小凈距黃土隧道錯距施工對既有隧道影響的數(shù)值模擬分析

張帥珂，王友誼

(中交一公局集團(tuán)第七工程有限公司，河南鄭州451450)

0 引 言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和交通建設(shè)的不斷推進(jìn)，公路隧道的數(shù)量逐年增多，不可避免地出現(xiàn)大量的近接施工工程。在近接工程中，新建隧道的施工將對既有隧道造成不同程度的影響，分析并明確新建隧道施工過程對既有隧道的影響程度是保證既有隧道安全穩(wěn)定的關(guān)鍵。研究人員采用現(xiàn)場監(jiān)測、數(shù)值模擬、模型試驗多種方法進(jìn)行了一系列的相關(guān)研究[1- 8]。萬飛等[9]運用MIDAS-GTS有限元分析軟件對比了新建隧道采用明挖暗埋法施工和暗挖法施工對既有隧道受力及變形的影響規(guī)律，并對既有隧道的安全性進(jìn)行了評價，經(jīng)過綜合對比，推薦明挖暗埋施工方案。針對下穿既有車站的新建地鐵區(qū)間隧道工程，萬良勇等[10]分別計算了全斷面、臺階法及CRD法3種開挖方案引起的既有車站及軌道變形，對比分析了隧道變形量和車站結(jié)構(gòu)的受力變化情況后，最終確定了區(qū)間隧道下穿既有車站的施工開挖方案和注漿加固參數(shù)。王偉[11]采用數(shù)值模擬研究了新建單洞隧道不同預(yù)加固剛度和不同凈距下穿施工對既有隧道的影響規(guī)律，提出了既有地鐵隧道沉降控制標(biāo)準(zhǔn)和分區(qū)指標(biāo)。王軍琪等[12]利用現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析了暗挖通道上跨施工對既有地鐵隧道初支與二襯間的接觸壓力及二襯混凝土應(yīng)力的影響。呂玉東[13]針對2條既有隧道間新建隧道的工程問題，研究了不同開挖方式、不同開挖進(jìn)尺下開挖中線新建隧道，對左右2條既有隧道襯砌變形及應(yīng)力的影響，進(jìn)而比選出最合理的參數(shù)進(jìn)行施工。張新建等[14]對小間距平行隧道施工過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了不同加固方式和加固范圍對先行隧道的影響，得到了不同加固方式的影響規(guī)律與合理的加固范圍。胡志平等[15]針對西安淺埋暗挖雙連拱地鐵隧道工程，研究了雙連拱隧道主洞錯距開挖施工對地表變形和新建隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)受力及變形的影響規(guī)律。

綜上，近接工程中，新建隧道的施工方法、加固措施、與既有隧道的凈距、交疊角度等因素都會對既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)造成不同程度的影響。實際工程中，由于地質(zhì)條件、線路條件等諸多因素的限制，常選用小凈距隧道進(jìn)行設(shè)計。目前，對于小凈距隧道上穿既有隧道左右線錯距施工的研究鮮有見聞。為此，本文依托新橋隧道上跨蒙華鐵路隧道項目，采用數(shù)值模擬研究小凈距隧道左右線不同錯距施工，對既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)拱頂沉降、橫向位移、拱頂應(yīng)力變化的影響規(guī)律。

1 工程概況

新橋隧道位于三門峽市，所處地貌單元屬于黃河Ⅲ級階地，土層以黃土狀粉土和粉質(zhì)黏土為主，局部為粉細(xì)砂，黃土狀土具濕陷性，土質(zhì)均勻，上部表層土層由于人類擾動，多呈松散狀，承載力低。新橋隧道為分離式小凈距組合隧道，最大埋深約52 m，2條線間凈距23 m，其中左線起始樁號為ZK1+664～ZK2+164，長500 m；右線起始樁號為K1+663～K2+160，長497 m。隧道為雙向6車道設(shè)計，開挖斷面大，且埋深較淺，并涉及上穿運行中的蒙華鐵路隧道，與蒙華鐵路隧道拱頂凈距僅為21 m，綜合各方因素以及專家審查意見，選用CD法進(jìn)行施工。圖1為隧道施工現(xiàn)場。新建隧道CD法施工工藝流程見圖2。

