既有隧道兩側(cè)新建明、暗洞結(jié)構(gòu)開(kāi)挖力學(xué)行為對(duì)比及開(kāi)挖順序研究

王 寧

(中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司,天津 300142)

1 概述

國(guó)家交通路網(wǎng)不斷發(fā)展，交通網(wǎng)的密集發(fā)展帶來(lái)了大量山嶺隧道近接施工現(xiàn)象，而隧道近接問(wèn)題有著其隱秘性和特殊性的特點(diǎn)，對(duì)隧道近接問(wèn)題研究顯得尤為重要[1-3]。

近年來(lái)，針對(duì)隧道近接施工的研究有很多。仇文革[4]較早對(duì)隧道近接施工進(jìn)行研究，將地下工程力學(xué)分析與基本力學(xué)相結(jié)合，得到理論解析解，對(duì)理論解進(jìn)行分析，認(rèn)為影響具有區(qū)域性；并在研究中得到施工過(guò)程中圍巖應(yīng)力的變化是對(duì)既有隧道產(chǎn)生影響的根本原因。李巖松[5]等采用FLAC3D有限元分析軟件，對(duì)小凈距隧道進(jìn)行模擬分析，通過(guò)分析多種工況下圍巖位移、夾巖應(yīng)力、塑性區(qū)分布，得到隧道近接淺埋式矩形隧道之間的近接效應(yīng)，并據(jù)此確定隧道之間合理凈距。白銘海[6]對(duì)復(fù)雜近接施工條件下力學(xué)行為進(jìn)行研究分析，利用三維仿真模擬圍巖變化，并對(duì)近接施工相關(guān)技術(shù)進(jìn)行分析研究。李畢華[7]對(duì)近接隧道分析研究，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、模型試驗(yàn)以及數(shù)值模擬3個(gè)方面分析，主要對(duì)小凈距隧道的合理施工順序以及施工力學(xué)形態(tài)，并分析了小凈距隧道中施工相互影響問(wèn)題。周斌[8]對(duì)特殊近接工程進(jìn)行研究，研究了上下重疊、重疊過(guò)渡以及水平并行盾構(gòu)隧道，從地表沉降、地層位移以及結(jié)構(gòu)內(nèi)力3個(gè)方面分析，得到不同近接形式的影響分區(qū)，并總結(jié)得到不同開(kāi)挖順序。李文華[9]以長(zhǎng)沙市地鐵2號(hào)線為研究背景，得到了不同開(kāi)挖順序?qū)χ袔r墻力學(xué)性能的影響，并得到最優(yōu)開(kāi)挖順序。梁小勇[10]分析北京地鐵9號(hào)線近接鐵路橋梁，從地層塑性區(qū)分布、既有結(jié)構(gòu)位移場(chǎng)、地層位移場(chǎng)3個(gè)方面，分析研究了卵石地層地鐵隧道近接施工位移特征，并為施工提供參考價(jià)值。程剛[11]結(jié)合實(shí)際工程，利用數(shù)值模擬方法，分析了新建隧道對(duì)既有隧道的影響，并根據(jù)研究結(jié)果相應(yīng)提出既有隧道、新建隧道具體處治措施，以確保施工安全。

本文以浦梅鐵路既有隧道兩側(cè)新建近接隧道為研究背景，利用Midas GTS有限差分軟件，對(duì)比分析在淺埋偏壓條件下，兩側(cè)新建不同結(jié)構(gòu)物形式(明洞以及暗洞形式)下隧道施工力學(xué)行為，并得到合理施工順序。

2 工程概況

浦梅鐵路近接工程為水平近接類型，新建隧道(浦梅鐵路武調(diào)隧道、武調(diào)1號(hào)隧道)設(shè)計(jì)時(shí)速160 km，為單線鐵路隧道。既有隧道(向莆鐵路武調(diào)隧道)為設(shè)計(jì)速度目標(biāo)值200 km/h的鐵路隧道。新建兩隧道位于既有隧道左右側(cè)，洞口處相距較近，隨之間距增大，呈喇叭狀輻射，左側(cè)新建結(jié)構(gòu)物與既有結(jié)構(gòu)物夾角約為12°，右側(cè)新建隧道與既有結(jié)構(gòu)物夾角約為15°。同時(shí)地形偏壓大，新建隧道埋深很淺，地質(zhì)條件差，且在既有隧道施工過(guò)程中，巖層已經(jīng)受到擾動(dòng)。

