暗挖車站零距離下穿既有隧道施工的應力分析*

徐延召 易領兵 呂兆龍 楊 忠 吳程浩 王 宇 楊涌躍 鄭力銘 宋 欣

(1.鄭州地鐵集團有限公司,450003,鄭州; 2.中國交建軌道交通事業(yè)部,100088,北京; 3.鄭州一建集團有限公司,450099,鄭州; 4.鄭州寶冶鋼結構有限公司,450047,鄭州;5.中鐵工程設計咨詢集團有限公司,100088,北京; 6.中國國家鐵路集團有限公司工程管理中心,100088,北京∥第一作者,高級工程師)

近些年來,隨著城際鐵路、市域鐵路及城市軌道交通等項目的全面開建,不可避免地出現(xiàn)新建線路與既有線路上跨、下穿及側穿等諸多情況。文獻[1]對洞樁法若干小導洞施工過程中,應力場的分布規(guī)律進行了研究;文獻[2]對交叉重疊隧道在凈距較小條件下施工過程中的力學影響進行了研究;文獻[3]對新建隧道采取暗挖法近距離下穿區(qū)間施工方案進行了研究;文獻[4]對大跨度小凈距若干隧道群的開挖施工方案進行了研究;文獻[5]對某4條線路隧道在長距離密貼條件下施工對車站的影響進行了研究;文獻[6]對某區(qū)間下穿施工對車站的影響進行了研究;文獻[7]對黃土區(qū)域某通道上穿暗挖施工對地鐵區(qū)間的力學及變形影響進行了研究;文獻[8]對新建地鐵下穿施工對地鐵站的影響進行了研究。

本文結合某具體工程,對暗挖站零距離下穿施工條件下的隧道應力變化趨勢及分布規(guī)律進行研究,并進一步分析了區(qū)間隧道混凝土結構塑性破壞區(qū)范圍;比較施工中應力監(jiān)測值與模擬值的變化規(guī)律及發(fā)生位置,通過擬合度來佐證了模擬的準確性和可實施性。

1 工程概況

新建車站為南北向布置,采用明暗挖結合施工。南端明挖段長100.0 m,中間暗挖段長18.2 m,北端明挖段長60.4 m,明挖部分基坑深26～27 m,暗挖部分頂部至地面約為13 m,底埋深約為26～27 m。新建的平頂直墻暗挖車站零距離下穿既有的矩形斷面隧道。新建車站與既有隧道的平剖面位置關系如圖1所示。為便于后續(xù)論述,特在圖1中注明:變形縫1東側既有隧道為區(qū)間a段,變形縫1和變形縫2之間既有隧道為區(qū)間b段,變形縫2西側既有隧道為區(qū)間c段。

a) 平面圖

2 建立有限元計算模型

本文采取ABAQUS有限元軟件建立有限元計算模型,對施工過程中的既有隧道應力進行模擬計算。根據(jù)圣維南原理及以往工程案例可知,僅在地下施工空間周圍距地下空間中心3～5倍開挖范圍內存在實際影響。結合本工程實際勘察情況及計算需求確定模型計算范圍,確定計算模型尺寸為180 m(x向)×50 m(z向)×80 m(y向)。土、砂、巖采用Mohr-Coulomb模型模擬;擬建地鐵車站及既有隧道采用線彈性本構模型模擬;除地表為自由面外,其余四面及底面采取固定約束以限制各向位移。圖2為計算模型圖,圖3為相對位置關系模型圖。各土層及結構力學指標詳見表1。

表1 材料力學性能參數(shù)

圖2 計算模型

圖3 相對位置關系模型

施工過程共有8個施工步驟,土體-結構斷面如圖4所示。

圖4 土體-結構斷面示意圖

步驟1:1號導洞開挖與支護;1號導洞貫通后,施做洞內的灌樁柱和樁頂冠梁。

步驟2:4號導洞開挖與支護;4號導洞貫通后,施做洞內的灌樁柱和樁頂冠梁。

步驟3:2號導洞開挖與支護;2號導洞貫通后,施做2號導洞內的灌注樁、鋼管柱、頂縱梁和部分頂板。

步驟4:3號導洞開挖與支護;3號導洞貫通后,施做2號導洞內的灌注樁、鋼管柱、頂縱梁和部分頂板。

步驟5:開挖2、3號導洞之間的Ⅰ部土體;貫通后進行拆除2、3導洞部分初期支護,施做部分頂板。

步驟6:開挖1、2號導洞之間的Ⅱ部土體,以及3、4號導洞之間的Ⅲ部土體;拆除其余部分初期支護后,施做剩余頂板和部分側墻。

步驟7:向下開挖,施做車站中板、中縱梁和部分側墻。

步驟8:向下開挖,施做車站底板和剩余部分結構,完成車站暗挖段施工。

3 有限元計算結果分析

既有隧道為C30鋼筋混凝土框架結構,其抗壓強度設計值為14.30 MPa,抗拉強度與抗剪強度設計值為1.43 MPa,鋼筋材料的抗拉強度設計值為310.00 MPa。本文將以此為依據(jù)對應力計算結果進行分析。

