新建草莓溝2號隧道近接下穿既有隧道施工安全影響分析*

王 兵

(中鐵十六局集團地鐵工程有限公司，北京100023)

0 引言

近接交疊隧道為隧道線路規(guī)劃了新的空間，但其施工產(chǎn)生的地層擾動給既有隧道帶來結構安全等問題。

從大量工程案例中發(fā)現(xiàn)，近接下穿隧道施工產(chǎn)生的開挖擾動影響區(qū)域存在一定分布規(guī)律[1-6]。石杰紅等[7-8]對4種不同施工方案引起的地表沉降進行比較，并采用數(shù)值分析的方法對地鐵隧道進行安全性研究，發(fā)現(xiàn)其兩側土層較軟而中心土層較硬，故卸荷后的基坑中部回彈量較小，使基底的回彈曲線呈明顯的駝峰形變化；林志軍[9]對盾構下穿施工過程中的施工影響因素及施工措施分別進行研究，發(fā)現(xiàn)不同圍巖條件會改變高鐵隧道結構縱向正應力增量，正應力增量及不同的土船壓力、注架壓力等施工參數(shù)均會影響盾構下穿施工。近接施工方面，仇文革[10]通過深入分析彈性力學、塑性力學、巖土力學等相關物理力學原理與基本理論，揭示臨近施工中的作用機制，并提出針對開挖施工的影響線設定方法，建立地基-圍巖一體化模型；鄭余朝[11]研究不同分區(qū)對地表沉降的預測，進一步獲得埋深比等不同影響參數(shù)的比值；吳克新[12]研究在下穿施工中不同地層、不同開挖方式、不同加固方案的交疊隧道開挖過程中的力學響應，進而對變形機理、破壞機理及特征進行分析；賀琦[13]研究不同路線的隧道下穿上部結構時原有圍巖的受力變化及其對支護的影響規(guī)律，得出交叉段供水隧洞襯砌因開挖產(chǎn)生的附加拉應力及附加壓應力的分布規(guī)律，確定最大附加拉、壓應力值及作用位置；文獻[14-15]基于不同結構體的受力，分析下穿施工對上部已有隧道的穩(wěn)定性影響，得出在建隧道的圍巖壓力10 d內基本穩(wěn)定,拱腰位置圍巖壓力較大,右側拱腰最大為0.2 MPa,之后緩慢減小并趨于穩(wěn)定。

目前，關于精確預測近接下穿施工引起的地層變形、確定近接下穿施工影響區(qū)域的研究還較少，故本文以新建草莓溝2號隧道下穿既有丹湯公路盤道嶺隧道工程為研究背景，利用有限元方法對近接下穿施工過程進行數(shù)值模擬，對開挖施工引起的既有隧道的位移、應力增量變化進行深入分析。研究方法和技術方案可為合理預測工程施工及既有隧道安全性提供必要的技術支持。

1 工程概況

新建草莓溝2號隧道下穿既有丹湯公路盤道嶺隧道位于丹東市西北，全長為620 m，新建草莓溝2號隧道在樁號TJLDK158+161處下穿既有丹湯公路盤道嶺右線隧道，如圖1所示。2條隧道結構凈距4.47 m，交叉段K5+146～K5+184為V類圍巖，巖體較為破碎。對既有隧道進行安全檢測后，評定所檢查范圍(下穿段附近)內的隧道技術狀況等級為B級。需提及的是，新建隧道采用三臺階施工方法，臺階長度為4 m，開挖進尺為1 m。

圖1 隧道下穿示意

2 隧道變形預測及安全判別準則

大量國內外近接施工案例表明，既有隧道在受新建施工影響后結構呈現(xiàn)一定的柔性變形特征[11]，故一般認為可將線彈性分析方法應用于近接施工問題分析中。本文基于E.Winkle地基梁方程對其予以深入分析，其變形的撓曲微分方程形式如式(1)所示：

(1)

式中：EI為地基梁的剛度；x，y為沿著地基梁的橫向和縱向；k為地基系數(shù)，kPa/m。

則附加力q(x)如式(2)所示：

q(x)=KbWd

(2)

式中：Kb為地層位移剛度系數(shù)；Wd為地層受擾動之后的位移，m。

地層沉降的預測采用Peck公式，如式(3)～(4)所示：

(3)

(4)

式中：S，Smax分別為沉降預測值與最大沉降預測值，m；i為齊次方程解的虛數(shù)項；Wd為地層沉降量，m；Wd,max為地層的最大沉降量，m；id為地層的沉降槽寬度系數(shù)。

由于既有隧道的沉降表現(xiàn)出的柔性特征，認為其沉降曲線形式與地層沉降曲線相同，如式(5)所示：

(5)

式中：Ws,max為隧道的最大沉降量，m；Ws為原有隧道的沉降位移，m。is為隧道的沉降槽寬度系數(shù)。

將式(4)～(5)帶入式(3)中，進行麥克勞林展開得式(6)：

(6)

解得式(7)：

(7)

沉降槽寬度系數(shù)間的關系為式(8)：

(8)

得出隧道的沉降預測公式，如式(9)所示：

(9)

綜上，通過式(9)可以預測既有隧道的豎向沉降變化，進而通過相應的安全判別準則及閾值來判斷既有隧道結構受近接施工影響程度，從而在實際工程中采取相應的加固措施。

表1 襯砌應力增加的容許值

3 模擬計算結果

采用有限元軟件對近接下穿施工過程進行數(shù)值模擬，模型中巖體采用Drucker-Prager模型。隧道的開挖與支護可通過模型單元活化與湮滅予以模擬，且不同的支護及襯砌可通過單元再分析予以模擬。模型如圖2所示，相關參數(shù)見表2。

