上穿雙線隧道開挖對(duì)既有隧道變形規(guī)律研究

文／重慶科技學(xué)院 張慶 李哲 劉海壯

關(guān)鍵字:上穿；雙線隧道；開挖順序

1 引言

隨著城市規(guī)模不斷擴(kuò)大，城市人口數(shù)量急劇增長(zhǎng)，噪音污染、交通擁堵等問題日益突出，嚴(yán)重制約城市健康發(fā)展。地鐵運(yùn)量大、速度快，可有效解決上述問題，是當(dāng)前我國(guó)城市建設(shè)發(fā)展的重要方向。然而，在地鐵修建過(guò)程中將不可避免會(huì)遇到諸多特殊工況，其中立體“井”字交叉隧道就是交叉隧道中少見的特殊工況之一。王莉[1]依托北京某城市綜合管廊，運(yùn)用有限差分軟件研究不同施工方案下，上穿管廊修建對(duì)地鐵隧道圍巖、地鐵結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、位移影響。于建新[2]以某上穿既有隧道的公路隧道為背景，基于光電、傳感等傳輸技術(shù)構(gòu)建了隧道健康在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)施工影響的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)保證了施工安全。劉傳濤[3]依托羊子嶺隧道上穿鐵路隧道，研究了不同工法下施工對(duì)既有隧道的影響，得到了多步開挖對(duì)減少隧道拱部及仰拱的應(yīng)力釋放有明顯效果。張孟喜[4]依托佛莞城際鐵路隧道上穿廣州地鐵七號(hào)線工程，研究了實(shí)際工程中注漿支護(hù)的注漿壓力最佳范圍。魏綱[5]統(tǒng)計(jì)分析了多個(gè)交叉隧道工程的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和支護(hù)措施，得到了上、下的不同穿越形式會(huì)造成既有隧道不同的變形。

然而，由于交叉隧道工況復(fù)雜導(dǎo)致隧道圍巖變形破壞的因素眾多，關(guān)于此類地質(zhì)條件下隧道圍巖穩(wěn)定性尚需進(jìn)一步研究。因此，研究新建上覆雙洞隧道施工對(duì)既有隧道產(chǎn)生的影響并探究其規(guī)律，據(jù)此保障既有隧道結(jié)構(gòu)安全，維護(hù)既有下臥隧道正常運(yùn)營(yíng)，是新建施工時(shí)需要解決的問題。以重慶市9 號(hào)線某在建地鐵區(qū)間隧道作為研究對(duì)象，構(gòu)造了上穿隧道數(shù)值計(jì)算模型，考慮不同施工順序，進(jìn)行了數(shù)值模擬對(duì)比研究。

2 工程概況

重慶某段在建隧道工程巖土工程附近下穿建構(gòu)筑物有很多。該工程隧道土體主要以中風(fēng)化的砂巖與中風(fēng)化砂質(zhì)泥巖為主，全采用暗挖法進(jìn)行施工建設(shè)。本區(qū)間隧道上跨TBM 區(qū)間。距離區(qū)間豎向最小距離約3.5m，屬于二級(jí)危險(xiǎn)源。擬建區(qū)間采用單洞單線的隧道洞型，洞寬8.00m，洞高7.63m，洞軸間距15.17 ～22.30m，采用鉆爆法施工。

3 數(shù)值模擬

3.1 模型尺寸及網(wǎng)格劃分

考慮隧道開挖的影響范圍，數(shù)值模型左右邊界取距離新建隧道左右邊緣10 倍洞徑處，底部邊界取距離新建隧道下邊緣5倍洞徑處，頂部邊界取自然地面。

建立尺寸為120m×60m×60m 的模型，坐標(biāo)原點(diǎn)位于模型正面中心處，在模型中建立三層土體從上至下依次為填土（厚5m）、砂巖（厚10m）、砂質(zhì)泥巖（厚35m）；四條隧道皆位于砂質(zhì)泥巖地層中。兩條上覆新建隧道之間的凈距為12.5m，兩條下臥既有盾構(gòu)隧道之間的凈距為12m。模型單元?jiǎng)澐郑和馏w采用實(shí)體單元，本構(gòu)關(guān)系采用Mohr——Coulomb 準(zhǔn)則。如圖1 所示。

圖1 三維模型

3.2 數(shù)值計(jì)算施工工況

（1）不同工況

為研究上覆隧道不同開挖順序?qū)ο屡P隧道圍巖的影響規(guī)律，采用FLAC3D 軟件，進(jìn)行以下多組工況計(jì)算：先開挖完成左洞，再開挖右洞；先開挖完成右洞，再開挖左洞；兩洞同時(shí)開挖三種工況。針對(duì)不同開挖順序模擬隧道開挖施工，上穿隧道采取單向開挖，且不考慮新建隧道支護(hù)對(duì)既有隧道的影響。

（2）監(jiān)測(cè)方案

監(jiān)測(cè)方案：在每條既有隧道拱頂從左至右沿隧道軸線每10m 布置一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，共布置26 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

3.3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

為進(jìn)一步分析不同工況下下臥既有盾構(gòu)隧道圍巖變形規(guī)律，根據(jù)既有隧道圍巖的系列測(cè)點(diǎn)，計(jì)算得到了不同工況下各測(cè)點(diǎn)變形量，并繪制出了不同工況下隧道開挖后對(duì)應(yīng)的既有隧道拱頂沉降曲線。

圖2 既有隧道左線拱頂位移

圖3 既有隧道右線拱頂位移

從圖2 和圖3 可以看出，上覆新建隧道的開挖會(huì)對(duì)既有隧道拱頂?shù)膰鷰r造成影響，在三種不同工況下完成上覆隧道開挖后，既有隧道拱頂圍巖產(chǎn)生了變形。在遠(yuǎn)離隧道交叉中心處既有隧道拱頂圍巖呈現(xiàn)沉降變形，隨著既有隧道不斷靠近隧道交叉中心，既有隧道拱頂圍巖變形出現(xiàn)由沉降逐步向隆起發(fā)展的趨勢(shì)。不同的開挖順序?qū)扔兴淼拦绊斣斐傻淖罱K變形基本相同，在新建隧道正下方處既有隧道拱頂圍巖變形達(dá)到最大值。

從圖4 可以看出，在先開挖左洞和先開挖右洞的工況下，既有隧道左線拱頂?shù)奈灰谱兓l(fā)展過(guò)程十分接近，且不同于兩洞同時(shí)開挖。在單洞貫通后，既有隧道左線拱頂位移會(huì)因另一個(gè)隧道的開挖而受到影響再次產(chǎn)生隆起變形。

4 結(jié)論

在這個(gè)工程中不同開挖順序?qū)τ诩扔兴淼揽傋冃沃涤绊戄^小，都會(huì)使既有隧道拱頂圍巖產(chǎn)生隆起變形，在新建隧道正下方處既有隧道變形達(dá)到最大，既有隧道最終變形受上穿雙線隧道影響整體呈“M”形。相較于兩洞同時(shí)開挖，先貫通單洞的工況下既有隧道拱頂圍巖會(huì)因另一洞的開挖而再次產(chǎn)生變形。

圖4 既有隧道左線監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移