上跨隧道開挖對既有隧道的影響及加固措施研究

吳月紅

(佛山市建盈發(fā)展有限公司，廣東 佛山 52800)

隨著城市地下交通系統(tǒng)日益龐大，新建隧道的開挖對既有隧道的影響越來越常見。一方面，由于土體的卸載效應(yīng)，可能使既有隧道產(chǎn)生附加的位移或者應(yīng)力，對既有隧道造成破壞，例如臺北地鐵曾因鄰近隧道的開挖導(dǎo)致既有地鐵隧道結(jié)構(gòu)的破壞[1]。為保護既有隧道的安全運營，通常需要嚴格限制由鄰近隧道開挖造成的位移和變形。另一方面，由于地下結(jié)構(gòu)以及土體的復(fù)雜性，規(guī)范中未明確既有結(jié)構(gòu)的變形和位移的限值，國內(nèi)外沒有統(tǒng)一標準，如上海限制豎向位移為不超過20 mm，廣東限制豎向位移為15 mm。因此，研究既有隧道的位移和變形問題具有現(xiàn)實意義。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者以鄰近隧道開挖對既有隧道的影響為背景開展了大量研究。Liu等[2]基于現(xiàn)場實測，提出土體本身的性質(zhì)及新建隧道開挖的順序?qū)扔兴淼赖奈灰朴休^大的影響。Sharma等[3]提出新建隧道的開挖對既有隧道位移和變形有顯著的影響。Peck[4]通過大量工程實際數(shù)據(jù)，提出在不考慮排水的情況下，隧道開挖形成的地表沉降槽的體積等于地層損失的體積，地表橫向分布近似為高斯正態(tài)分布。楊春山等[5]對下穿隧道施工進行數(shù)值模擬，分析不同開挖深度對既有隧道的影響，結(jié)果表明：下穿開挖過程主要對既有隧道相交位置兩側(cè)2D范圍內(nèi)產(chǎn)生影響。昝子卉[6]以某盾構(gòu)地鐵上穿既有隧道為實例，建立了MIDAS有限元模型，分析開挖過程中的豎向變形，并通過現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)驗證有限元結(jié)果的正確性。瞿婧晶[7]以盾構(gòu)地鐵隧道上穿南京2號線為基礎(chǔ)，通過有限元軟件，分析既有隧道的豎向變形規(guī)律。沈良帥[8]采用有限差分法，分析新建隧道開挖導(dǎo)致的地表沉降，同時探討開挖對地下管線的影響，并給出相關(guān)擬合公式。張瓊方等[9]依據(jù)杭州地鐵1號線下穿工程項目，分析下穿盾構(gòu)隧道對既有隧道變形的影響規(guī)律，提出當(dāng)新建隧道開挖范圍在既有隧道中心線20 m以外時，既有隧道變形受影響比較小。袁德浩[10]以青島某地鐵區(qū)間隧道為基礎(chǔ)，采用Ansys有限元軟件模擬盾構(gòu)隧道開挖對地表沉降的影響。

目前，鄰近隧道開挖對既有隧道影響的研究主要集中在隧道下穿工程，對于上跨隧道工程的研究還不多。本文采用數(shù)值模擬的方法，研究上跨隧道開挖對既有隧道位移、變形以及內(nèi)力的影響，同時對比分析兩種不同既有隧道的加固措施，可為類似工程設(shè)計提供一定參考。

1 數(shù)值模擬

1.1 模型參數(shù)

本文采用MIDAS/GTS進行計算分析，隧道與土體模型如圖1所示，新建盾構(gòu)隧道與既有盾構(gòu)隧道直徑均為8.5 m，襯砌厚度為0.4 m，新建隧道距離地表20 m，新建隧道與既有隧道間距為4 m，新建隧道長度為300 m，既有隧道長度為500 m。為充分考慮新建隧道開挖對既有隧道的影響，減小邊界條件造成的影響，土體尺寸長、寬、高分別為80.0 m、80.0 m、50.0 m，兩條隧道的交角為90°。為保證計算精度和計算效率，隧道襯砌和土體模型均采用三角形全結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，計算時在隧道橫斷面方向取300 m，在隧道開挖掘進方向取200 m，在隧道基地方向取80 m。模型中x方向和y方向分別定義為既有隧道、新建隧道長度方向，z方向為土體深度方向。在既有隧道左右方向施加水平方向約束，前后邊界施加縱向的約束，頂板施加垂直方向的約束。選取Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，該模型可以準確反映隧道開挖過程中土體的傳力路徑，相關(guān)實驗也表明該模型破壞模式與試驗相符，其結(jié)果具有準確性較好、可靠度高的特點[11]。土體采用實體單元，襯砌采用板單元。土體參數(shù)如表1所示。

