既有隧道上方挖方承載拱效應(yīng)模型試驗研究

龔 倫，馬相峰，敖維林，梁振寧，章慧健，仇文革，王希元

(1.西南交通大學(xué) 交通隧道工程教育部重點實驗室，四川 成都 610031；2.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 成都 610031)

隨著鐵路建設(shè)規(guī)模的不斷擴大，既有隧道的上跨和下穿近接工程越來越多[1-7]。在隧道近接施工中，新建工程對既有隧道的影響可以通過承載拱的范圍進行界定。目前關(guān)于隧道近接施工的影響范圍主要基于承載拱效應(yīng)得出[9-11]。仇文革[12]基于隧道開挖后應(yīng)力重分布的范圍提出了地下工程近接施工的分區(qū)、分區(qū)指標表達式、近接度與對策等級概念以及分區(qū)、分度準則。張自光等[13]通過青島地鐵M3號線區(qū)間隧道工程實踐，驗證了巖質(zhì)地層地鐵隧道近接建筑工程影響分區(qū)的劃分符合工程實際情況。胡海英等[14]認為基坑開挖期間對于隧道不一定是卸載影響，有時也會增加隧道圍壓，這與基坑開挖深度以及隧道與基坑的位置關(guān)系有關(guān)，也與基坑支護結(jié)構(gòu)施工方法有關(guān)。張玉成等[15]認為基坑開挖對開挖面以下土體具有顯著的垂直方向卸荷作用，不可避免地引起坑底土體發(fā)生變位，帶動土體中的隧道產(chǎn)生位移。趙旭峰等[16-17]提出新建盾構(gòu)隧道的施工對于既有運營地鐵隧道有一定的影響，但只要嚴格進行盾構(gòu)施工參數(shù)的控制，并加強對新建和既有隧道的現(xiàn)場監(jiān)測，可將新建盾構(gòu)隧道對既有隧道的影響程度降到最小?？梢园l(fā)現(xiàn)這些研究主要是針對某一工程的應(yīng)用，并未展開隧道上方挖方對隧道承載拱效應(yīng)影響的研究。

本文通過室內(nèi)模型試驗，采用在既有隧道上方挖方的方式，考察挖方過程中既有隧道圍巖壓力、襯砌變形和結(jié)構(gòu)內(nèi)力的變化規(guī)律，以反映對承載拱的影響。研究結(jié)果可為評估隧道在近接施工時的安全性提供參考依據(jù)。

1 承載拱

在隧道開挖后，圍巖的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生重分布，徑向應(yīng)力降低，切向應(yīng)力升高。一般來說，若圍巖性質(zhì)差時，從開挖面到巖體內(nèi)部形成松動區(qū)(塑性軟化區(qū))、塑性強化區(qū)和彈性區(qū)。與開挖前的應(yīng)力相比，塑性強化區(qū)的應(yīng)力會高于初始應(yīng)力，則塑性強化區(qū)與彈性區(qū)中高于初始應(yīng)力的區(qū)域合稱為隧道承載拱[8]。在隧道修建完成后，隨著時間的推移，圍巖會發(fā)生微弱變形而產(chǎn)生程度極小的應(yīng)力釋放，且在一段時間后趨于穩(wěn)定，處于深埋條件下的既有隧道承載拱真實存在并將趨于穩(wěn)定。

隨著既有隧道上方巖土體的不斷挖方，挖方面會逐漸接近并侵入承載拱，進而破壞承載拱。承載拱受到擾動及破壞的過程，必然導(dǎo)致既有隧道圍巖壓力的改變，從而引起既有隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生位移和內(nèi)力變化。故本文通過考察挖方后不同覆跨比(覆跨比=隧道埋深H/隧道跨度D)時既有隧道圍巖壓力、位移和內(nèi)力的變化來對承載拱范圍及其變化規(guī)律進行探討。

2 試驗方案

2.1 模型相似比

(1)

2.2 試驗?zāi)Ｐ?/h3>

2.2.1 模型箱

地鐵隧道大多數(shù)是直徑為5.6 m的圓形隧道，試驗中以此隧道作為原型隧道設(shè)計模型。由幾何相似比得出模型襯砌尺寸直徑為160 mm。隧道開挖影響范圍約為隧道洞徑的3～5倍，故試驗?zāi)Ｐ拖涞拈L×寬×高為1 600 mm×500 mm×1 600 mm，如圖1所示。

圖1 模型箱(單位：cm)

