可知，在K=1.55的情況下，既有軌道右線形成了剪切滑移面，此時(shí)等效塑性應(yīng)變從隧道拱頂?shù)降乇碡炌?。同時(shí)新建隧道左線的等效塑性應(yīng)變逐漸向地表發(fā)展。同時(shí)當(dāng)折減系數(shù)K=1.41時(shí)。位移發(fā)生突變。

圖11 隧道拱頂沉降與折減系數(shù)關(guān)系曲線

K=1.41

K=1.55圖12 等效塑性應(yīng)變?cè)茍D

通過對(duì)三種工況計(jì)算進(jìn)行匯總得到地表沉降、拱頂沉降、安全系數(shù)如表3所示。

4 結(jié)論

通過數(shù)值計(jì)算，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行匯總，得到以下結(jié)論：

(1)開挖既有軌道交通線、開挖新建左線、開挖新建左線+右線的安全系數(shù)均大于1，滿足規(guī)范要求。

(2)只開挖左線、開挖左線完成，施作右線、同時(shí)開挖左右線的拱頂?shù)乇砦灰凭幱诳刂茦?biāo)準(zhǔn)以內(nèi)，開挖左線完成，施作右線和同時(shí)開挖左右線的拱頂?shù)乇沓两挡钪祪H為0.1mm，為了加快施工建議左右線同時(shí)開挖。

表3 地表沉降、拱頂沉降、安全系數(shù)匯總表 mm

(3)在施工期，建議對(duì)近接所在區(qū)間隧道施工影響范圍進(jìn)行實(shí)時(shí)、自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，以便時(shí)刻掌握其是否受影響及其受影響程度，從而確保既有軌道交通線的運(yùn)營(yíng)安全。

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