圖1 隧道施工現(xiàn)場

圖2 CD法施工工藝流程

2 數(shù)值模型建立

為研究新橋隧道施工對蒙華鐵路隧道安全性的影響，采用ABAQUS軟件進(jìn)行數(shù)值模擬。為消除邊界約束的影響，模型水平方向取3倍隧道開挖寬度，上部取至地表面，下部取3倍隧道開挖高度。此外，為了保證計算效率，僅取新橋隧道上穿蒙華鐵路隧道交疊區(qū)段進(jìn)行分析，模型整體尺寸為160 m×130 m×40 m(見圖3)。在數(shù)值模擬中，采用C3D8R單元模擬土體和隧道襯砌結(jié)構(gòu)，土體采用M-C本構(gòu)模型，隧道襯砌結(jié)構(gòu)采用線彈性本構(gòu)模型。襯砌與圍巖間采用綁定接觸，采用ABAQUS中單元鈍化和激活模擬施工過程中土體開挖和襯砌結(jié)構(gòu)支護(hù)。為簡化小導(dǎo)管注漿加固，模擬過程中將小導(dǎo)管注漿加固的圍巖看作為一個加固層，通過提高巖體的粘聚力和摩擦角模擬圍巖加固層[16]。模型共劃分為9.2萬個網(wǎng)格，模型四周邊界施加法向位移約束，底表面施加三向位移約束，上表面為自由邊界。新建新橋隧道與既有蒙華鐵路隧道位置關(guān)系見圖4。

圖3 整體模型示意

圖4 新建隧道與既有隧道位置關(guān)系

根據(jù)工程地質(zhì)勘察報告，土層分為雜填土以及第四系上更新統(tǒng)黃土狀土、粉土、粉質(zhì)黏土4層。土體及襯砌結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

表1 土體及襯砌結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

為深入研究新建小凈距隧道左右線錯距開挖施工對既有隧道安全性的影響規(guī)律，進(jìn)行了4種不同錯距開挖施工方案模擬，分別為左右線錯距開挖施工0 m(方案1，同步施工)、錯距開挖施工10 m(方案2)、錯距開挖施工20 m(方案3)、錯距開挖施工40 m(方案4)。開挖進(jìn)尺均為2 m。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 既有隧道拱頂沉降

新建隧道開挖完成后既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)豎向沉降云圖見圖5。從圖5可知，襯砌結(jié)構(gòu)沉降主要集中在既有隧道中部和對應(yīng)新建隧道的下穿部分，豎向沉降最大值位于既有隧道中心位置，最小值位于既有隧道端部位置。這是由于既有隧道中部位置受到新建隧道左右線開挖施工的累積影響，造成該部分襯砌結(jié)構(gòu)二次擾動，進(jìn)而表現(xiàn)出沉降最大的現(xiàn)象。

圖5 既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)豎向沉降云圖

為分析錯距開挖施工過程中拱頂沉降變化情況，對比方案1和方案3開挖過程中既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)拱頂沉降，見圖6。圖6中，括弧內(nèi)的數(shù)字表示右線開挖進(jìn)尺。從圖6可知，隨著新建隧道開挖施工的進(jìn)行，既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)拱頂沉降最大值始終位于既有隧道中心位置，這是由于新建隧道左右線同步開挖，在既有隧道上方形成2個同步的開挖卸荷區(qū)，既有隧道中部處于2個開挖卸荷區(qū)交叉影響部位，受到的卸荷應(yīng)力最大，故襯砌結(jié)構(gòu)中部位置拱頂沉降值最大。新建隧道開挖10 m和20 m時，拱頂沉降最大值位于既有隧道對應(yīng)新建隧道左線正下方位置，隨著新建隧道右線開挖的進(jìn)行，拱頂最大沉降值逐漸向右線所在方向偏移，開挖結(jié)束后，最大沉降值位于既有隧道縱向中心位置。

圖6 既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)拱頂沉降

為對比研究不同錯距施工對既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)最終拱頂沉降的影響，繪制不同錯距施工方案下既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)拱頂沉降變化，見圖7。從圖7可以看出，不同錯距開挖方案下最終拱頂沉降趨勢相同，4種方案下既有隧道最終沉降值均關(guān)于既有隧道中心對稱。方案1的拱頂沉降值最大，為6.26 mm；方案2的拱頂沉降值為5.89 mm；方案3的拱頂沉降值為5.64 mm；方案4的拱頂沉降最小，為5.15 mm，均滿足相關(guān)規(guī)范要求。方案1拱頂最終沉降值比方案4大1.1 mm左右，說明新建隧道左右線采用同步開挖施工方案時，對既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)拱頂沉降值影響最大，故施工過程中應(yīng)盡量采用錯距施工。

圖7 4種方案既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)拱頂沉降

3.2 既有隧道橫向位移

新建隧道開挖完成后既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)橫向變形位移云圖見圖8。從圖8可知，既有隧道橫向位移變形值很小，最大值約0.3 mm，這是因為新建隧道與既有隧道的平面位置關(guān)系近垂直，新建隧道開挖對既有隧道橫向變形影響較小。

圖8 既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)橫向變形位移云圖

3.3 既有隧道拱頂應(yīng)力變化

新建隧道開挖完成后既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)Mises應(yīng)力分布見圖9。從圖9可以看出，靠近既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)中部位置的應(yīng)力值最大，遠(yuǎn)離中部位置的應(yīng)力值越小。

