加卸載條件下多線既有隧道力學(xué)特性分析

王 帆

(中煤科工集團(tuán)重慶設(shè)計(jì)研究院有限公司，重慶 400042)

進(jìn)入21世紀(jì)以來，我國(guó)城市不斷發(fā)展，為滿足發(fā)展需求開展了大量的城市施工作業(yè)，基坑頻繁開挖，地下軌道交通線路交錯(cuò)縱橫，尤其在繁華都市區(qū)域，城市軌道交通沿線商業(yè)建筑物較為密集，建筑基坑施工過程伴隨著頻繁的卸載、加載過程，不可避免地引起周圍軌道交通線路的影響，產(chǎn)生諸多安全隱患甚至引發(fā)嚴(yán)重的工程事故[1-2]。

為解決上述問題，許多學(xué)者開展了大量的研究。張紅勇[3]等利用有限元法，分析了基坑與隧道軸線不同交角情況下，基坑開挖卸載對(duì)隧道結(jié)構(gòu)附加變形及內(nèi)力的影響。魏綱等[4]采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的方法，通過對(duì)基坑開挖引起的既有隧道附加變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，分析了開挖施工過程中既有隧道變形影響規(guī)律，并提出了隧道水平位移預(yù)測(cè)經(jīng)驗(yàn)公式。姚愛軍[5]等結(jié)合模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬，研究了隧道上方基坑加、卸載作用導(dǎo)致的盾構(gòu)隧道變形特征及圍壓變化規(guī)律，并分析了兩者凈距以及坑底加載強(qiáng)度對(duì)隧道附加變形的影響。張玉偉[6]等采用數(shù)值分析法，分析了基坑降水、基坑開挖以及樁荷載施加所引起的既有隧道附加變形及結(jié)構(gòu)受力特征。楊德志[7]等采用有限元法與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比的方法，分析了地連墻插入比、被動(dòng)去加固寬度等因素引起的隧道附加變形規(guī)律。周賢宏[8]等利用有限元軟件ABAQUS，分析了基坑施工引起的下臥隧道的影響，并從施工的角度提出了大型基坑開挖對(duì)既有隧道變形控制方法。姚宏波[9]等采用理論分析的方法，考慮基坑深度、寬度和基坑沿隧道縱向長(zhǎng)度的綜合影響，提出了隧道上方卸載引起的卸荷比計(jì)算模型。丁祖德[10]等通過數(shù)值分析，研究了不同隧道保護(hù)措施下基坑開挖引起的隧道變形及附加應(yīng)力的特點(diǎn)及變形控制效果。

從以往研究成果可以看出，之前的研究成果主要集中在基坑施工對(duì)單線隧道的影響，而針對(duì)基坑施工引起多線隧道力學(xué)特性影響研究較少。本文基于實(shí)際工程中建筑基坑開挖卸載及建筑修建加載，分析施工過程中多線既有隧道受力及變形特性，作工程參考。

1 工程概況

本項(xiàng)目擬建工程包括6棟二類高層建筑、16棟多層建筑、1棟幼兒園、1棟社區(qū)綜合服務(wù)中心、沿街商業(yè)及配套、地下車庫、地下商業(yè)及設(shè)備用房，項(xiàng)目西側(cè)為重慶軌道交通十號(hào)線以及軌道交通六號(hào)線支線(悅來站-王家莊站)區(qū)間隧道，項(xiàng)目與既有隧道位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 項(xiàng)目與隧道相對(duì)位置關(guān)系

軌道交通十號(hào)線悅來-王家莊站區(qū)間隧道位于項(xiàng)目擬建場(chǎng)地西側(cè)，擬建項(xiàng)目與隧道間保護(hù)區(qū)域的里程號(hào)為：K44+17.040～K44+385.840，總長(zhǎng)約368.80 m。該段區(qū)間隧道采用鉆爆法施工，斷面形式為馬蹄形斷面，隧道埋深集中于25.00～28.60 m，圍巖主要為砂巖，巖體呈中風(fēng)化狀態(tài)，節(jié)理裂隙不發(fā)育～較發(fā)育，巖體較完整，圍巖級(jí)別為Ⅲ～Ⅳ級(jí)。目前，該區(qū)間隧道已開通運(yùn)營(yíng)。