(a) 土體結(jié)構(gòu)

表1 土體力學(xué)參數(shù)

1.2 既有隧道隆起變形分析

在計算前，為避免既有隧道的初始狀態(tài)對結(jié)果造成影響，對既有隧道重力及土體作用下的變形、位移進行初始化，如圖2a所示。圖2b是新建隧道開挖60 m時既有隧道的位移云圖，此時既有隧道豎向位移達到最大值。從圖中可以看到，既有隧道在兩隧道相交區(qū)域有較大的豎向位移，拱頂位置的豎向位移較其他位置更明顯；當(dāng)沿著既有隧道軸向逐漸遠離相交區(qū)域，豎向位移逐漸減小，說明新建隧道的開挖影響主要集中在梁隧道的相交位置，隨著距離的增加，其他位置受影響越來越小。

為進一步分析不同開挖長度下，既有隧道的豎向位移變化，圖3給出了10～70 m范圍內(nèi)共7個不同開挖深度下的豎向位移曲線。由圖3可知，當(dāng)新建隧道開挖距離小于30 m時，隧道主要發(fā)生沉降作用，沉降位移約為1 mm。當(dāng)新建隧道開挖至40 m處，正好位于既有隧道頂部時，由于頂部土體的卸載，既有隧道發(fā)生隆起效應(yīng)，位移迅速增加。隨著開挖深度繼續(xù)增加，隆起效應(yīng)愈加顯著，在開挖至60m時，隆起位移為4.464 mm，達到最大值；隨后，豎向位移穩(wěn)定在該數(shù)值附近，基本不再隨新建隧道開挖發(fā)生變化。從圖中還能看到，新建隧道開挖的影響主要集中在兩隧道相交區(qū)域，約兩側(cè)1.5D開挖范圍內(nèi)，其他區(qū)域受影響較小。

(a)開挖前

圖3 不同開挖深度下既有隧道位移曲線

為分析既有隧道斷面不同位置的變形情況，本文沿既有隧道軸向，對各拱頂、拱腰、拱底三個位置的豎向位移進行了提取，如圖4所示。由圖4可知，當(dāng)新建隧道開挖到既有隧道左右10 m范圍內(nèi)時，拱頂、拱腰、拱底三個位置的豎向位移變化劇烈，在該開挖范圍內(nèi)，豎向位移迅速增大。當(dāng)開挖深度較淺時，拱頂、拱腰、拱底首先出現(xiàn)沉降效應(yīng)，在拱頂位置有最大的沉降位移約1 mm。當(dāng)開挖至10 m時，三個位置的變形趨近于收斂，最大豎向位移出現(xiàn)在拱頂位置。隨著開挖深度繼續(xù)增加，既有隧道斷面基本不再發(fā)生變形和位移。同時，拱頂位置的豎向位移以及變化趨勢相較其他位置更加顯著。

圖4 不同開挖深度下既有隧道斷面不同位置位移

1.3 內(nèi)力分析

為研究新建隧道開挖對既有隧道內(nèi)力分布規(guī)律的影響，本文對不同開挖深度下的既有隧道彎矩和剪力進行分析。

圖5給出在新建隧道不同開挖長度下，既有隧道的彎矩分布。從圖中可以看到，既有隧道在中部兩側(cè)1.5D范圍內(nèi)以較大的正彎矩為主，在兩隧道相交位置有最大的彎矩值，其余位置以負彎矩為主，且數(shù)值較小。開挖深度較小時，沿既有隧道軸向，各位置的彎矩值較小。開挖至40 m時，新建隧道位于既有隧道正上方，此時彎矩顯著增大。開挖至50 m附近時，彎矩逐漸接近最大值，隨后彎矩數(shù)值趨近收斂，基本穩(wěn)定在最大值附近，不再隨開挖長度的變化而變化。圖6是既有隧道相交斷面彎矩值隨開挖深度的變化圖，從圖中可知，開挖至30 m之前，既有隧道彎矩幾乎不發(fā)生變化，始終在0附近波動；開挖深度進入既有隧道約1.5D范圍內(nèi)時，彎矩迅速增加，且基本呈線性變化；開挖超出既有隧道約1.5D深度后，彎矩值基本穩(wěn)定，不再變化。

