土質(zhì)地基道路引起既有隧道變形的解析估算法探索

莫陽(yáng)

（悉地（蘇州）勘察設(shè)計(jì)顧問(wèn)有限公司,江蘇 蘇州 215123）

土質(zhì)地基道路引起既有隧道變形的解析估算法探索

莫陽(yáng)

（悉地（蘇州）勘察設(shè)計(jì)顧問(wèn)有限公司,江蘇 蘇州 215123）

城市地鐵迅猛發(fā)展引發(fā)道路建設(shè)期及運(yùn)營(yíng)期對(duì)既有地鐵隧道的保護(hù)問(wèn)題，以提供簡(jiǎn)便實(shí)用的方法對(duì)道路施工影響既有隧道進(jìn)行分析為目的，基于等效原理和連續(xù)性原理并運(yùn)用彈性力學(xué)和土力學(xué)理論，確定隧道變形與周?chē)馏w變形之間的關(guān)系，建立附加荷載作用下土質(zhì)地基中隧道變形的解析算法，導(dǎo)出道路施工對(duì)隧道變形影響程度的驗(yàn)算判別式。

道路工程；解析估算法；隧道變形；土質(zhì)地基

0 引言

城市軌道交通具有引導(dǎo)城市空間發(fā)展方向、適度擴(kuò)散、又防止過(guò)度擴(kuò)散的功能[1]，因規(guī)劃引導(dǎo)可先于城區(qū)建成，主要線位形態(tài)與城市干路疊合。新建道路橫跨、平行且鄰近既有隧道，或者既有隧道的上覆老路翻修，均會(huì)引起既有隧道的附加變形。既有隧道受基坑工況影響的研究較多，主要用有限元法估算隧道變形[2-5]。土質(zhì)地基上修筑道路，路床基底開(kāi)挖較淺并用分層壓實(shí)法進(jìn)行后續(xù)施工，既有隧道受反復(fù)加、卸載影響工況的研究較少[6]，下面根據(jù)土體變形與附加應(yīng)力、隧道變形與周?chē)馏w變形的關(guān)系，嘗試建立隧道變形的解析估算方法。

1 土體內(nèi)的附加應(yīng)力

將土質(zhì)地基視作均質(zhì)彈性體[7]，隧道簡(jiǎn)化成矩形截面并視為土體受到的約束，考察有、無(wú)隧道情形的土體內(nèi)應(yīng)力。

圖1中（a）與（c）、（b）與（d）受力狀況都只差外荷載p，按疊加原理，加載時(shí)土體內(nèi)的附加應(yīng)力在有、無(wú)隧道時(shí)相同；同理，卸載時(shí)土體內(nèi)的附加應(yīng)力在有、無(wú)隧道時(shí)相同。卸載后再以相同荷載集度進(jìn)行加載，按疊加原理，卸載產(chǎn)生的附加應(yīng)力效應(yīng)與加載相同。

圖1土體內(nèi)應(yīng)力

圖2 為加載情形附加應(yīng)力計(jì)算圖式，根據(jù)土力學(xué)[8]及彈性力學(xué)[9]，土體內(nèi)任一點(diǎn)附加應(yīng)力為荷載集度乘系數(shù)，與變形估算相關(guān)的附加應(yīng)力系數(shù)分析結(jié)果如下：

圖2 附加應(yīng)力計(jì)算圖式

路、隧交叉時(shí)，隧道截面位置深度z處的豎向最大附加正應(yīng)力系數(shù)為

路、隧平行時(shí)，隧道軸線在深度z投影處的豎向最大附加正應(yīng)力系數(shù)為

路、隧平行時(shí)，隧道軸線在深度z投影處的附加剪應(yīng)力系數(shù)為

同一深度z處，荷載作用面下很小深度范圍內(nèi)集中荷載的效應(yīng)大一些，大于某個(gè)臨界深度后均布荷載的效應(yīng)更大并隨深度的增加迅速增大。集中荷載出現(xiàn)在施工過(guò)程中，作用效應(yīng)呈瞬時(shí)性和彈性，估算變形時(shí)可不考慮。

水平向荷載出現(xiàn)在汽車(chē)制動(dòng)過(guò)程中，其最大值與汽車(chē)重量之比為a/g（a為汽車(chē)制動(dòng)時(shí)的減速度最大值取2.5 m/s2[10]，g為重力加速度取9.8 m/s2），水平摩擦力產(chǎn)生的水平向應(yīng)力集中于面層內(nèi)，在面層底部就降到水平拉力的7.1%[10]，在面層以下水平向荷載作用效應(yīng)不到豎向荷載的2%，可忽略不計(jì)。