表2 物理力學性質

圖2 數(shù)值模型

3.1 位移分析

提取近接下穿施工完成后隧道結構的豎向位移云圖，如圖3所示。

由圖3可知，既有隧道結構距離下部新建隧道越近，結構沉降位移越大，在隧道交疊處豎向沉降有最大值。

圖3 2條隧道縱向位移云圖

通過設置在隧道左拱腳、左拱腰、拱底、右拱腳及右拱腰的監(jiān)測點，可獲得下穿隧道施工過程中既有隧道結構的位移變化曲線，如圖4所示。

由圖4可知，隧道結構拱底、拱腰和拱腳的豎向沉降有明顯差異。其中，“隧道中斷面”為既有隧道與新建隧道空間交叉處既有隧道斷面。與施工掌子面先行接觸的右拱腳和右拱腰最先產(chǎn)生沉降，與施工掌子面后接觸的左拱腳和左拱腰后發(fā)生沉降。當新建隧道貫通時，既有隧道在拱底沉降最大，左右拱腰部位沉降最小，拱腰最大沉降量僅為1.01 mm。

開挖過程中既有結構拱底沉降如圖5所示。其中，“小樁號”指的是在施工過程中，沿程標示為較小數(shù)量值的樁號。

圖5 拱底沉降曲線

借助式(5)～(6)可得到沉降槽寬度為31.75 mm，由隧道的相對曲變得出允許的最大沉降量為5i/5 000=6.35 mm。由圖5可知，數(shù)值模擬中拱底的最大沉降量為1.33 mm，遠小于沉降控制閾值6.35 mm，即從位移的角度認為既有隧道受到影響較小，結構安全。

3.2 橫向不均勻沉降

除縱向沉降變形外，近接下穿施工過程隧道斷面亦出現(xiàn)明顯的橫向不均勻沉降。不同進尺下的橫向變形如圖6所示，其中Uz為縱向沉降，mm；Ux為橫向沉降，mm。

新建隧道下穿過程中，既有隧道橫斷面各部分沉降有明顯差異，近處拱腰和拱腳先發(fā)生沉降，開挖貫通后既有隧道中線開挖斷面下方沉降量最大；當下穿貫通后，縱向下沉產(chǎn)生于隧道橫斷面處。

由圖6可知，各斷面襯砌的收斂量差異明顯。中斷面的收斂圖為先擴展后壓縮，且斷面壓縮趨勢隨著施工開挖逐漸減小，如圖7所示。由圖7可知，中斷面處以及距離中斷面小于10 m處的斷面收斂量變化較大，此處的施工作業(yè)對于隧道斷面的收斂變化影響更為顯著。下部隧道貫通后各斷面的收斂情況如圖8所示。由圖8可知，隧道斷面最終的收斂量隨著距離中斷面距離的增加，呈現(xiàn)出先減小再增大的趨勢；在距離中斷面15 m處有1個峰值收斂點，結合圖7表明此處的收斂量變化顯著，在后續(xù)施工作業(yè)中需予以重視。

圖6 既有隧道差異沉降

圖7 斷面收斂曲線

圖8 斷面最終收斂量

3.3 應力增量分析

既有隧道中斷面應力增量定義為：在新建隧道施工過程中，既有隧道中斷面某測點第n施工步與第n-1施工步的應力差。

對于襯砌橫向，其受力一般為受拉。既有隧道中斷面12 m處的右拱腳受拉應力最大；隨著掌子面開挖，其右拱腳處拉應力增量趨于穩(wěn)定。新建隧道施工過程橫向應力增量如圖9所示。

圖9 中斷面橫向應力增量曲線

縱向應力增量表現(xiàn)為壓應力增量，最大壓應力增量為0.5 MPa，遠小于壓應力控制閾值，縱向應力增量如圖10所示。

圖10 中斷面縱向應力增量曲線

從位移和應力增量的角度分析既有隧道受下穿施工影響的變化程度，最大拉應力增量0.86 MPa，小于拉應力控制閾值1 MPa，最大壓應力增量0.5 MPa，遠小于控制閾值5 MPa，可以預測既有隧道在下穿施工過程中受到的影響較弱，既有隧道安全穩(wěn)定。

新建隧道可以順利通過，但在施工過程中應確保監(jiān)測頻率，及時反饋監(jiān)控數(shù)據(jù)，保證既有隧道的絕對安全穩(wěn)定。

4 結論

1)結合彈性地基理論和經(jīng)典Peck公式可得出既有隧道受下穿施工影響的位移變化公式，可以由其判斷既有隧道的受影響范圍。

2)既有隧道結構在下穿隧道施工的影響下產(chǎn)生豎向和橫向位移，且橫向位移變形較豎向更為明顯；結構的最大沉降量為1.33 mm，遠小于沉降控制閾值6.35 mm。

3)新建隧道施工過程中，既有隧道中斷面襯砌結構橫向應力增量表現(xiàn)為拉應力增量，縱向應力增量表現(xiàn)為壓應力增量；最大拉應力增量為0.86 MPa，小于拉應力控制閾值1 MPa；最大壓應力增量為0.5 MPa，遠小于控制閾值5 MPa。

4)綜合既有隧道結構的沉降、應力增量分析結果可知，草莓溝2號隧道下穿施工過程中對盤道嶺隧道的施工影響較小，既有隧道安全穩(wěn)定。