軌道交通六號(hào)線支線二期悅來-王家莊站區(qū)間隧道位于項(xiàng)目擬建場(chǎng)地西側(cè)，擬建項(xiàng)目與隧道間保護(hù)區(qū)域的里程號(hào)為：K44+17.040～K44+385.840，總長(zhǎng)約343.93 m。該段區(qū)間隧道采用鉆爆法施工，斷面形式為馬蹄形斷面，隧道埋深集中于36.00～39.60 m，圍巖主要為砂巖及砂質(zhì)泥巖，巖體呈中風(fēng)化狀態(tài)，節(jié)理裂隙不發(fā)育～較發(fā)育，巖體較完整，圍巖級(jí)別為Ⅲ～Ⅳ級(jí)。目前，該區(qū)間隧道已進(jìn)行施工。

2 計(jì)算模型及參數(shù)

根據(jù)項(xiàng)目與區(qū)間隧道位置關(guān)系，建立如圖2所示二維模型，根據(jù)圣維南原理，并結(jié)合項(xiàng)目與隧道結(jié)構(gòu)相對(duì)位置關(guān)系，根據(jù)勘察報(bào)告所提勘察剖面建立計(jì)算模型，所建模型計(jì)算區(qū)域?yàn)閄向(水平方向)×Y(重力方向)=119 m×85 m，模型邊界條件為：計(jì)算區(qū)域側(cè)面約束水平位移，底面約束豎向位移。

圖2 模型總體示意

在計(jì)算模型中，巖土體遵從彈塑性本構(gòu)關(guān)系，其中，土體采用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則，巖體采用D-P準(zhǔn)則進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，隧道襯砌、樁基礎(chǔ)等則視為彈性材料。該模型其中巖土體采用平面應(yīng)變單元模擬，項(xiàng)目基礎(chǔ)及隧道結(jié)構(gòu)以梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬。

模型計(jì)算步驟根據(jù)項(xiàng)目及隧道結(jié)構(gòu)實(shí)際施工順序進(jìn)行設(shè)置，分為5個(gè)步驟：①場(chǎng)地初始狀態(tài)，②十號(hào)線開挖、修建，③六號(hào)線支線開挖、修建，④擬建項(xiàng)目基坑開挖，⑤樁基施工，建筑荷載的施加。

結(jié)合項(xiàng)目及區(qū)間隧道地質(zhì)勘查報(bào)告，給出最終計(jì)算參數(shù)如表1所示，考慮隧道開挖、巖體裂隙以及巖土層面的影響，巖體抗剪強(qiáng)度參數(shù)按照D-P等面積圓進(jìn)行折減，折減系數(shù)為0.8。

表1 地層結(jié)構(gòu)及材料參數(shù)

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 隧道結(jié)構(gòu)位移

項(xiàng)目施工過程中，建筑基坑開挖及上部結(jié)構(gòu)物修建，既有隧道相繼受到“加載”、“卸載”作用，引起隧道及圍巖的附加變形[11]?；娱_挖以后，隧道結(jié)構(gòu)及周邊巖土體自身變形情況圖3(a)、圖3(b)所示。樁基施工，施加荷載后，隧道結(jié)構(gòu)及周邊巖土體自身變形情況如圖3(c)、圖3(d)所示。

圖3 基坑施工過程中隧道位移變化

取隧道結(jié)構(gòu)關(guān)鍵點(diǎn)位移進(jìn)行分析，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，基坑開挖引起的十號(hào)線隧道結(jié)構(gòu)最大水平位移為1.2 mm，最大豎向位移為1.2 mm；引起的六號(hào)線支線隧道結(jié)構(gòu)最大水平位移為1.2 mm，最大豎向位移為0.5 mm。從基坑與隧道結(jié)構(gòu)相對(duì)位置上看，六號(hào)線支線距離建筑基坑相對(duì)十號(hào)線較遠(yuǎn)，且隧道跨度較小，但十號(hào)線二次襯砌結(jié)構(gòu)厚度較大，最終兩者最大位移結(jié)果相當(dāng)。樁基施工，施加荷載后引起的十號(hào)線隧道結(jié)構(gòu)最大水平位移為0.3 mm，最大豎向位移為0.3 mm；引起的六號(hào)線支線隧道結(jié)構(gòu)最大水平位移為0.1 mm，最大豎向位移為0.1 mm。根據(jù)工程實(shí)際情況，基坑施工后進(jìn)行建筑修建，基坑上方施加多層建筑荷載，從計(jì)算結(jié)果上看，多層建筑的建筑荷載施加在一定程度上緩解了項(xiàng)目施工引起的隧道結(jié)構(gòu)附加變形，兩條軌道交通線路結(jié)構(gòu)最大位移幅值有所減小。根據(jù)重慶市地方標(biāo)準(zhǔn)DBJ50/T-271-2017《城市軌道交通結(jié)構(gòu)檢測(cè)監(jiān)測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》，項(xiàng)目實(shí)施基坑開挖及樁基施工、建筑荷載后，區(qū)間隧道變形值均小于城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全控制指標(biāo)值(±10 mm)。

