復(fù)雜斷面上下重疊隧道的安全凈距研究

馬 輝， 周澤林

(1. 中國中鐵二局集團(tuán)有限公司，四川成都610031； 2. 中國十九冶集團(tuán)有限公司路橋工程分公司，四川成都 610031)

1 工程概況

小凈距雙線隧道在城市地鐵中非常常見，隧道間的相互影響和安全凈距方面開展的研究較多。例如，李強(qiáng)和曾德順通過研究新建隧道垂直下穿既有隧道的施工過程，得知新建隧道對(duì)既有隧道在到達(dá)前、經(jīng)過時(shí)和通過后的影響是先増大，后減小到穩(wěn)定的過程[1]。孫鈞和劉洪洲采用數(shù)值模擬方法研究了上海明珠線二期工程上、下行線盾構(gòu)交疊區(qū)間隧道近接施工過程中(先下后上)的地表沉降規(guī)律及其影響因素[2]。張志強(qiáng)和何川等綜合采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬研究了南京地鐵平行近接盾構(gòu)隧道下穿玄武湖隧道的施工過程及其影響規(guī)律等[3]。上下重疊隧道是小凈距隧道的一個(gè)特例，大多沿用小凈距隧道的研究成果，其安全凈距多采用如表1的推薦值，其中B為隧道跨度或高度。

表1 城市雙線隧道最小凈距建議值

深圳地鐵11號(hào)線“南山站～前海灣站”區(qū)間雙孔地鐵隧道長距離平行下穿明挖基坑公路隧道共線長達(dá)2 960 m。重疊隧道段上部公路隧道與下部雙孔地鐵隧道之間安全凈距是非常重要的設(shè)計(jì)參數(shù)，由于上方為雙孔明挖基坑矩形斷面隧道，下方為雙孔地鐵隧道，斷面非常復(fù)雜，缺乏可供參考的數(shù)據(jù)，且可能與明挖基坑的開挖方案特別是開挖步長相關(guān)。同時(shí)，安全凈距還受地層條件、地下水條件、隧道斷面尺寸、重疊隧道之間的相對(duì)位置等因素的影響，確定起來非常復(fù)雜。

本研究通過綜合分析基坑不同開挖步長、重疊隧道之間的凈距變化對(duì)隧道結(jié)構(gòu)上浮變形和結(jié)構(gòu)受力特征，結(jié)合設(shè)計(jì)控制閥值(上浮10 mm)，通過基坑不同開挖步長進(jìn)行分析，得出一個(gè)安全凈距參考值，供設(shè)計(jì)和施工參考。

為研究公路隧道與地鐵隧道之間凈距與結(jié)構(gòu)上浮變形以及受力的關(guān)系，計(jì)算取公路隧道覆土埋深h=4.0m，土體側(cè)壓力系數(shù)0.86為例，模擬了隧道凈距分別為6.0 m(1D)、9.0(1.5D)和12.0 m(2.0D)三種工況(圖1)。

圖1 三種凈距計(jì)算工況

2 重疊隧道凈距對(duì)地鐵隧道上浮變形的影響

圖2為基坑底板與地鐵隧道之間凈距d分別取6.0 m、9.0 m和12.0 m時(shí)，基坑在不同基坑開挖步長下的隧道管片上浮值沿隧道縱向的分布規(guī)律，其中基坑開挖位置始于隧道軸線Y=60m處。

從圖2可以看出：(1)不同凈距的地鐵隧道管片上浮沿隧道軸線分布的變化趨勢(shì)基本相同，距離基坑開挖越近，管片上浮量越大，上浮位移峰值位置出現(xiàn)在分層開挖最低臺(tái)階處；(2)同一開挖步長下，凈距越大，管片上浮值越小。

(a)開挖步長s=8.0m

(b)開挖步長s=12.0m

(c)開挖步長s=16.0m

(d)開挖步長s=20.0m圖2 不同凈距和開挖步長下管片上浮沿隧道軸線分布曲線

基坑縱向開挖步長s=8.0m時(shí)，三種凈距下地鐵隧道的最大上浮變形都在設(shè)計(jì)允許最大位移以內(nèi)，當(dāng)凈距d=6.0m時(shí)，最大上浮變形接近10 mm。因此，基坑縱向開挖步長為8.0 m時(shí)，建議安全凈距為6.0 m，即1倍洞徑。

基坑縱向開挖步長s=12.0m時(shí)，凈距d=6.0m和9.0 m時(shí)的地鐵最大上浮變形分別達(dá)到了15 mm和20 mm，明顯的超過了上浮控制閥值10 mm；當(dāng)凈距d=12m時(shí)，地鐵最大上浮變形為11.9 mm，接近控制閥值10 mm。因此，考慮到數(shù)值模擬計(jì)算中因?yàn)橥翆訁?shù)、本構(gòu)關(guān)系、模型邊界條件等原因帶來的計(jì)算結(jié)果誤差(誤差約30 %)，基坑縱向開挖步長為8.0 m時(shí)，建議安全凈距為12.0 m，即2倍洞徑。

當(dāng)基坑開挖步長s=16.0m和20.0 m時(shí)，地鐵最大上浮變形都已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了設(shè)計(jì)允許最大上浮值，研究得出安全凈距會(huì)非常大，不具有工程意義。因此，建議施工中基坑縱向開挖步長控制在12.0 m以內(nèi)。

