公路隧道下穿施工對既有隧道的影響

劉玉騫 王寅辰 姜 濤

(河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000)

0 引 言

隨著國家基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展,隧道建設(shè)在工程中有很大作用.在公路隧道的施工中，通常會遇到下穿既有隧道的情況.由于下穿既有隧道工程實施很容易對既有隧道產(chǎn)生不利影響，對既有隧道的位移和應(yīng)力變化，影響既有隧道結(jié)構(gòu)的安全性和使用壽命.

目前，許多學(xué)者對新建隧道下穿既有隧道的影響因素開展了多方面研究，并得到了相應(yīng)的成果.房明等[1]利用MIDAS/GTS軟件建立交叉隧道模型，模擬新建隧道下穿盾構(gòu)施工過程中在不同隧道覆土厚度、隧道間凈距及土體強度條件下對既有隧道沉降變形的影響；嚴鵬飛等[2]利用ABAQUS軟件建立隧道三維模型，通過現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬探討了不同埋深隧道對地表沉降的影響，得出隨著隧道埋深和沉降槽寬度的不斷增大，在隧道開挖中影響周圍土體范圍增大，表現(xiàn)出拱頂?shù)乇沓两迪仍龃蠛鬁p小；張青等[3]利用ABQUS建立近距離小角度斜隧道三維的有限元計算模型，研究下穿隧道施工對既有隧道穩(wěn)定性的問題，通過數(shù)值模擬分析和現(xiàn)場監(jiān)測的數(shù)據(jù)對比，在既有隧道豎向位移、水平位移及應(yīng)力得出一些相應(yīng)的規(guī)律;劉頎楠等[4]利用FLAC3D軟件構(gòu)建正交下穿隧道三維數(shù)值模型，以計算隧道間平面間距離不同的垂直凈距和與新建隧道水平間距不同情況下，分析施工中對既有隧道和地表的變形影響；胥俊瑋等[5]運用FLAC3D軟件構(gòu)建正交隧道下穿既有隧道三維數(shù)值模型，分析了新建地下隧道在建設(shè)施工中荷載對新建既有的隧道結(jié)構(gòu)三維變形規(guī)律及隧道地表沉降變化影響,得出隧道地表沉降的變化影響規(guī)律以及對既有地下隧道結(jié)構(gòu)襯砌變形、內(nèi)力的變化規(guī)律；黃春峰等[6]采用離散元PFC3D軟件建立隧道模型，模擬分析新建隧道下穿施工中對既有隧道豎向位移和應(yīng)力的影響；劉新榮等[7]采用三維物理模擬實驗，分析在不同立交間距下，通過對既有隧道的位移和應(yīng)力的監(jiān)測，得出立交隧道的立交間距值.

本文以某立體交叉隧道為工程背景，運用FLAC3D數(shù)值計算軟件對立體交叉隧道進行三維數(shù)值模擬和分析，以找出新建公路隧道的合理位置，為新建公路隧道施工提供參考.

1 工程概況及計算模型

1.1 工程概況

本文以某立體交叉隧道工程為依托，新建公路隧道矢高12.3 m，跨度10.4 m.擬建公路隧道下穿既有隧道，軸線呈90°相交，兩者最小垂直凈距5 m.既有隧道矢高13.7 m，跨度12.5 m.新建隧道采用臺階法施工，擬建工程巖性為Ⅳ級圍巖.

1.2 計算模型及參數(shù)

按照設(shè)計方案,在MIDAS軟件中創(chuàng)建立體交叉隧道模型并劃分網(wǎng)格,將模型經(jīng)過轉(zhuǎn)換軟件導(dǎo)入FLAC3D中.如圖1所示，由圣維南原理確定模型范圍為：y方向取80 m，x方向上取80 m(-40 m～40 m)，z方向取80 m[8].圍巖用實體單元來模擬，襯砌等支護結(jié)構(gòu)采用彈性材料提高材料參數(shù)來實現(xiàn).除上邊界設(shè)定為自由邊界之外，模型的x、y方向均有法向約束約束位移.圍巖采用M-C本構(gòu)模型.根據(jù)工程資料顯示，具體物理力學(xué)參數(shù)如表1所示.