洞口位置處，左側(cè)埋深較淺，且距離較小，從安全方面考慮，左側(cè)隧道的洞口段采用明洞結(jié)構(gòu)形式，隨里程增大，轉(zhuǎn)變?yōu)榘刀唇Y(jié)構(gòu)形式。右側(cè)新建隧道從進(jìn)口里程到出口里程整體上均為暗洞結(jié)構(gòu)形式。

3 有限元模型

設(shè)計(jì)資料提及左側(cè)隧道洞口段采用明洞結(jié)構(gòu)形式，隨里程轉(zhuǎn)變?yōu)榘刀葱问?，右?cè)隧道采用暗洞結(jié)構(gòu)形式。為更好研究不同結(jié)構(gòu)形式帶來(lái)的影響，同時(shí)從建模方面考慮，建立2個(gè)模型，分別為淺埋偏壓兩側(cè)暗洞(模型1)以及淺埋偏壓明暗結(jié)合(模型2)兩種模型。不同模型包括2種工況，工況1表示先開(kāi)挖左側(cè)結(jié)構(gòu)物再開(kāi)挖右側(cè)結(jié)構(gòu)物；工況2表示先開(kāi)挖右側(cè)結(jié)構(gòu)物再開(kāi)挖左側(cè)結(jié)構(gòu)物。

淺埋偏壓兩側(cè)暗洞(模型1)分8階段模擬施工，1～8階段分別表示初始地應(yīng)力階段、既有隧道修建、左側(cè)隧道上臺(tái)階、單側(cè)隧道下臺(tái)階、單側(cè)隧道二襯、對(duì)側(cè)隧道上臺(tái)階、對(duì)側(cè)隧道下臺(tái)階、對(duì)側(cè)隧道二襯。

淺埋偏壓明暗結(jié)合(模型2)分6階段模擬施工，1～6階段分別表示初始地應(yīng)力階段、既有隧道修建、左側(cè)明洞(右側(cè)隧道上臺(tái)階)、右側(cè)隧道上臺(tái)階(右側(cè)隧道下臺(tái)階)、右側(cè)隧道下臺(tái)階(右側(cè)隧道二襯)、右側(cè)隧道二襯(左側(cè)明洞)。

3.1 計(jì)算假定

鑒于實(shí)際近接工程的地形地質(zhì)情況的復(fù)雜性以及仿真模擬軟件的限制，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際近接情況進(jìn)行全面、細(xì)致、真實(shí)的模擬難度較大，因此，在數(shù)值模擬方面進(jìn)行了部分假設(shè)和簡(jiǎn)化。

(1)計(jì)算模型中，本構(gòu)關(guān)系確定時(shí)，圍巖本構(gòu)關(guān)系采用Mohr-Coulomb本構(gòu)，支護(hù)結(jié)構(gòu)則采用彈性本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行模擬。同時(shí)，計(jì)算過(guò)程中，假定圍巖以及襯砌等結(jié)構(gòu)體為均質(zhì)、連續(xù)的理想體。

(2)山體為偏壓山體，模型建立過(guò)程中，取其平均坡度進(jìn)行建模，平均坡度約為15°。

(3)巖土初始地應(yīng)力平衡僅考慮自重應(yīng)力，對(duì)地下水滲流作用不進(jìn)行考慮。

(4)初始地應(yīng)力平衡后，既有隧道模型一次挖通，并對(duì)模型位移清零[12]。

3.2 模型建立

采用大型有限元軟件Midas GTS進(jìn)行數(shù)值模擬分析，模型圍巖級(jí)別為V級(jí)，在依托工程地質(zhì)勘察資料的基礎(chǔ)上，結(jié)合《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[13]及其他相關(guān)資料[14]，各部分具體物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 巖土層計(jì)算參數(shù)

