小間距立體交叉隧道上穿施工結(jié)構(gòu)變形分析

陳濤

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司湖北武漢430063)

1 前言

隨著我國經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展，軌道交通的建設(shè)進(jìn)入了高速、高質(zhì)量的發(fā)展階段。而在各類城市軌道交通中地鐵交通以其運(yùn)量大、安全環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)備受青睞。而已建地鐵隧道線路交錯發(fā)達(dá)以及城市群的高密集度，使得在隧道修建過程中，既有建筑物對新建隧道的影響不可忽視。因此在空間位置上新建隧道與既有隧道相互疊落的概率逐漸增高，小間距隧道施工受到廣泛關(guān)注。而小間距立體交叉隧道的修建對周圍土體造成擾動，引起地表沉降以及對既有隧道襯砌的影響不可忽視。因此，對隧道施工進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估的重要性不言而喻。

關(guān)于城市地鐵隧道穿越施工對既有線造成的影響，相關(guān)學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了一些研究。Peck[1]在1969年針對地表沉降問題，提出了地層損失的概念，并認(rèn)為隧道開挖造成的沉降槽符合高斯分布；Mindlin[2]基于彈性理論，得到了半無限體空間內(nèi)任一點(diǎn)受力時(shí)產(chǎn)生位移、應(yīng)力的解析解；許有俊[3]等運(yùn)用Mindlin解得到了等效矩形荷載四角點(diǎn)下某點(diǎn)處的應(yīng)力解，同時(shí)運(yùn)用疊加原理推出地層任一點(diǎn)在隧道穿越施工時(shí)豎向應(yīng)力解；Loganathan和 Poulos[4]推出了隧道開挖引起黏土地層地表位移的解析解；Dias和Kastner[5]采用數(shù)值模擬的方法，分析了盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)地層應(yīng)力及位移的變化情況，再對比監(jiān)測結(jié)果，使得模型的有效性得以驗(yàn)證；房明[6]等基于廣州地鐵某工程，對新建隧道下穿既有線的施工過程進(jìn)行模擬，并對隧道在不同條件下對既有隧道位移與應(yīng)力的影響進(jìn)行了分析；牛雪凱[7]等對小間距隧道施工控制問題展開研究并提出了系統(tǒng)可行的方案；王明年[8]等通過模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬等方法對小間距平行淺埋隧道力學(xué)特性進(jìn)行分析，探討了不同施工方法對隧道施工的影響；王振田[9]等采用數(shù)值模擬方法，對成都地鐵5號線超小凈距隧道地表沉降及土體應(yīng)力狀況進(jìn)行了分析。

本文結(jié)合深圳地鐵8號線工程，采用層次分析法對小間距立體交叉隧道施工影響因素進(jìn)行評價(jià)；另外采用兩階段應(yīng)力法，基于Mindlin解求解新建隧道產(chǎn)生的附加應(yīng)力場，繼而求得附加應(yīng)力場作用對既有隧道襯砌的影響。

2 小間距立體交叉隧道施工及安全性評價(jià)

2.1 工程概況

深圳市地鐵8號線擬建停車場出入線區(qū)段位于深圳市鹽田區(qū)沙頭角，本文所選斷面為望基湖出場線與鹽深區(qū)間疊落段，如圖1所示。望基湖出場線與鹽深區(qū)間埋深約為25 m。根據(jù)勘察數(shù)據(jù)，地表主要為微風(fēng)化凝灰?guī)r(W1)，圍巖級別為Ⅱ級。

2.2 安全性評價(jià)過程及結(jié)果分析

圖1 出場線與鹽深區(qū)間疊落段位置關(guān)系剖面(單位：mm)

在確定評價(jià)指標(biāo)時(shí)選用綜合分析法，先指定最初一級的評判指標(biāo)，然后對評價(jià)指標(biāo)進(jìn)一步劃分。針對小間距立體交叉隧道的自身特點(diǎn)，將第一層劃分為3個方面進(jìn)行研究。考慮新建隧道施工對既有結(jié)構(gòu)影響，以及施工因素、水文地質(zhì)條件等的影響，確定準(zhǔn)則層。最后將準(zhǔn)則層繼續(xù)細(xì)分，確定具體影響指標(biāo)，分別用C1～C9表示，如圖2所示。

圖2 隧道工程施工階段風(fēng)險(xiǎn)多級層次結(jié)構(gòu)模型

2.2.1 構(gòu)造風(fēng)險(xiǎn)判斷矩陣及計(jì)算權(quán)重并檢驗(yàn)

(1)水文地質(zhì)與工程地質(zhì)條件(B1)