圖9 既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)Mises應(yīng)力分布

以方案3為例，分析新建隧道開挖施工過程中既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)Mises應(yīng)力變化情況，見圖10。從圖10可以看出，開挖前20 m，既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力最大值位于既有隧道中心偏左方位置，隨著新建隧道右線開挖的進(jìn)行，應(yīng)力最大值逐漸向右偏移，新建隧道開挖結(jié)束后，應(yīng)力最大值位于既有隧道縱向中心位置。此外，新建隧道開挖施工對既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化影響范圍在中部80 m范圍內(nèi)，超過該范圍外的應(yīng)力值幾乎沒有發(fā)生變化。

圖10 方案3既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)Mises應(yīng)力分布

為深入分析既有隧道拱頂關(guān)鍵位置在新建隧道開挖過程中的應(yīng)力變化情況，以方案3為例，選取既有隧道拱頂3個點進(jìn)行研究。A點為既有隧道對應(yīng)新建隧道左線正下方拱頂位置；B點為既有隧道縱向中心位置；C點為既有隧道對應(yīng)新建隧道右線正下方拱頂位置。圖11為既有隧道拱頂關(guān)鍵點隨新建隧道開挖的應(yīng)力變化。從圖11可以看出，前20個開挖步中，A點應(yīng)力值增加最快，B點次之，C點的應(yīng)力值幾乎不變，這是因為左線開挖對既有隧道左部影響較大，對既有隧道右部影響很小；在接下來20個開挖步中，A、B、C點應(yīng)力值幾乎同比增長；在最后20個開挖步中，C點應(yīng)力值增加最快，B點次之，A點的應(yīng)力值幾乎不變，這是因為左線已經(jīng)開挖結(jié)束，新建隧道右線的開挖會對既有隧道右部產(chǎn)生較大影響，對既有隧道左部影響很小。

圖11 既有隧道拱頂關(guān)鍵點隨新建隧道開挖的應(yīng)力變化

為研究新建隧道不同開挖施工對既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力增量的影響規(guī)律，繪制不同錯距施工下既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力增量變化，見圖12。從圖12可以看出，不同錯距開挖施工下拱頂應(yīng)力增量分布相同，4種方案下既有隧道拱頂應(yīng)力增量最大值均為中部。方案1的拱頂應(yīng)力增量值最大，為392 kPa；方案2的拱頂應(yīng)力增量值為373 kPa；方案3的拱頂應(yīng)力增量值為357 kPa；方案4的拱頂應(yīng)力增量值最小，為325 kPa。方案1比方案4拱頂應(yīng)力增量大67 kPa，說明新建隧道左右線采用同步開挖方案時，對既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)拱頂應(yīng)力增量影響最大。

圖12 4種方案下既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)拱頂應(yīng)力增量

4 現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)對比分析

新橋隧道工程左右線采用錯距40 m施工，施工過程中對下臥蒙華鐵路隧道交疊區(qū)段的多個斷面進(jìn)行了檢測，由于蒙華鐵路線路已經(jīng)運營，無法檢測襯砌結(jié)構(gòu)拱頂沉降變化，故只對拱腰位置進(jìn)行了檢測，監(jiān)測位置位于蒙華鐵路隧道內(nèi)檢修道高1.5 m處，監(jiān)測范圍從交疊區(qū)段向外各延伸50 m，總計100 m，每10 m為1個監(jiān)測斷面。

拱腰沉降模擬數(shù)據(jù)與實際現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)對比見圖13。從圖13可以看出，數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)趨勢相同，都為單峰值曲線，離既有隧道縱向中心越近，拱頂沉降值越大；離既有隧道縱向中心越遠(yuǎn)，拱頂沉降值越小。數(shù)值模擬結(jié)果相比現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)偏大，這是由于數(shù)值模型建立過程中假定土體為均質(zhì)和各向同性的材料，且未考慮開挖施工中其他不確定因素，故導(dǎo)致數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果存在一定偏差，但該數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果呈現(xiàn)的規(guī)律一致，驗證了數(shù)值模擬的合理性，且該數(shù)值模擬值應(yīng)用于實際工程中更偏安全。

圖13 數(shù)值模擬與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果對比

5 結(jié) 語

本文通過數(shù)值模擬方法，分析了小凈距黃土隧道左右線不同錯距施工對既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力及變形影響情況，并結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，得出以下結(jié)論：

(1)新建隧道左右線采用同步開挖施工方案對既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)拱頂沉降影響最大，隨著左右線開挖錯距的增加，既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)拱頂沉降值變小，采用40 m錯距施工相比同步開挖施工拱頂沉降值減小了1.1 mm。

(2)由于新建隧道與既有隧道平面位置關(guān)系為近乎垂直關(guān)系，4種方案下既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)橫向位移受新建隧道錯距施工的影響較小，均為0.3 mm左右。

(3)4種方案下同步開挖施工既有隧道拱頂應(yīng)力增量最大，且應(yīng)力增量會隨著開挖錯距的增加而減小?；诳紤]既有隧道安全穩(wěn)定性問題，在小凈距隧道上穿既有隧道類似工程中，建議加大左右線錯距進(jìn)行施工。