模型尺寸主要依靠圣維南原理開(kāi)挖影響范圍[15]，同時(shí)結(jié)合實(shí)際情況確定。最終確定模型橫向左側(cè)范圍依據(jù)實(shí)際情況取值，右側(cè)范圍則取4倍洞徑作為計(jì)算范圍，底部邊界取3倍洞徑。左右隧道呈一定角度遠(yuǎn)離既有隧道，左側(cè)結(jié)構(gòu)物偏轉(zhuǎn)角度為12°，右側(cè)結(jié)構(gòu)物偏轉(zhuǎn)角度為15°。模型中兩隧道最近距離為5 m，最遠(yuǎn)距離為50 m，新建隧道直徑為8.34 m，研究范圍滿足最大開(kāi)挖直徑5D的要求。模型底部豎直約束，左右邊界水平約束，頂部為自由邊界。圍巖及初期支護(hù)采用實(shí)體單元模擬，二次襯砌則采用板單元模擬，計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 計(jì)算模型(單位：m)

4 計(jì)算結(jié)果分析

近接施工研究主體主要有3個(gè)方面，分別為既有結(jié)構(gòu)物、新建結(jié)構(gòu)物以及周邊圍巖。結(jié)合實(shí)際工程，確定兩個(gè)主要研究對(duì)象，即研究既有結(jié)構(gòu)物以及周邊圍巖變化情況，分析變化趨勢(shì)并且從變化趨勢(shì)中找到兩側(cè)新建結(jié)構(gòu)物同時(shí)近接既有結(jié)構(gòu)物的合理施工順序。

4.1 圍巖應(yīng)力分析

根據(jù)相關(guān)資料，有針對(duì)性地對(duì)3個(gè)圍巖應(yīng)力特征點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，分別為既有隧道拱頂位置處圍巖應(yīng)力、既有隧道與新建結(jié)構(gòu)物之間受擾動(dòng)土體處的圍巖應(yīng)力，具體圍巖應(yīng)力關(guān)鍵點(diǎn)示意如圖2所示。最終提取不同模型下圍巖應(yīng)力變化如表2、表3所示。變化趨勢(shì)如圖3、圖4所示。

圖2 圍巖應(yīng)力關(guān)鍵點(diǎn)

kPa

表3 模型2圍巖應(yīng)力 kPa

圖3 模型1圍巖應(yīng)力變化

圖4 模型2圍巖應(yīng)力變化

對(duì)比分析工況1、工況2分別在開(kāi)挖左右側(cè)結(jié)構(gòu)物時(shí)引起不同圍巖應(yīng)力變化特征，得到以下結(jié)果：

(1)新建結(jié)構(gòu)物左側(cè)開(kāi)挖完成后，以工況1為例，①既有隧道拱頂處應(yīng)力：模型1、模型2圍巖應(yīng)力分別增加了4%、減小了47.7%。②既有隧道左側(cè)圍巖應(yīng)力：模型1、模型2圍巖應(yīng)力分別減小了25.4%、46.8%。③既有隧道右側(cè)圍巖應(yīng)力：模型1、模型2圍巖應(yīng)力值變化幅度分別為0.6%、5%。④模型2左側(cè)結(jié)構(gòu)物開(kāi)挖引起圍巖應(yīng)力變化幅度為模型1變化幅度的11.85倍(拱頂)、1.84倍(既有結(jié)構(gòu)物左側(cè))、8.33倍(既有結(jié)構(gòu)物右側(cè))。即左側(cè)明洞結(jié)構(gòu)物開(kāi)挖帶來(lái)的影響遠(yuǎn)大于暗洞結(jié)構(gòu)物開(kāi)挖帶來(lái)的影響，這主要是由于明洞結(jié)構(gòu)開(kāi)挖對(duì)土體擾動(dòng)較大，會(huì)使土體產(chǎn)生較多凌空面，導(dǎo)致土體產(chǎn)生向開(kāi)挖面處移動(dòng)，圍巖由于開(kāi)挖卸荷作用，產(chǎn)生應(yīng)力松弛現(xiàn)象，導(dǎo)致圍巖應(yīng)力減小。