模型箱正面設(shè)置800 mm×800 mm的鏤空區(qū)域，用2 mm厚的鋼化玻璃替換該處鋼板，用于進行隧道開挖、襯砌安裝等試驗操作和觀察隧道周圍土體的變化。為了滿足平面應(yīng)變條件，前、后板外側(cè)采用肋板加固以提高其剛性，并在邊界上設(shè)置雙層塑料膜以改善邊界條件。

2.2.2 圍巖

隧道圍巖取Ⅴ級和Ⅵ級2種圍巖，提取鄭西高鐵閿鄉(xiāng)隧道上方施工現(xiàn)場中的原狀沙質(zhì)黃土，將其與石英砂配制，得到這2種基本的圍巖材料，通過剪切試驗和三軸試驗測試得到其參數(shù)見表1。

表1 圍巖的物理力學(xué)參數(shù)

2.2.3 隧道襯砌模型

一般情況下，鐵路隧道襯砌厚度為250～450 mm，根據(jù)幾何相似比，模型中襯砌厚度應(yīng)為7.1～12.9 mm。若采用原型的混凝土材料，會因為結(jié)構(gòu)過薄而難以滿足要求。故試驗中以材料抗彎剛度為控制指標對相似條件放寬，即模型襯砌的抗彎能力應(yīng)與原型隧道滿足相似關(guān)系。

同時，為了在模型試驗中更好地考察隧道健全度對承載拱效應(yīng)的影響，采用剛度相差較大的2種材料作為襯砌材料?；谙嗨票葥Q算結(jié)果和實際情況，決定選用Φ160 mm×2 mm鋼圓管作剛性支護，模擬隧道健全度較好的情況；選用Φ160 mm×2.8 mm硬聚氯乙烯(PVC)圓管作柔性支護，模擬隧道健全度較差的情況，如圖2所示。試驗中2種襯砌材料的物理力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 隧道襯砌力學(xué)參數(shù)

圖2 隧道模型圖

2.2.4 試驗工況及步驟

試驗工況取4種，見表3。將模型箱用土體裝填完畢，進行隧道毛洞開挖，立即放置隧道模型，然后靜置24 h，以保證應(yīng)力重分布。根據(jù)試驗?zāi)Ｐ拖?最大埋深610 mm)及隧道模型的尺寸(直徑160 mm)選取初始覆跨比為3.8。試驗時每次挖方深度為50 mm，等待30 min后采集并記錄試驗數(shù)據(jù)，然后再進行下一層的挖方和記錄，重復(fù)此過程直至挖方到隧道頂部。

表3 模型試驗工況

2.3 考察參數(shù)及測點布置

2.3.1 結(jié)構(gòu)位移

在隧道模型正中橫斷面拱頂和右邊墻位置處各布置1個數(shù)字千分表，測試試驗過程中隧道結(jié)構(gòu)的位移隨隧道上方挖方的變化。為了確保測試精度及準確性，試驗中要盡量避免對數(shù)字千分表的擾動。

2.3.2 結(jié)構(gòu)應(yīng)變

在隧道結(jié)構(gòu)上粘貼應(yīng)變片采集試驗過程中結(jié)構(gòu)的應(yīng)變。測試斷面共選取3個，其中1個斷面位于模型正中位置，另外2個斷面分別距模型正中各200 mm處；在每個斷面上選取拱頂、拱腰、拱底等處的8個測點，在每個測點處的隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)、外兩側(cè)各粘貼1組應(yīng)變片；橫斷面位置及其斷面內(nèi)測點布置位置如圖3所示。

圖3 結(jié)構(gòu)應(yīng)變測點布置位置

2.3.3 圍巖壓力

在襯砌周圍布置微型土壓力盒采集試驗過程中圍巖壓力。測試斷面位于正中位置，在斷面上測點與結(jié)構(gòu)應(yīng)變外側(cè)測點布置相同，在每個測點處布置1個壓力盒(應(yīng)避免與同位置應(yīng)變片重疊)，橫斷面及其斷面內(nèi)測點布置位置如圖4所示。

