基于PFC3D的新建下穿隧道對既有隧道的影響分析

黃春峰，趙蘇文，孫淼軍，邱烈望

(1.上海鐵路樞紐建設(shè)指揮部，上海 200071；2.中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江 杭州 311122；3.浙江華東建設(shè)工程有限公司，浙江 杭州 310010；4.新疆大學(xué)建筑工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830046)

0 引 言

近年來，隨著城市的不斷發(fā)展，交通壓力不斷增大，促使城市地下交通網(wǎng)絡(luò)不斷發(fā)展和完善，越來越多的隧道之間的交叉穿越工程不斷增多。既有運營隧道在施工時已經(jīng)對周圍的土體產(chǎn)生了一定范圍的擾動，破壞了土體原有的平衡狀態(tài)。因此，研究新建隧道下穿既有隧道施工時對既有隧道的影響是十分重要的。

對于新建下穿隧道施工對既有隧道影響的研究，一般采用實測分析、數(shù)值模擬、模型試驗和理論計算[1- 4]等方法。楊福麟等[5]運用有限元數(shù)值模擬軟件MIDAS/GTS，對隧道開挖引起的沉降進行了模擬研究。李鵬等[6]應(yīng)用三維有限元數(shù)值方法，研究了新建盾構(gòu)隧道施工引起既有越江隧道的變形及其內(nèi)力變化規(guī)律。王堅[7]采用數(shù)值分析和有限元仿真數(shù)值模擬，對地鐵隧道開挖引起的沉降和既有隧道結(jié)構(gòu)變形進行了研究。Zhang等[8]采用模型試驗和有限元軟件模擬新建隧道對現(xiàn)有隧道的影響，揭示了結(jié)構(gòu)內(nèi)力、土體應(yīng)力的變化規(guī)律。甘曉露等[9]采用Pasternak 彈性地基梁模型和Loganathan-Polous解，提出雙線隧道下穿作用下既有隧道縱向變形的簡化計算方法，利用指數(shù)曲線公式量化雙線隧道開挖引發(fā)土體損失之間的差異。Zhao等[10]基于Midas數(shù)值模型評價了左線和右線開挖方案對新開挖和既有隧道變形特性的影響，確定了左線優(yōu)先開挖的優(yōu)勢，采用施工監(jiān)測方法，分析了既有隧道的沉降和水平變形特征。此外，還有許多學(xué)者在地鐵隧道開挖穩(wěn)定性分析中采用理論和數(shù)值模擬等方法進行了相關(guān)研究[11-12]。

新建隧道下穿既有隧道有平行、斜交、正交下穿等方式。本文采用離散元PFC3D，以烏魯木齊地鐵河南路段區(qū)間工程為例，模擬分析新建地鐵隧道正交下穿時對既有隧道的影響，計算分析新建地鐵隧道在開挖過程中周圍土體的位移、應(yīng)力變化，以及既有隧道在新建隧道開挖過程中的位移和應(yīng)力變化。

1 工程概況

烏魯木齊地鐵河南路段區(qū)間建設(shè)中3號線與4號線形成交叉穿越隧道，其中3號線在該區(qū)間為既有隧道，隧道半徑為2.8 m。既有隧道頂端上覆土層厚度為11 m，在地表處有較薄雜填土層，新建隧道頂端到既有隧道底部距離為11 m。既有隧道與新建隧道位置關(guān)系見圖1。既有隧道和新建隧道主要處在粉質(zhì)黏土地層中。新建隧道與既有隧道外徑均為5.6 m，管片厚度為0.35 m，每環(huán)管片擬采用長度為1.2 m。不考慮地下水對隧道施工的影響。

圖1 既有隧道與新建隧道位置關(guān)系(單位：m)

2 離散元數(shù)值建模

2.1 理論基礎(chǔ)

顆粒流(PFC)計算方法[13]是一種離散元計算方法。在PFC中顆粒與顆粒之間遵循牛頓第二定律和力-位移定律，可直接模擬圓形顆粒的運動和互相作用問題，同時可以有效模擬大變形問題。在離散元PFC3D中提供了多種接觸模型，本文采用線性平行粘結(jié)接觸模型，該模型在顆粒間接觸點處具有恒定的法向剛度和切向剛度，并允許在接觸間產(chǎn)生張力。根據(jù)力-位移定律，接觸力和彎矩計算公式為

(1)

(2)

2.2 模型建立

本文采用離散元軟件PFC3D建立三維數(shù)值模型，建立的模型尺寸為45 m×44 m×48 m。為提高計算效率，建立模型時對顆粒尺寸按一定比例進行放大。模型生成33 762個顆粒。離散元模型見圖2。計算模型土層及襯砌物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 土層及襯砌物理力學(xué)參數(shù)

圖2 離散元初始三維模型

為分析新建下穿隧道對既有隧道的影響，在模型周圍設(shè)置監(jiān)測點，用于監(jiān)測新建隧道開挖過程中隧道周圍位移和應(yīng)力變化。共設(shè)置52個監(jiān)測點。監(jiān)測點布置及編號見圖3。其中，監(jiān)測點1、16距既有隧道軸線(Y方向)17.75 m，監(jiān)測點1～8、9～16之間間隔2 m。監(jiān)測點21在既有隧道上方(Z方向)15.65 m處，監(jiān)測點17～21之間間隔2 m。監(jiān)測點22位于既有隧道下方(Z方向)1.9 m處，監(jiān)測點22～26之間間隔為2 m。監(jiān)測點27、42距新建隧道軸線(X方向)17.75 m，監(jiān)測點27～34、35～42之間間隔為2 m。監(jiān)測點43在新建隧道底部(Z方向)-3.9 m處，監(jiān)測點43～52之間間隔為2 m。