3.2 隧道圍巖應(yīng)力

項(xiàng)目施工過程中產(chǎn)生的施工擾動(dòng)，通過巖土體傳遞至隧道主體結(jié)構(gòu)。圖4展示了主要荷載步隧道圍巖第一、第三主應(yīng)力，表2統(tǒng)計(jì)了基坑施工作業(yè)過程中隧道圍巖最大應(yīng)力值，其中負(fù)值表示壓應(yīng)力，正值表示拉應(yīng)力。

圖4 基坑施工過程中隧道圍巖應(yīng)力

表2 隧道圍巖主要荷載步下最大應(yīng)力值統(tǒng)計(jì)

根據(jù)圍巖應(yīng)力情況及應(yīng)力統(tǒng)計(jì)結(jié)果，項(xiàng)目修建整個(gè)過程，隧道圍巖拉、壓應(yīng)力變化有限，基坑開挖作業(yè)完成后，隧道圍巖最大拉應(yīng)力從119.94 kPa增至152.79 kPa，增長(zhǎng)幅度為21.5 %，最大壓應(yīng)力有所減小，但變化幅度不大；建筑荷載施加后，圍巖最大拉應(yīng)力為120.27 kPa，相對(duì)基坑開挖荷載步有所減小，其值與初始荷載步相當(dāng)，最大壓應(yīng)力變化不明顯。

由計(jì)算結(jié)果可知，在上述施工過程中，隧道圍巖結(jié)構(gòu)應(yīng)力產(chǎn)生了一定的不利變化，但其拉壓應(yīng)力均未超過地勘報(bào)告所提巖體所能承受抗拉、抗壓強(qiáng)度，項(xiàng)目的建設(shè)對(duì)隧道圍巖應(yīng)力情況影響是有限的。施工引起巖土體擾動(dòng)傳遞至既有隧道，致使襯砌結(jié)構(gòu)局部區(qū)域因不均勻變形產(chǎn)生一定的應(yīng)力集中。值得注意的是，在兩線交疊的狀態(tài)下，雙線隧道于六號(hào)線支線拱頂位置的拉應(yīng)力產(chǎn)生貫通的應(yīng)力變化區(qū)域，施工過程中該區(qū)域處可能存在相對(duì)更為明顯的應(yīng)力集中問題。

4 結(jié)束語

通過對(duì)項(xiàng)目施工過程中加卸載條件下多線既有隧道受力及變形特性進(jìn)行分析可以得出以下結(jié)論：

(1)基坑開挖卸荷引起巖土體回彈，進(jìn)而造成隧道結(jié)構(gòu)附加變形，多層建筑的建筑加載作用在一定程度上緩解了卸載時(shí)引起的結(jié)構(gòu)物位移變化；在整個(gè)施工過程中，隧道結(jié)構(gòu)的最大變形出現(xiàn)在基坑開挖作業(yè)完成以后，為有效減小項(xiàng)目施工的影響，應(yīng)在基坑開挖后盡早并及時(shí)開展基坑底板、基坑邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)的施工，減小施工的影響。

(2)施工擾動(dòng)產(chǎn)生隧道結(jié)構(gòu)附加變形，并造成襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中問題，該問題在多條地下交通線路交疊時(shí)更為顯著，或致使兩線交疊區(qū)域產(chǎn)生應(yīng)力變化貫通區(qū)域，產(chǎn)生較大的安全隱患。為保證項(xiàng)目及既有隧道的安全，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，在項(xiàng)目施工過程中對(duì)影響區(qū)間段隧道進(jìn)行設(shè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)，在交疊區(qū)域加密監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置，若監(jiān)測(cè)變形超出變形預(yù)警值應(yīng)及時(shí)采取有效措施。