圖4 圍巖壓力測點布置位置

3 試驗結(jié)果

3.1 結(jié)構(gòu)位移

3.1.1 位移

隨著隧道上方土體的挖方，不同工況下結(jié)構(gòu)位移隨覆跨比的變化曲線如圖5所示，圖中位移向洞內(nèi)方向為負、向洞外方向為正。

圖5 拱頂和邊墻處結(jié)構(gòu)位移隨覆跨比變化曲線

由圖5中曲線的總體變化規(guī)律可知：拱頂產(chǎn)生向上的位移，這是因為隧道上方挖方頂部卸載，同時隧道作為一個整體，結(jié)構(gòu)發(fā)生協(xié)調(diào)變形，使邊墻向隧道內(nèi)位移；拱頂位移大于邊墻位移，這是因為在自重場下豎向荷載減小的程度大于水平荷載，由此可知拱頂受影響大于其他部位；隧道上方土體剛開挖時隧道結(jié)構(gòu)未立即發(fā)生變形，在覆跨比從3.8減小到2.5時才開始發(fā)生變形，當覆跨比小于1.4后進入加速變形階段。根據(jù)位移變化快慢可將整個試驗過程的結(jié)構(gòu)位移變形曲線分為3個階段，對應(yīng)地可將上方土體挖方對既有隧道的影響也分為3個階段，即無影響階段(覆跨比大于2.5)、弱影響階段(覆跨比處于2.5～1.4)、強影響階段(覆跨比小于1.4)。

3.1.2 位移增量

為了更清楚地了解結(jié)構(gòu)位移變化快慢，選取受影響較大的拱頂處，計算相鄰2層挖方的位移之差作為位移增量，得到2種隧道模型在不同圍巖級別下拱頂位移增量隨覆跨比的變化曲線，如圖6所示。

由圖6可知：對于鋼管模型，Ⅴ和Ⅵ級圍巖的結(jié)構(gòu)位移增量開始變化點在覆跨比為3.4和3.2時，加速變化點在覆跨比為1.5和1.9時；對于PVC管模型，Ⅴ和Ⅵ級圍巖的結(jié)構(gòu)位移增量開始變化點在覆跨比為3.2和2.8時，加速變化點在覆跨比為1.9和2.2時。

圖6 鋼管和PVC管拱頂位移增量隨覆跨比變化曲線

隧道結(jié)構(gòu)和圍巖共同承載荷載，且在形變壓力作用下按剛度分配，當承載拱隨挖方遭到破壞會引起圍巖自承能力下降，使隧道結(jié)構(gòu)承受更大的壓力，因此結(jié)構(gòu)產(chǎn)生更大的位移，故而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)位移加速變化；在相同的襯砌剛度時，圍巖級別越好，結(jié)構(gòu)位移加速變化越晚，即承載拱效應(yīng)隨圍巖級別的差異而不同，圍巖級別越好，形成的承載拱范圍越??；在圍巖級別相同時，襯砌剛度小的結(jié)構(gòu)(PVC管模型)比襯砌剛度大的結(jié)構(gòu)(鋼管模型)位移加速變化更早，即承載拱效應(yīng)隨襯砌剛度而差異，剛度越大，形成的承載拱范圍越小。

3.2 結(jié)構(gòu)內(nèi)力

為了減小邊界效應(yīng)的影響，選取隧道模型中間截面的結(jié)構(gòu)內(nèi)力進行分析。

3.2.1 彎矩

選取拱頂處彎矩，計算相鄰2層挖方的彎矩之差作為彎矩增量，得到2種隧道模型在不同圍巖級別下拱頂彎矩增量隨覆跨比的變化曲線，如圖7所示。

由圖7可知：對于鋼管模型，Ⅴ和Ⅵ級圍巖的彎矩增量開始變化點在覆跨比為3.4和3.2時，加速變化點在覆跨比為1.3和1.6時；對于PVC管模型，Ⅴ和Ⅵ級圍巖的彎矩增量開始變化點在覆跨比為3.2和2.8時，加速變化點在覆跨比為1.6和1.9時。得到與結(jié)構(gòu)位移分析大致相同的結(jié)果，只是彎矩增量加速變化的覆跨比稍小于位移增量的覆跨比。

圖7 鋼管和PVC管拱頂處彎矩增量隨覆跨比變化曲線

為了解試驗中挖方對結(jié)構(gòu)各部位的影響，選取隧道拱頂、邊墻和仰拱3個特征部位，統(tǒng)計各工況下彎矩的初始值和最終值，并計算其變化量(變化量=初始彎矩-最終彎矩)，得到表4。

表4 各部位彎矩統(tǒng)計表

由表4可知：所有試驗工況中，拱頂處彎矩變化量最大，說明拱頂受上方挖方影響最大，與結(jié)構(gòu)位移分析結(jié)果相同，因此，實際挖方工程中拱頂應(yīng)是重點關(guān)注部位。

3.2.2 軸力

通過分析結(jié)構(gòu)軸力的變化，也可得到隧道上方挖方時既有隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力隨承載拱效應(yīng)的變化。各工況下拱頂和邊墻軸力增量隨覆跨比變化的曲線如圖8所示。