圖5 不同開挖深度下既有隧道不同位置彎矩

圖6 既有隧道最大彎矩隨開挖深度變化

從圖7中可以看到，在距離既有隧道中心線左右約10 m處存在最大的剪力值。剪力分布以相交位置為中點對稱分布。與彎矩分布規(guī)律相似，當(dāng)開挖深度較小時，既有隧道剪力受影響較??；當(dāng)開挖至既有隧道頂部位置附近時，剪力迅速增大；當(dāng)開挖至50 m附近時，剪力值開始收斂。圖8是最大剪力值隨開挖深度的變化，最大剪力變化與最大彎矩變化規(guī)律類似，當(dāng)開挖深度在既有隧道1.5D范圍內(nèi)時，剪力受開挖影響較大，其余位置影響較小。

圖7 不同開挖深度下既有隧道不同位置剪力

圖8 既有隧道最大剪力隨開挖深度變化

2 加固措施研究

新建隧道上跨既有隧道時，土體卸載作用會使既有隧道周向的土體應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，既有隧道會發(fā)生變形，影響其使用安全性以及隧道的正常運營。因此，如何合理加固既有隧道，控制其變形，保證其安全運營，成為不可忽略的問題。本文對抗浮錨桿(見圖9)以及抗浮錨桿+超前管幕(見圖10)兩種加固方式進行了數(shù)值模擬，分析兩種加固措施控制既有隧道變形的效果?？垢″^桿長10 m，索力為100 kN，采用桁架單元進行模擬，抗浮錨桿均勻布置在既有隧道斷面拱腰到拱底范圍內(nèi)，每一管片設(shè)置5根。根據(jù)前述分析，新建隧道開挖主要影響既有隧道左右1.5D范圍，因此本文在既有隧道3D范圍內(nèi)均勻設(shè)置超前管幕，間距0.85 m，直徑0.8 m，采用梁單元進行模擬。

圖9 抗浮錨桿模型

圖10 抗浮錨桿+超前管幕模型

圖11～圖13為加固前后既有隧道豎向位移、彎矩、剪力的對比圖。從圖可知，加固后，既有隧道的位移變形、內(nèi)力顯著降低。采用抗浮錨桿+超前管幕的組合加固措施相比單一的抗浮錨桿措施更加有效，加固措施一的布置方式降低了約58%豎向位移、77%彎矩、75%剪力，加固措施二的布置方式降低了80%豎向位移、83%的彎矩值、75%的剪力值。此外，加固前后，既有隧道變形和內(nèi)力分布規(guī)律基本保持一致，即當(dāng)新建隧道開挖范圍在既有隧道兩側(cè)1.5D范圍內(nèi)時，影響較大。

圖11 加固前后豎向位移對比

圖12 加固前后彎矩對比

圖13 加固前后剪力對比

3 結(jié)論

本文基于MIDAS/GTS有限元軟件，建立上跨隧道開挖模型，分析開挖過程對既有隧道豎向位移、內(nèi)力的影響，同時對比兩種不同的加固措施的效果，通過結(jié)果分析獲得出以下結(jié)論：

(1)當(dāng)新建隧道開挖至既有隧道1.5D范圍內(nèi)時，既有隧道發(fā)生明顯的隆起效應(yīng)，在相交區(qū)域的隆起效應(yīng)顯著，同時拱頂位置相較其他位置豎向位移更大；當(dāng)逐漸遠離相交中心時，既有隧道受影響隨之減小。

(2)既有隧道的剪力和彎矩以兩隧道相交點為中心呈對稱分布，在既有隧道相交位置以正彎矩為主，在距離既有隧道中心線左右約10 m處存在較大的剪力值。

(3)當(dāng)開挖深度進入既有隧道1.5D范圍內(nèi)時，既有隧道豎向位移、彎矩、剪力迅速增加，基本呈線性變化，當(dāng)開挖超出既有隧道1.5D范圍后，豎向位移、彎矩和剪力趨于穩(wěn)定，基本不再發(fā)生變化。

(4)采用抗浮錨桿和抗浮錨桿+超前管幕的加固措施能有效減小上跨隧道開挖對既有隧道的影響，可為實際工程提供參考。