為節(jié)約篇幅,本文僅列出步驟8(施工即將完成時)的應力云圖,并對各步驟的應力變化趨勢進行分析。模擬得到的各施工步驟下既有隧道應力最大值發(fā)生位置如表2所示。其中,位置坐標系原點(0,0,0)位于下穿段開挖起始斷面、注漿加固區(qū)底部東側底角。

表2 各施工步驟下既有隧道應力最大值發(fā)生位置

3.1 最大主應力

圖5為步驟8的既有隧道主應力云圖。圖6為步驟8的既有隧道主應力分布仰視圖。圖7為不同施工步驟下的既有隧道最大主應力曲線圖。

圖6 步驟8的既有隧道主應力仰視云圖

圖7 不同施工步驟下的既有隧道最大主應力曲線圖

根據(jù)計算結果,最大主應力基本出現(xiàn)在既有隧道的底部變形縫1附近,處于區(qū)間b段上,且既有結構頂部基本處于受壓狀態(tài)。這表明在整個施工過程中既有隧道結構呈“凹向上”的彎曲變形趨勢。

隨著開挖施工的進行,既有隧道的最大主應力呈不斷增加的趨勢:從步驟 1到步驟5,最大主應力緩慢增大,且增大幅度很小;從步驟5到步驟6,最大主應力值突然增大到65.61 MPa,增大比例高達314.7%;隨后,增加幅度放緩慢,最終增大到71.47 MPa。

3.2 最大拉應力

圖8為步驟8的既有隧道拉應力云圖。圖9為不同施工步驟下的既有隧道最大拉應力曲線圖。

圖8 步驟8的既有隧道拉應力云圖

圖9 不同施工步驟下的既有隧道最大拉應力曲線圖

由圖5—圖6可見,最大拉應力附近區(qū)域的應力變化比較明顯,在相應位置既有隧道的結構表面將可能出現(xiàn)張裂裂紋。根據(jù)計算結果,最大拉應力均出現(xiàn)在既有線底板變形縫1附近:在開挖步驟1中,最大拉應力出現(xiàn)在區(qū)間a段;后續(xù)開挖過程中,最大拉應力均處于區(qū)間b段底板局部區(qū)域?？梢?應力變化較明顯的區(qū)域位于相應開挖步驟部位上方、偏近于變形縫1處,反映出施工過程對相應部位上方既有隧道的擾動影響。

進一步分析模擬結果可以看出,隨著開挖施工的進行,既有隧道的最大拉應力呈不斷增加的趨勢:從步驟 1到步驟5,最大拉應力緩慢增大,且增幅很小;從步驟5到步驟6,最大拉應力值突然增大到86.92 MPa,增大比例達346.9%;隨后,增加幅度放緩,最大拉應力最終增大到94.33 MPa。

在施工過程中,既有隧道結構的最大拉應力值超過C30混凝土的拉應力設計值,故在施工期間既有隧道的混凝土可能出現(xiàn)裂紋。最大拉應力值雖未超過鋼筋抗拉強度設計值,但這對既有結構是一潛在的不利因素。因此,在施工期間,應勤于觀測結構面裂紋變化,在特殊情況下應適當減緩施工,并采取相應加固支護措施,防止結構表面大面積開裂。

3.3 最大剪切應力

圖10為步驟8的既有隧道剪切應力仰視云圖,圖11為既有隧道的結構剪切應力云圖。圖12為不同施工步驟下的既有隧道最大剪切應力曲線圖。

圖10 步驟8的既有隧道剪切應力仰視云圖

圖11 步驟8的既有隧道剪切應力云圖

圖12 不同施工步驟下的既有隧道最大剪切應力曲線圖

由模擬結果可以看出:隨著開挖施工的進行,既有隧道的結構最大剪切應力呈不斷增加的趨勢。最大剪切應力出現(xiàn)在變形縫1附近,處于區(qū)間b段上。

隨施工步驟進行,既有隧道結構的最大剪切應力逐漸增大:從步驟 1到步驟5,最大剪切應力緩慢增大,且增幅很小;從步驟5到步驟6,最大剪切應力突然增大到49.46 MPa,增大比例達363.5%;隨后,增幅放緩,最終最大剪切應力增大到51.03 MPa。