2 隧道變形與附加應(yīng)力的關(guān)系

與土相比隧道可視為無(wú)限長(zhǎng)剛體，與位移相比隧道自身變形可忽略不計(jì)，隧道與土體之間不能產(chǎn)生脫空，其變形可認(rèn)為與周?chē)馏w的變形相同。隧道結(jié)構(gòu)體底面以上的土體基本不影響隧道豎向變形，隧道豎向變形以結(jié)構(gòu)體底面以下的土體豎向變形度量；隧道水平向變形以結(jié)構(gòu)側(cè)面以外的土體水平向變形度量。

2.1 隧道豎向變形

土體豎向變形分為加載沉降和卸載回彈，總沉降中的瞬時(shí)沉降以修正系數(shù)反映[7]不單獨(dú)計(jì)算，次固結(jié)沉降占總沉降的比例很小而不考慮[8]。

圖3為加載情形土體豎向變形計(jì)算圖式，設(shè)隧道結(jié)構(gòu)體底面以下各土層重度為γi，i＝1，2，…，n。

圖3 隧道結(jié)構(gòu)體底面下土體豎向變形計(jì)算圖式

路、隧交叉時(shí)，Oz軸線上深度0～z范圍內(nèi)的豎向平均附加正應(yīng)力系數(shù)為

路、隧平行時(shí)，隧道縱向軸線位置深度0～z范圍內(nèi)的豎向平均附加正應(yīng)力系數(shù)為

根據(jù)規(guī)范[11]推薦方法，3種荷載作用時(shí)的隧道變形量計(jì)算公式為

純加載的豎向變形量

純卸載時(shí)的豎向回彈變形量

卸載再加載時(shí)的豎向再壓縮變形量

式（6）～式（8）中：ψs、ψc分別為沉降量、回彈量計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；γ0、γc分別為填土、挖土的平均重度，kN/m3；h0、hc、hr分別為純加載、純卸載、卸載再加載的荷載換算土高度，m；Esi、Eci分別為隧道結(jié)構(gòu)體底面以下第i層土的壓縮模量、回彈模量，MPa；zi為原地面至第i層土底面的距離，m為原地面至第i層土底面范圍內(nèi)平均附加正應(yīng)力系數(shù)；r0為臨界再壓縮比率；R0為臨界再加荷比；rR=1.0為對(duì)應(yīng)于再加荷比R=1.0時(shí)的再壓縮比率；pc＝γchc。

2.2 隧道水平向變形

以加載情形為例，圖4為隧道變形分析圖式，路、隧交叉時(shí)取平行且與yOz平面距離l、厚度δ為無(wú)限小的2個(gè)隧道斜截面薄片為單元體，路、隧平行時(shí)取平行且與xOz平面距離l、厚度δ為無(wú)限小的2個(gè)隧道正截面薄片為單元體。

圖4 隧道變形分析圖式

由附加應(yīng)力對(duì)稱(chēng)性，路、隧交叉時(shí)，單元體疊加后在平行于及垂直于隧道縱向軸線的平面內(nèi)所受合力為零，隧道在水平面內(nèi)不會(huì)發(fā)生平移；路、隧平行時(shí)，若道路中心線與隧道縱向軸線間的平距D不為零，隧道在垂直于縱向軸線的水平方向合力不為零，會(huì)發(fā)生平移。

施加的外荷載作用（包括加載和卸載）的合外力矩為零，隧道整體或局部不會(huì)在水平面內(nèi)或繞自身縱向軸線轉(zhuǎn)動(dòng)。

以加載情形為例，圖5為隧道水平向變形分析圖式，隧道正截面周界頂邊上的點(diǎn)1、2、3處的土體水平變形量的關(guān)系為u1＞u2＞u3，隧道在附加應(yīng)力作用下無(wú)自身變形量，隧道與土體間必然存在相對(duì)滑移。由土體變形連續(xù)性，隧道水平向變形應(yīng)介于u1和u3之間，取頂邊中點(diǎn)處的土體水平變形量作為對(duì)隧道平移的量度。

圖5 隧道水平向變形分析圖式

按平面應(yīng)變狀態(tài)[9]，考慮土的非完全彈性而引入水平變形經(jīng)驗(yàn)系數(shù)ψh，隧道平移量um為

式中：E為隧道頂板以上土體的當(dāng)量變形模量，MPa；ν為隧道頂板以上土體的當(dāng)量泊松比；γ為路基填土或挖除土體的平均重度，kN/m3；h為加載換算填土高度或挖土高度，m。

3 道路施工和運(yùn)營(yíng)驗(yàn)算

根據(jù)控制變形不得超過(guò)允許變形的原則，按式（6）～式（9）得到總變形驗(yàn)算判別式和逐次變形驗(yàn)算判別式列于表1和表2。

按照相關(guān)文獻(xiàn)[12]并結(jié)合道路施工和運(yùn)營(yíng)特點(diǎn)，總允許變形和逐次允許變形的建議值見(jiàn)表3。