圖1 計算模型

表1 模型的物理力學(xué)指標

1.3 合理位置設(shè)計及開挖過程模擬

新建隧道合理位置設(shè)計內(nèi)容主要包括新舊隧道垂直凈距，本文旨在探討兩隧道垂直凈距(5 m，10 m，15 m，20 m)對既有隧道結(jié)構(gòu)變形和地表沉降變化的影響.

公路隧道采用上下臺階法施工，模型開挖選取4 m一開挖步.考慮到目前既有隧道已建成，隧道周圍土體在公路隧道施工前沉降已經(jīng)穩(wěn)定.計算公路隧道施工對既有隧道所產(chǎn)生的影響時，需要先將既有隧道施工所引起土體的位移清零.

2 地表沉降Peck公式

1958年，Martos利用大量隧道開挖引起的豎向地表沉降槽的實測觀察結(jié)果，首次提出隧道開挖引起的隧道橫向地表沉降槽形狀應(yīng)符合高斯分布[9],見圖2.

圖2 地表橫向沉降槽

同年，Peck教授在統(tǒng)計大量隧道開挖引起地表沉降實測資料的基礎(chǔ)上，提出了地層損失的概念及估算隧道開挖引起地表沉降的經(jīng)驗方法，即Peck公式[10].

﹙1﹚

i=Kz0

﹙2﹚

式中：x距離隧道軸線為x處的地表沉降值；A為開挖面積；Vl為地層損失率；i為從隧道軸線到高斯沉降曲線反彎點的水平距離，稱為地表沉降槽寬度系數(shù)，一般情況，地表沉降槽寬度約5i;K是地表沉降槽寬度系數(shù);Z0是地表至隧道中心深度.

1993年,R.J.Mair等[11]通過對硬黏土和軟黏土中工程實測資料進行分析,發(fā)現(xiàn)地表以下的沉降槽曲線同樣能用Peck公式預(yù)測，并發(fā)現(xiàn)地表沉降槽寬度系數(shù)K隨深度z的增加而減小,即

﹙3﹚

式中:K(z/z0)即為地層深度z處的沉降槽寬度系數(shù);a為考慮地層特性的參數(shù).

3 計算結(jié)果與分析

3.1 沉降分析

本隧道作為下穿隧道，采用臺階法開挖，不同凈距下分別對下部隧道沉降進行數(shù)值模擬，開挖后的沉降位移云圖如圖3所示.

圖3 不同凈距下的沉降位移云圖

由圖3所示位移云圖可得：5 m、10 m、15 m和20 m四種工況下最大沉降位移值分別是86.81 mm、81.01 mm、96.29 mm和109.38 mm.由位移云圖顏色的變化程度，顯示出隧道拱頂和仰拱均發(fā)生不同程度的變形，應(yīng)及時做好初襯，通過有效控制襯砌參數(shù)以限制拱頂沉降和仰拱隆起，同樣也減小周邊圍巖變形程度，對上部隧道能夠有效的控制沉降變形[12].

3.2 水平沉降分析

為分析新建下部隧道開挖引起的地層擾動對上部既有隧道的水平位移影響，提取既有隧道不同特征點處的水平變形值，見表2.

表2 既有隧道水平收斂值

從表2中可知：既有隧道的拱腰和拱腳的水平變形隨著垂直凈距的增加而減小.凈距為5 m時，拱腳比拱腰的水平變形大，新建公路隧道施工過程中，拱腳比拱腰距離掌子面近.當垂直凈距的增加，新建公路隧道在施工過程中對上部隧道影響小，既有隧道的拱腰和拱腳的水平方向變形均減少.新建公路隧道埋深的增加，圍巖的強度提高，新建隧道在施工中產(chǎn)生的擾動力，會被圍巖自身抵消大部分，減小既有隧道在水平方向變形.

3.3 不同垂直凈距的影響

為分析隧道垂直凈距對既有隧道的影響，分別取隧道垂直凈距為5 m、10 m、15 m和20 m時，進行計算.圖4為不同垂直凈距下地表沉降曲線，圖5和圖6分別既有隧道拱頂和仰拱的位移曲線.