在施工過程中,既有隧道的最大剪切應力值超過C30混凝土設計值,故混凝土在施工期間可能會出現(xiàn)裂紋,這對既有結構是一潛在不利因素。在施工期間,應勤觀測結構面裂紋變化,特殊情況適當減緩施工,采取相應加固支護措施,防止結構大面積表面開裂。

3.4 結構塑性破壞區(qū)

各步驟的既有隧道彈塑性區(qū)域分布如圖13所示。由圖13可以看出:大部分塑性區(qū)位于結構底板上,且位于東側變形縫1附近區(qū)域;在既有隧道的側壁上也有部分塑性區(qū)域。在塑性區(qū)內,既有隧道的C30混凝土結構將處于極不安全狀態(tài),隨時會萌生裂紋或開裂,甚至大面積開裂,這將會大大降低結構的安全性。在施工過程中應該嚴密監(jiān)視塑性區(qū)部位,防止裂紋發(fā)生。

圖13 各施工步驟的既有隧道彈塑性區(qū)域分布示意圖

4 模擬結果與施工監(jiān)測結果的對比

在實際施工過程中,對各施工步驟的最大主應力、最大拉應力及最大剪切力變化情況進行監(jiān)測,并繪制各施工步驟的實際應力監(jiān)測曲線,如圖14所示。

a) 最大主應力

根據(jù)實際監(jiān)測結果,總結各應力的變化規(guī)律如下:

1) 既有隧道的最大主應力。從步驟 1到步驟5,最大主應力緩慢增大,且增幅很小;從步驟5到步驟6,最大主應力值突然增大到62.15 MPa,增大比例達315.0%;隨后,最大主應力增幅放緩,最終增至68.75 MPa。

2) 既有隧道的最大拉應力。從步驟 1到步驟5,最大拉應力緩慢增大,且增幅很小;從步驟5到步驟6,最大拉應力值突然增大到84.62 MPa,增大比例達351.0%;隨后,最大拉應力增幅放緩,最終增至89.61 MPa。

3) 既有隧道的最大剪切應力。從步驟 1到步驟5,最大剪切應力緩慢增大,且增幅很小;從步驟5到步驟6最大剪切應力值突然增大到47.62 MPa,增大比例達378.1%,隨后,最大剪切應力增幅放緩,最終增至51.03 MPa。

在實際施工期間,觀測既有隧道結構表面發(fā)現(xiàn):在既有隧道的底板,特別是區(qū)間b段靠近變形縫1位置附近,混凝土結構表面確有微小裂紋出現(xiàn);適當減緩施工并及時進行支頂后,該結構表面裂紋區(qū)域明顯不再擴大,混凝土各應力監(jiān)測值也不再進一步增大,說明施工影響得到了較好的控制。

將各應力的模擬值和實際監(jiān)測值進行對比,結果如圖15所示。

a) 最大主應力

從圖15可以看出:監(jiān)測數(shù)值與模擬數(shù)值結果基本一致;總體而言,監(jiān)測數(shù)據(jù)均小于模擬計算結果;兩者數(shù)據(jù)顯示,最大主應力、最大拉應力及最大剪切應力最大值發(fā)生位置均一致。這進一步說明了模擬計算的準確性和可實施性,驗證了有限元模型的可靠性。

5 結論

1) 隨施工步驟進行,既有隧道的結構最大應力(最大主應力、最大拉應力及最大剪切應力)逐漸增大:從步驟 1到步驟5,應力均緩慢增大,且增幅很小;從步驟5到步驟6,應力均會突然增大,且增幅很大;隨后,應力均緩慢增大。

2) 應力的實際檢測值與模擬值變化規(guī)律基本一致,驗證了有限元模擬計算的準確性和可操作性。

3) 在施工過程中,既有隧道結構應力值超過C30混凝土設計值,混凝土在施工期間出現(xiàn)裂紋。特別是在既有隧道結構底板位置區(qū)間b段靠近變形縫1處附近混凝土結構表面有微小裂紋變化。適當減緩施工并及時采取支頂?shù)却胧?能有效防止既有隧道混凝土表面裂紋的擴大,進而對既有隧道結構起到保護作用。