3.1 臨界距離

以單軸雙輪組為代表，雙輪之間距離很近可看作一個(gè)大的單輪，軸兩端輪中心之間距離取2 m，靜動(dòng)應(yīng)力比取n時(shí)的荷載影響深度為考慮軸載反復(fù)作用形變積累導(dǎo)致影響區(qū)下移、道路施工和運(yùn)營(yíng)期的不利狀況，設(shè)計(jì)路面與隧道的臨界豎向距離hvmin為

式中：Zai（i＝1，2，3）為路基施工期、路面施工期、道路運(yùn)營(yíng)期的荷載影響深度，m；hb為路床厚度，m，路面施工期和道路運(yùn)營(yíng)期取0；hs為保護(hù)土層厚度，m；hp為路面厚度，m。設(shè)計(jì)路面與隧道頂面的臨界豎向距離見(jiàn)表4。深度z處的水平向應(yīng)力最大值點(diǎn)位由條件x=z確定，簡(jiǎn)化成平面問(wèn)題，靜動(dòng)應(yīng)力比取n時(shí)的荷載影響水平距離為隧道的臨界水平距離lhmin為設(shè)計(jì)道路邊線與

式中：Xai（i＝1，2，3）為路基施工期、路面施工期、道路運(yùn)營(yíng)期的水平影響距離，m。

K0取建議參考值范圍[8]內(nèi)的中值時(shí)，臨界水平距離計(jì)算值見(jiàn)表5。

當(dāng)滿足豎向或水平臨界距離之一時(shí)，可認(rèn)為道路施工和運(yùn)營(yíng)不會(huì)對(duì)既有隧道產(chǎn)生影響。

表1 總變形驗(yàn)算判別式

表2 逐次變形驗(yàn)算判別式

表3 受道路影響的既有隧道變形允許值（單位：mm）

表4 設(shè)計(jì)路面與隧道頂面的臨界豎向距離（單位：m）

表5 設(shè)計(jì)道路邊線與隧道側(cè)面的臨界水平距離（單位：m）

3.2 壓實(shí)施工方式的適用性

設(shè)最大施工機(jī)具的動(dòng)荷載為P，簡(jiǎn)化成平面問(wèn)題后分別求得豎向變形最小值和水平向變形最大值，即得壓實(shí)施工方式適用性判別式：

隧道結(jié)構(gòu)體水平面投影在道路施工范圍內(nèi)

隧道結(jié)構(gòu)體水平面投影在道路施工范圍外

式（12）中H0'為隧道結(jié)構(gòu)頂面與壓實(shí)作用面的豎向距離，式（13）則要求在隧道所處深度范圍內(nèi)存在D0為壓實(shí)作用點(diǎn)與隧道的水平向距離。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)分析道路層鋪壓實(shí)施工的特點(diǎn)、荷載作用與既有隧道變形之間關(guān)系，得到相應(yīng)狀況下以施加荷載的解析函數(shù)表示的既有隧道變形，基于解析法數(shù)學(xué)處理簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)軟件計(jì)算的特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)階段估計(jì)既有隧道受影響程度、施工階段控制工藝要求方面具有實(shí)用參考價(jià)值。

[1]毛保華,陳紹寬,劉智麗.城市軌道交通規(guī)劃與設(shè)計(jì)（第二版）[M].北京:人民交通出版社,2011.

[2]師曉權(quán).基坑開(kāi)挖對(duì)下臥隧道影響的研究[D].四川成都:西南交通大學(xué),2008.

[3]劉小建.控制卸荷對(duì)下臥地鐵隧道隆起影響的試驗(yàn)和研究[D].上海:同濟(jì)大學(xué),2008.

[4]王路.基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近既有隧道的影響分析[D].北京:北京交通大學(xué),2009.

[5]童偉.深基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近既有隧道力學(xué)效應(yīng)影響規(guī)律研究[D].四川成都:西南交通大學(xué),2013.

[6]張健.新建鐵路路基上跨既有隧道安全性評(píng)估 [J].公路工程, 2012,37(4):37-39,143.

[7]李廣信.高等土力學(xué)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2004.

[8]李廣信,張丙印,于玉貞.土力學(xué)第2版[M].北京:清華大學(xué)出版社, 2013.

[9]徐芝綸.彈性力學(xué)第4版[M].北京:高等教育出版社,2006.

[10]黃興安..公路與城市道路設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2005.

[11]GB 50007-2011,建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[12]李興高.既有地鐵線路變形控制標(biāo)準(zhǔn)研究[J].鐵道建筑,2010(4): 84-88.

U416.1

A

1009-7716（2016）12-0148-05

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.12.044

2016-09-06

莫陽(yáng)（1969-），男，上海人，高級(jí)工程師，從事道路設(shè)計(jì)工作。