圖8 拱頂和邊墻軸力增量隨覆跨比變化曲線

由圖8軸力增量的總體變化可以看出：隨著隧道上方土體挖方，在埋深較大時軸力增量變化較小，隨著埋深的減小軸力增量變大；根據(jù)拱頂和邊墻部位軸力增量在覆跨比2.7～2.9和1.4～1.5兩處有明顯變大，可得到與結(jié)構(gòu)位移相似的結(jié)果，即總體上可將整個挖方過程劃分為無影響(覆跨比大于2.7～2.9)、弱影響(覆跨比介于1.4～2.9)和強影響(覆跨比小于1.4)的3個階段。

3.3 圍巖壓力

圍巖壓力是隧道結(jié)構(gòu)所承受圍巖傳遞過來的荷載，由上述分析知，拱頂是該類近接工程受影響最大的部位，該處圍巖壓力最能表征隧道上方挖方對承載拱效應(yīng)的影響。針對2種隧道模型做出2種圍巖級別下拱頂圍巖壓力增量與覆跨比的關(guān)系曲線，如圖9所示。

由圖9可以看出：對于鋼管模型，Ⅴ和Ⅵ級圍巖的圍巖壓力增量開始變化點在覆跨比為2.8和3.2時，加速變化點在覆跨比為1.6和2.2時；對于PVC管模型，Ⅴ和Ⅵ級圍巖的圍巖壓力增量開始變化點在覆跨比均為3.2時，加速變化點在覆跨比為1.9和2.5時。由此可知：襯砌剛度相同時，圍巖級別越好，圍巖壓力增量加速變化時的覆跨比越小，說明其承載拱越小；圍巖級別相同時，襯砌剛度越大，其承載拱越小。得到與結(jié)構(gòu)位移和結(jié)構(gòu)內(nèi)力大致相同的結(jié)果。

圖9 鋼管和PVC管拱頂圍巖壓力增量隨覆跨比變化曲線

3.4 承載拱效應(yīng)及影響階段劃分

3.4.1 承載拱效應(yīng)

根據(jù)對試驗中獲取的結(jié)構(gòu)位移、結(jié)構(gòu)內(nèi)力和圍巖壓力等參數(shù)的分析，將各參數(shù)確定的承載拱范圍列表，見表5。

表5 承載拱范圍

由表5可知：襯砌剛度較大時，Ⅴ級和Ⅵ級圍巖的承載拱外邊界分別位于覆跨比1.3～1.6和1.6～2.2；襯砌剛度較小時，Ⅴ級和Ⅵ級圍巖的承載拱外邊界分別位于覆跨比1.6～1.9和1.9～2.5；襯砌剛度相同時，圍巖級別越差承載拱范圍越大；圍巖級別相同時，襯砌剛度越大承載拱范圍越小。因此，實際工程中在既有隧道上方挖方時，需要考慮結(jié)構(gòu)劣化及圍巖差異引起的承載拱范圍的變化。

3.4.2 影響階段劃分

根據(jù)結(jié)構(gòu)位移和結(jié)構(gòu)軸力，分析得出深埋條件下既有隧道上方土體挖方過程中，既有隧道結(jié)構(gòu)會經(jīng)歷無影響階段、弱影響階段和強影響3個階段，各階段的分界覆跨比見表6。

表6 影響階段分界

由表6可知：在初始埋深為深埋的隧道上方挖方時，基于承載拱是否受影響將挖方對既有隧道的影響分為3個階段，分別為無影響(覆跨比大于2.9)、弱影響(覆跨比處于1.4～2.9)和強影響(小覆跨比于1.4)階段，實際工程中可參考所處的影響階段采取有針對性的措施。

4 結(jié) 論

(1)在既有深埋隧道上方不斷挖方時，會逐漸對承載拱產(chǎn)生影響，使既有隧道經(jīng)歷無影響(覆跨比大于2.9)、弱影響(覆跨比處于1.4～2.9)和強影響(覆跨比小于1.4)3個階段。

(2)襯砌剛度較大時Ⅴ級和Ⅵ級圍巖的承載拱外邊界分別位于覆跨比1.3～1.6和1.6～2.2，襯砌剛度較小時Ⅴ級和Ⅵ級圍巖的承載拱外邊界分別位于覆跨比1.6～1.9和1.9～2.5。

(3)既有隧道襯砌剛度越大，承載拱范圍越??；圍巖級別越差，承載拱范圍越大。

(4)既有隧道上方挖方過程中，拱頂相對其他部位受影響最大，是此類工程中需要重點關(guān)注的部位。