3 重疊隧道凈距對(duì)地鐵管片結(jié)構(gòu)受力的影響

圖3為開挖步長s=12.0m時(shí)，凈距d分別為6.0 m、9.0 m和12.0 m時(shí)的管片最大主應(yīng)力分布云圖。圖中黑色部分為主壓應(yīng)力(負(fù)值)，表示受壓區(qū)域。白色部分為主拉應(yīng)力(正值)，表示受拉區(qū)域?？梢钥闯觯?1)基坑開挖范圍以外的盾構(gòu)管片結(jié)構(gòu)主要承受壓力，凈距越大，管片的主壓應(yīng)力越大，其原因是隧道之間凈距越大，盾構(gòu)管片就埋深越大，其受到的壓力也就越大；(2)基坑開挖范圍之內(nèi)，管片結(jié)構(gòu)局部受到拉力。凈距越大，管片主拉應(yīng)力值越小，其原因是隧道之間凈距越大，基坑開挖對(duì)盾構(gòu)隧道的干擾越弱，管片上浮值越小，產(chǎn)生的附加應(yīng)力值就越小。

(a)凈距d=6.0m條件下管片最大主應(yīng)力云圖

(b)凈距d=9.0m條件下管片最大主應(yīng)力云圖

(c)凈距d=12.0m條件下管片最大主應(yīng)力云圖圖3 不同凈距條件下管片最大主應(yīng)力分布云圖

圖4為開挖步長s=12.0m時(shí)，在不同凈距下，盾構(gòu)隧道不同位置的管片應(yīng)力沿隧道軸線的分布曲線。

(a)管片應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置

(b)凈距d=6.0m

(c)凈距d=9.0m

(d)凈距d=12.0m圖4 盾構(gòu)隧道不同位置處管片單元應(yīng)力沿隧道軸線分布曲線

從圖可以看出：(1)基坑未開挖段盾構(gòu)管片的拱頂、拱底和側(cè)墻處均受壓，且壓應(yīng)力在管片不同部位分布均勻，大小為4.0 MPa左右，均小于管片設(shè)計(jì)強(qiáng)度；(2)基坑開挖部位盾構(gòu)隧道拱頂和拱底處管片應(yīng)力發(fā)生變化，表現(xiàn)為拱頂管片由壓應(yīng)力變成拉應(yīng)力，同時(shí)拱底處壓應(yīng)力值增大。表明基坑開挖引發(fā)的上部土體卸荷作用使得管片內(nèi)應(yīng)力分布發(fā)生改變，產(chǎn)生附加的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力；(3)基坑開挖對(duì)管片受力的擾動(dòng)作用與隧道凈距密切相關(guān)：當(dāng)凈距d=9.0m時(shí)，拱頂處管片最大拉應(yīng)力為4.71 MPa，附加應(yīng)力約8.5 MPa，受壓范圍約為40 m。拱底處管片最大壓應(yīng)力增大到10.70 MPa，附加應(yīng)力約為6.7 MPa；隨著凈距d的增大，拱頂和拱底處管片附加應(yīng)力值不斷減小，當(dāng)d=9.0m時(shí)，拱頂最大拉應(yīng)力降低為4.1 MPa，受壓范圍減小為20 m。拱底管片最大壓應(yīng)力為9.5 MPa；當(dāng)凈距d增大到12.0 m時(shí)，拱頂處管片由受拉轉(zhuǎn)變成受壓。同時(shí)，拱底處管片最大壓應(yīng)力為5.9 MPa，附加應(yīng)力降低為1.9 MPa。

從上述分析可知，基坑開挖對(duì)管片拱頂和拱底處受力影響較大，而對(duì)側(cè)墻處管片受力基本無影響，設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)管片拱部的抗拉配筋和底部的抗壓配筋。同時(shí)可知，在基坑開挖步長為8.0～12.0 m之間時(shí)，得出的安全凈距介于6.0～12.0 m。施工中應(yīng)當(dāng)根據(jù)基坑開挖步長，并結(jié)合具體地質(zhì)水文條件來確定具體取值，當(dāng)開挖步長較小或地層條件較好時(shí)，安全凈距取較小值；反之，當(dāng)開挖步長較長或地層條件較差時(shí)，安全凈距取較大值。

4 結(jié)論

通過綜合分析基坑不同開挖步長、重疊隧道之間的凈距變化對(duì)隧道結(jié)構(gòu)上浮變形和結(jié)構(gòu)受力特征，結(jié)合設(shè)計(jì)控制閥值，通過基坑不同縱向開挖步長進(jìn)行分析，給出一個(gè)安全凈距參考值范圍：在基坑縱向開挖步長為8.0～12.0 m之內(nèi)時(shí)，安全凈距范圍介于6.0～12.0 m之間。施工中應(yīng)當(dāng)根據(jù)基坑縱向開挖步長并結(jié)合具體地質(zhì)水文條件來確定具體取值，當(dāng)開挖步長較小或地層條件較好時(shí)，安全凈距取較小值；反之，當(dāng)開挖步長較長或地層條件較差時(shí)，安全凈距取較大值。