(2)新建隧道右側(cè)開(kāi)挖完成后，以工況2為例，①既有隧道拱頂處應(yīng)力：模型1、模型2圍巖應(yīng)力分別減小了0.9%、0.6%；②既有隧道左側(cè)圍巖應(yīng)力：模型1、模型2變化幅度分別為0.25%、0.4%。③既有隧道右側(cè)圍巖應(yīng)力：模型1、模型2圍巖應(yīng)力分別減小了3.6%、2.9%。④右側(cè)結(jié)構(gòu)物開(kāi)挖對(duì)關(guān)鍵點(diǎn)處圍巖應(yīng)力變化趨勢(shì)和幅度相似，這主要是由于右側(cè)結(jié)構(gòu)物均為暗洞形式。對(duì)比分析折線圖，可以看到左側(cè)土體變化綜合斜率遠(yuǎn)大于右側(cè)土體，可得到淺埋側(cè)土體圍巖應(yīng)力敏感性遠(yuǎn)大于深埋側(cè)土體敏感性。

(3)土體最終狀態(tài)：①模型1情況下工況2方案各關(guān)鍵點(diǎn)圍巖應(yīng)力均小于工況1方案圍巖應(yīng)力，同時(shí)依據(jù)折線圖和應(yīng)力表，左側(cè)隧道開(kāi)挖對(duì)右側(cè)土體影響幅度為0.52%，右側(cè)隧道開(kāi)挖對(duì)左側(cè)土體影響幅度為2.32%，可以看到整體上右側(cè)隧道開(kāi)挖對(duì)對(duì)側(cè)土體的影響程度小于左側(cè)隧道開(kāi)挖對(duì)對(duì)側(cè)土體開(kāi)挖的影響幅度，建議先開(kāi)挖右側(cè)隧道，即采用工況2進(jìn)行開(kāi)挖。②模型2情況下工況1方案各關(guān)鍵點(diǎn)圍巖應(yīng)力均小于工況2方案圍巖應(yīng)力，同時(shí)依據(jù)折線圖和應(yīng)力表，左側(cè)隧道開(kāi)挖對(duì)右側(cè)土體影響幅度為4.36%，右側(cè)隧道開(kāi)挖對(duì)左側(cè)土體影響幅度為1.38%?？梢钥吹秸w上右側(cè)隧道開(kāi)挖對(duì)對(duì)側(cè)土體的影響程度大于左側(cè)明洞開(kāi)挖對(duì)對(duì)側(cè)土體開(kāi)挖的影響幅度，建議先開(kāi)挖明洞，即采用工況1進(jìn)行開(kāi)挖。

4.2 既有結(jié)構(gòu)位移分析

本節(jié)主要對(duì)既有結(jié)構(gòu)物拱頂沉降以及既有結(jié)構(gòu)物左右拱腰處橫向位移進(jìn)行分析，分析左右側(cè)結(jié)構(gòu)物開(kāi)挖對(duì)既有結(jié)構(gòu)物位移的影響，提取既有結(jié)構(gòu)物位移結(jié)果如表4和表5所示。