水文地質(zhì)與工程地質(zhì)條件中不良地質(zhì)對小間距立體交叉隧道施工安全的影響最大，權(quán)重占水文地質(zhì)與工程地質(zhì)條件因素的70.1%；其次為圍巖級別，占全部因素的19.3%；最后為地下水位，權(quán)重占全部因素的10.6%。

(2)對既有結(jié)構(gòu)影響(B2)

對既有結(jié)構(gòu)影響是小間距立體交叉隧道施工風(fēng)險(xiǎn)的致險(xiǎn)因子，主要包括圍巖位移、襯砌應(yīng)力和地表沉降3方面。

施工風(fēng)險(xiǎn)評估中，根據(jù)勘察設(shè)計(jì)報(bào)告，結(jié)合特有工作斷面，通過理論分析與實(shí)例統(tǒng)計(jì)研究，得到了如下層次判斷矩陣:

對既有結(jié)構(gòu)影響各要素中，圍巖位移對小間距立體交叉隧道施工安全的影響最大，權(quán)重占對既有結(jié)構(gòu)影響因素的63.5%；其次為襯砌應(yīng)力，占全部因素的28.7%；最后為地表沉降，權(quán)重占全部因素的7.8%。

(3)施工因素(B3)

施工因素是小間距立體交叉隧道施工風(fēng)險(xiǎn)的致險(xiǎn)因子，主要包括開挖支護(hù)方法、地層預(yù)加固法、監(jiān)控量測3方面。

由于開挖支護(hù)方案與工法不適于隧道施工地質(zhì)情況，人員技術(shù)熟練程度低、欠缺有效的施工組織管理、支護(hù)不及時(shí)和強(qiáng)度不夠等而產(chǎn)生施工事故，這些均是風(fēng)險(xiǎn)事故的致險(xiǎn)因子[10]。施工風(fēng)險(xiǎn)評估中，從開挖支護(hù)方法、地層預(yù)加固法、監(jiān)控量測均從方案、人員、設(shè)備與管理四方面建立層次結(jié)構(gòu)模型，得到如下判斷矩陣:

權(quán)向量ωB3-C＝[0.500 0.250 0.250]，CI＝-4.441×10-16，CR＝ -7.657 ×10-16＜0.1，λmax＝3.000，滿足一致性條件。

開挖支護(hù)方法、地層預(yù)加固法和監(jiān)控量測所占權(quán)重分別為50.0%、25.0%、25.0%。統(tǒng)計(jì)研究表明合理、必要的開挖支護(hù)方案是降低小間距立體交叉隧道施工風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)鍵，所占權(quán)重均在50%以上；地層預(yù)加固法和監(jiān)控量測也直接影響小間距立體交叉隧道施工的安全性，所占權(quán)重均為25%。

2.2.2 因素總排序與權(quán)值分析

如圖3所示，總排序權(quán)向量ωA1st-C＝[0.3650.194 0.069 0.178 0.080 0.022 0.047 0.023 0.023]，一致性檢驗(yàn)與權(quán)值分析如前所述，權(quán)值由大到小依次為ωC1＞ωC2＞ωC4＞ωC5＞ωC3＞ωC7＞ωC8＝ωC9＞ωC6。 不良地質(zhì)、地下水位和圍巖位移對小間距立體交叉隧道施工風(fēng)險(xiǎn)的影響最大，權(quán)重之和高達(dá)73.6%；圍巖級別、襯砌應(yīng)力和開挖支護(hù)方法，權(quán)重之和為19.6%；地表沉降、地層預(yù)加固法、監(jiān)控量測，三者之和占權(quán)重6.8%。

圖3 斷面評估模型因素權(quán)重柱狀圖(C層)

3 新建隧道上穿對既有線的影響分析

對疊交穿越問題本文采用兩階段應(yīng)力法分析。先計(jì)算新建隧道施工作用于既有隧道的附加位移場或者自由應(yīng)力場；第二階段則把第一階段得到的應(yīng)力場或者位移場施加給既有隧道，采用有限差分、彈性理論法或彈性地基梁模型來分析既有隧道的內(nèi)力以及縱向變形的變化情況[11]。

3.1 兩階段應(yīng)力法

由于新建隧道的施工，使既有隧道上部土體卸荷，產(chǎn)生豎向附加應(yīng)力，可將既有隧道等效為施有附加分布荷載的彈性地基無限長梁。第二階段基于彈性地基梁模型，將第一階段所得到的土體位移或應(yīng)力作用到彈性地基梁模型，得到如下控制方程:

式中，EI為隧道等效抗彎剛度；W(x)為隧道開挖引起既有線的附加位移；P(x)為隧道開挖引起既有線的附加荷載；D為隧道外徑；k為基床系數(shù)；σ為新建隧道開挖作用到既有隧道上的附加位移。