圖3 監(jiān)測點布置

3 模擬結(jié)果

3.1 位移分析

既有隧道不同監(jiān)測點位移見圖4。從圖4可知，新建隧道開挖完成后，在既有隧道上方豎向位移總體呈增加趨勢，在監(jiān)測點21(上方Z方向15.65 m處)豎向位移值較小，而在近地表處豎向位移值最大。既有隧道Y方向在監(jiān)測點1～8(-17.75～-3.75 m范圍內(nèi))豎向位移較監(jiān)測點9～16(3.75～17.75 m范圍內(nèi))變化值較大，而在開挖步達到1即開挖到既有隧道下方時，在監(jiān)測點9～16(3.75～17.75 m范圍內(nèi))豎向位移產(chǎn)生突變，位移增加。

圖4 既有隧道不同監(jiān)測點位移

新建隧道不同監(jiān)測點位移見圖5。從圖5可知，新建隧道底部不同監(jiān)測點豎向位移總體呈增加趨勢，而開挖步達到1即開挖到既有隧道下方區(qū)域時在監(jiān)測點45(-9.9 m處)和監(jiān)測點44(-7.9 m處)豎向位移產(chǎn)生較大變化，而其他監(jiān)測點豎向位移未產(chǎn)生突變。新建隧道左右兩側(cè)在監(jiān)測點34(-3.75 m處)和監(jiān)測點35(3.75 m處)豎向位移產(chǎn)生較大變化，而其他監(jiān)測點位移變化較小。

圖5 新建隧道不同監(jiān)測點位移

新建隧道與既有隧道間監(jiān)測點位移見圖6。從圖6可知，在新建隧道與既有隧道之間豎向位移在監(jiān)測點22(1.9 m處)和監(jiān)測點23(3.9 m處)位移值變化較大，新建下穿隧道開挖對既有隧道下方位移影響較大。

圖6 新建隧道與既有隧道間監(jiān)測點位移

3.2 應(yīng)力分析

既有隧道不同監(jiān)測點應(yīng)力見圖7。從圖7可知，既有隧道上方不同監(jiān)測點豎向應(yīng)力變化較小，即新建下穿隧道開挖對既有隧道上方應(yīng)力影響較小。而在既有隧道兩側(cè)在監(jiān)測點8(-3.75 m處)和監(jiān)測點9(3.75 m處)水平應(yīng)力具有較大變化值，且隨著開挖的進行水平應(yīng)力呈減小趨勢，在此范圍內(nèi)對既有隧道水平方向影響較大。而其他監(jiān)測點水平應(yīng)力變化較不顯著，影響較小。

圖7 既有隧道不同監(jiān)測點應(yīng)力

新建隧道不同監(jiān)測點應(yīng)力見圖8。從圖8可知，新建隧道左右兩側(cè)水平應(yīng)力在監(jiān)測點34(-3.75 m處)和監(jiān)測點35(3.75 m處)且開挖步達到0.5時有較大變化值，而在監(jiān)測點33(-5.75 m處)和監(jiān)測點36(5.75 m處)水平應(yīng)力變化值較小，其他監(jiān)測點水平應(yīng)力變化較不顯著，影響較小。新建隧道底部豎向應(yīng)力在監(jiān)測點44(-5.9 m處)變化值較大，在開挖到既有隧道下方時有較大的應(yīng)力降低，其他監(jiān)測點應(yīng)力變化較不顯著。

圖8 新建隧道不同監(jiān)測點應(yīng)力

新建隧道與既有隧道之間不同監(jiān)測點應(yīng)力見圖9。從圖9可知，在監(jiān)測點22(Z向1.9 m處)且開挖步在0.5～3.0時豎向應(yīng)力呈先減小后增加的趨勢，而監(jiān)測點26(Z向9.9 m處)豎向應(yīng)力變化較不顯著且逐漸減小。整個開挖過程對既有隧道底部應(yīng)力影響較大。

圖9 新建隧道與既有隧道之間監(jiān)測點應(yīng)力

4 結(jié) 語

本文通過建立離散元模型，對烏魯木齊地鐵河南路段區(qū)間建設(shè)中3號線與4號線交叉穿越隧道進行模擬計算，分析不同監(jiān)測點的位移和應(yīng)力，得出以下結(jié)論：

(1)新建下穿隧道開挖導(dǎo)致既有隧道上方豎向位移發(fā)生變化，未造成位移突變。既有隧道左右兩側(cè)豎向位移在-3.75 m和3.75 m處產(chǎn)生突變，其他監(jiān)測點豎向位移變化較小。既有隧道上方豎向應(yīng)力在不同監(jiān)測點變化不顯著，而既有隧道左右兩側(cè)水平應(yīng)力在-3.75 m和3.75 m處應(yīng)力較大且呈減小趨勢。

(2)新建隧道與既有隧道之間，在新建隧道開挖到既有隧道下方時，豎向位移和豎向應(yīng)力在近既有隧道側(cè)1.9 m和3.9 m處產(chǎn)生突變，而在新建隧道側(cè)位移和應(yīng)力變化較小。

(3)在開挖到既有隧道下方時，新建隧道底部豎向位移-5.9 m和-7.9 m處位移產(chǎn)生突變，而豎向應(yīng)力在-5.9 m和-7.9 m處產(chǎn)生較大變化。新建隧道左右兩側(cè)豎向位移和水平應(yīng)力在-3.75 m和3.75 m處產(chǎn)生突變。