表4 模型1既有結(jié)構(gòu)位移 mm

表5 模型2既有結(jié)構(gòu)位移 mm

分析表4、表5，可以得到以下結(jié)論。

(1)新建結(jié)構(gòu)物左側(cè)開(kāi)挖完成后，部分土體會(huì)向左側(cè)移動(dòng)，既有隧道襯砌變形與土體移動(dòng)方向一致，整體均向開(kāi)挖側(cè)移動(dòng)。以工況1方案為例，①模型1、模型2均襯砌右側(cè)橫向位移最小，隧道襯砌左側(cè)橫向位移最大。②模型1、模型2拱頂沉降分別為0.35、0.78 mm。③模型2引起既有結(jié)構(gòu)位移為模型1引起位移的3.59倍(襯砌右側(cè))、1.76倍(襯砌左側(cè))、2.23倍(拱頂)，可以看到明洞結(jié)構(gòu)物開(kāi)挖對(duì)既有結(jié)構(gòu)物影響大于暗洞結(jié)構(gòu)物開(kāi)挖帶來(lái)的影響。同時(shí)，拱頂沉降與水平收斂數(shù)值大小對(duì)比，可以看到兩側(cè)新建結(jié)構(gòu)物對(duì)既有結(jié)構(gòu)物位移影響均位于水平向，豎直向影響較小。

(2)新建隧道右側(cè)開(kāi)挖完成后，與左側(cè)隧道修建變化趨勢(shì)相同，整體均向開(kāi)挖側(cè)移動(dòng)。以工況2方案為例，①模型1、模型2襯砌左側(cè)橫向位移最小，而隧道襯砌右側(cè)橫向位移最大。②模型1、模型2拱頂沉降不足0.3 mm。③對(duì)比右側(cè)結(jié)構(gòu)物開(kāi)挖引起位移變化，可以看到兩側(cè)結(jié)構(gòu)物差異性很小。

(3)對(duì)比分析幾種工況下橫向位移，各側(cè)隧道開(kāi)挖完成后，襯砌結(jié)構(gòu)均會(huì)向開(kāi)挖側(cè)整體偏移，但最終狀態(tài)均是襯砌結(jié)構(gòu)發(fā)生整體向左側(cè)橫向位移。

(4)分析拱頂沉降及周邊收斂最終狀態(tài)，模型1時(shí)，工況2方案既有結(jié)構(gòu)物變形值均略小于工況1方案，模型2時(shí)，工況1方案各項(xiàng)結(jié)果變形值小于工況2方案。因此，從最終變形大小方面考慮，建議模型1采用工況2方案開(kāi)挖，模型2采用工況1方案開(kāi)挖。

5 結(jié)論

以浦梅鐵路近接工程為研究對(duì)象，針對(duì)實(shí)際近接項(xiàng)目進(jìn)行延伸，分析了淺埋偏壓情況下既有隧道兩側(cè)新建不同結(jié)構(gòu)物形式下的施工力學(xué)行為，并對(duì)不同工況下確定合理施工順序，得到如下結(jié)論。

(1)圍巖應(yīng)力：從圍巖應(yīng)力變化幅度來(lái)看，明洞結(jié)構(gòu)物開(kāi)挖對(duì)圍巖應(yīng)力影響大于暗洞結(jié)構(gòu)物開(kāi)挖所帶來(lái)的影響；淺埋側(cè)土體敏感性遠(yuǎn)大于深埋側(cè)土體圍巖應(yīng)力敏感性。

(2)既有結(jié)構(gòu)位移：對(duì)于淺埋偏壓隧道兩側(cè)新建既有結(jié)構(gòu)，開(kāi)挖會(huì)使既有結(jié)構(gòu)產(chǎn)生向開(kāi)挖側(cè)位移變形，但最終狀態(tài)時(shí)，既有結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生向淺埋側(cè)位移；水平近接條件下，對(duì)既有結(jié)構(gòu)物影響最大的為水平方向位移，豎向位移(拱頂沉降)基本無(wú)影響。

(3)合理開(kāi)挖順序：由圍巖應(yīng)力以及位移變化分析，可以得到模型1(淺埋偏壓-兩側(cè)暗洞結(jié)構(gòu)形式)采用工況2(先開(kāi)挖深埋側(cè)再開(kāi)挖淺埋側(cè))進(jìn)行開(kāi)挖；模型2(淺埋偏壓-明暗結(jié)合結(jié)構(gòu)形式)采用工況1(先開(kāi)挖淺埋側(cè)明洞再開(kāi)挖深埋側(cè)暗洞)進(jìn)行開(kāi)挖。