3.2 Mindlin解求附加應(yīng)力場

本文采用Mindlin應(yīng)力解求解既有隧道的卸荷附加應(yīng)力。隧道上穿卸載模型如圖4所示，既有地鐵隧道卸荷附加應(yīng)力計(jì)算模型如圖5所示。

圖4 隧道上穿卸載模型

圖5 既有地鐵隧道卸荷附加應(yīng)力計(jì)算模型

新建隧道的卸荷力在既有隧道上的某點(diǎn)(x，0，Z)處(既有地鐵隧道上的點(diǎn)y坐標(biāo)為0)產(chǎn)生的卸荷附加應(yīng)力[12]為:

式中，Γ為積分區(qū)域；R1為卸荷力作用點(diǎn)到影響點(diǎn)的距離；R2為卸荷力作用點(diǎn)關(guān)于ξoη平面內(nèi)的對稱點(diǎn)與影響點(diǎn)的距離。

各參數(shù)取值根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際工況、詳勘資料、相關(guān)規(guī)范等確定。綜上，以上情況下所取參數(shù)分別為ξ＝19.2 m，η＝6.4 m，μ＝0.17，Z1＝118.421 m，h1＝109.404 m，p＝26.8 kN·m3，既有隧道直徑D＝6.4 m，基床系數(shù)k＝5×104kN/m3，E＝3.45×107kPa，I＝82.355 m4。由MATLAB求解結(jié)果繪制卸荷附加應(yīng)力與其到既有隧道中心距離關(guān)系曲線，見圖6。

圖6 斷面卸荷附加應(yīng)力與其到既有隧道中心距離關(guān)系曲線

由圖6可知，新建隧道的修建導(dǎo)致既有隧道附近產(chǎn)生的附加應(yīng)力整體大致呈高斯分布，至距離疊落點(diǎn)大約兩倍洞距時(shí)，遞減速率放緩，逐漸趨于零。因此新建隧道對既有隧道的卸荷作用影響主要集中于交叉疊落點(diǎn)正下方兩倍洞距的既有隧道區(qū)域。

4 數(shù)值計(jì)算分析

4.1 計(jì)算模型

隧道模型空間位置如圖7所示，出場線與鹽深區(qū)間左線的疊落段最小凈距為3 m。隧道一次開挖進(jìn)尺默認(rèn)為4 m，且均為上下臺階法開挖。從上往下巖層劃分為素填土、強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r、中風(fēng)化凝灰?guī)r、微風(fēng)化凝灰?guī)r。模型底部為固定邊界，四周為滑動邊界，頂部為自由邊界。

圖7 隧道線路空間位置關(guān)系

4.2 數(shù)值模擬與理論計(jì)算對比

將通過Midas GTS建模分析得到的結(jié)果與兩階段應(yīng)力法求得的既有隧道位移進(jìn)行對比，如圖8所示。

圖8 理論計(jì)算值與模型計(jì)算值對比曲線

4.3 結(jié)果分析

模型的沉降變形云圖見圖9。由圖9可知，出場線隧道在交叉段施工對既有隧道的沉降影響有限，最大沉降量為2.73 mm，位于出場線的拱頂；最大隆起位置位于鹽深區(qū)間的拱底，為1.93 mm。最大沉降和隆起位置相距較近，均位于距離上下交叉段約11 m處。

圖9 模型沉降變形云圖

5 結(jié)論

本文運(yùn)用層次分析法對小間距隧道施工中新建隧道上穿對既有隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)，得出小間距立體交叉隧道施工風(fēng)險(xiǎn)最大影響因素為不良地質(zhì)、地下水位和圍巖位移。通過兩階段位移法及數(shù)值模擬，求取新建隧道誘導(dǎo)既有隧道產(chǎn)生的位移，并進(jìn)行對比分析，得到以下結(jié)論:

(1)通過層次分析法分析，得出不良地質(zhì)、地下水位和圍巖位移對小間距立體交叉隧道施工風(fēng)險(xiǎn)影響最大的結(jié)論，權(quán)重之和高達(dá)73.6%。

(2)當(dāng)新建隧道穿越后，既有隧道卸荷附加應(yīng)力沿隧道縱向服從高斯分布，由兩隧道疊交點(diǎn)向既有隧道兩側(cè)衰減，超過兩倍洞距范圍后衰減速度變緩，大約40 m處之后趨于穩(wěn)定。因此新建隧道對既有隧道的卸荷作用影響主要集中于交叉疊落點(diǎn)正下方兩倍洞距的既有隧道區(qū)域。

(3)計(jì)算結(jié)果表明，新建隧道在交叉段施工引起既有隧道沉降最大值為2.73 mm，位于既有隧道的拱頂位置；隆起最大值為1.93 mm，位于既有隧道的拱底。最大沉降和隆起位置相距較近，均位于距離上下交叉段約11 m處。