圖4 不同垂直凈距下的地表沉降

圖5 不同垂直凈距下既有隧道拱頂沉降曲線 圖6 不同垂直凈距下既有隧道仰拱隆起曲線

由圖4可得：不同垂直凈距的沉降曲線均呈現(xiàn)出先增大后減小的變化規(guī)律，在兩隧道交叉段，地表沉降明顯增大.垂直凈距為5 m，地表沉降量最大為7.86 mm；隨著凈距的不斷增大，垂直凈距為10 m，地表沉降達到最小值，為5.80 mm，由此可以看出，當隧道埋深較淺時，圍巖的自承能力可以得到充分發(fā)揮.當垂直凈距超過10 m，地表沉降速率突增，垂直凈距為20 m，地表沉降值最大，后者較前者沉降量增大了16.33 mm.隨著隧道埋深的增加，圍巖的自重應(yīng)力和自承能力也逐漸增大，圍巖自承能力增加速度低于圍巖自重應(yīng)力增加速度，即垂直凈距超過10 m，地表沉降會隨著隧道埋深的增加而增大.

從圖5和圖6可得：既有隧道拱頂和仰拱位移曲線均先減小后增大，垂直凈距為5 m，既有隧道拱頂和仰拱最大變形分別為8.82 mm、9.72 mm，垂直凈距的增加，既有隧道拱頂和仰拱沉降變形減小.垂直凈距為10 m，既有隧道拱頂和仰拱最大位移為5.74 mm、5.79 mm，此時位移值最小.垂直凈距超過10m，既有隧道拱頂和仰拱變形快速增大，其位移值大于5 m、10 m的最大位移值，15 m和20 m的變形速率大于5 m和10 m的變形速率，新建公路隧道為淺埋隧道，既有隧道周圍圍巖的承載能力高，可減緩既有隧道拱頂和仰拱變形.新建隧道埋深超過2D(D為新建隧道跨度)時，既有隧道周圍圍巖的承載能力小于圍巖本身的自重應(yīng)力，既有隧道拱頂和仰拱的變形增大.在選定新建公路隧道的位置時，可適當增加隧道垂直凈距，減小新建公路隧道施工過程中引起的地表和既有隧道變形.當新建公路隧道埋深為2D～3D之間，平衡拱[13]發(fā)展至上部隧道，拱效應(yīng)不能充分發(fā)揮自穩(wěn)作用，導(dǎo)致既有隧道的拱頂和仰拱位移值變大，相應(yīng)的隧道施工及運營成本就越大.故綜合考慮各方面因素建議隧道垂直凈距應(yīng)在10 m左右.

3.4 應(yīng)力分析

新建公路隧道施工過程中對既有隧道襯砌內(nèi)力有較大影響.不同凈距下既有隧道襯砌最大應(yīng)力變化情況，見表3.

表3 既有隧道襯砌最大應(yīng)力變化情況

從表3中可知：隧道垂直凈距為5 m，既有隧道襯砌的第一主應(yīng)力為1.84 MPa，第三主應(yīng)力為-6.16 MPa(主應(yīng)力為拉正壓負)，隨著垂直凈距不斷增大，最大應(yīng)力逐漸增大，垂直凈距為15 m，既有隧道襯砌應(yīng)力最大，當垂直凈距超過15 m，既有隧道襯砌應(yīng)力減小.隨著新建公路隧道埋深增加，隧道圍巖應(yīng)力增強，會減小對既有隧道襯砌影響，相比垂直凈距在10 m內(nèi)，既有隧道襯砌變形程度較大.為減小新建公路隧道下穿施工對既有隧道的影響，隧道垂直凈距在10 m左右為合理凈距.

4 結(jié) 論

通過分析不同隧道垂直凈距下既有隧道的變形和受力情況，得出以下結(jié)論：

(1)不同隧道垂直凈距下，新建隧道在施工過程中對既有隧道的擾動和地表沉降規(guī)律不同.隨著隧道垂直凈距的增加，既有隧道變形和地表沉降均為先減后增，為有效控制地表和既有隧道的沉降變形，同時考慮到施工及成本問題，隧道垂直凈距宜控制在10 m左右，新建公路隧道施工中對既有隧道水平方向變形影響較小.

(2)新建公路隧道施工過程中，既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生應(yīng)力重分布.不同垂直凈距影響下，既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力變大，既有隧道內(nèi)部襯砌發(fā)生不均勻變形，且仰拱變形略大于拱頂變形，產(chǎn)生了較大的相對位移變形，將會影響既有隧道的安全性.

(3)新建公路隧道正交下穿施工對地表及既有隧道均產(chǎn)生一定程度的影響，為保證既有隧道結(jié)構(gòu)的安全性，同時減少地表沉降，可以采用注漿加固隧道周圍土體等施工措施.