既有結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)下方隧道開挖擾動(dòng)破壞及其所需支護(hù)力預(yù)測*

王 策

(中鐵十一局集團(tuán)城市軌道工程有限公司,430074,武漢)

在密集城區(qū),受施工場地及周邊環(huán)境的限制,新建隧道或其他地下工程不可避免地會(huì)穿越一些既有建筑結(jié)構(gòu),對(duì)既有結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)產(chǎn)生一定的擾動(dòng)影響,進(jìn)而可能造成既有建筑的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)開裂破壞,影響其正常使用。

目前,已有較多學(xué)者對(duì)既有結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)周邊隧道開挖引起的擾動(dòng)影響進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[1]通過離心試驗(yàn)分析了樁基礎(chǔ)承載過程中,其對(duì)近距離地鐵隧道的影響機(jī)制。文獻(xiàn)[2]開展了不同影響條件下,樁基對(duì)近距離隧道的離心模型試驗(yàn)。文獻(xiàn)[3]構(gòu)建了樁-隧有限元模型,通過分析樁-隧相對(duì)位置、隧道埋深等參數(shù)的影響,研究了在軟土地基中靜壓樁對(duì)既有隧道的影響。文獻(xiàn)[4]采用FLAC 3D有限元軟件,模擬分析了隧道密貼下穿施工引起既有地鐵車站結(jié)構(gòu)沉降的規(guī)律。文獻(xiàn)[5]基于Pasternak地基模型,推導(dǎo)了隧道開挖與鄰近樁基相互作用的簡化理論解。文獻(xiàn)[6]采用兩階段法,分析預(yù)測了不同因素影響條件下既有地下結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)。文獻(xiàn)[7]分析了隔離樁及盾構(gòu)近接施工對(duì)高鐵樁基的影響。文獻(xiàn)[8]依托盾構(gòu)隧道穿越橋樁的工程實(shí)例,通過數(shù)值模擬與現(xiàn)場實(shí)測對(duì)比驗(yàn)證了數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性。

由于新建隧道引起既有結(jié)構(gòu)擾動(dòng)的影響因素眾多,盾構(gòu)隧道近距離穿越既有結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的問題尚需進(jìn)一步研究。在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上,本文分別考慮隧道正穿與側(cè)穿既有結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)兩種情況,建立了在既有結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)影響下,隧道開挖擾動(dòng)破壞的力學(xué)分析模型;基于塑性力學(xué)極限分析理論,推導(dǎo)得出既有結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)下方隧道開挖所需支護(hù)力與隧道上方基底臨界破壞荷載的理論計(jì)算公式,分析揭示了不同工況因素對(duì)隧道所需支護(hù)力的影響規(guī)律。本文研究可為隧道穿越既有結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)變形破壞模式預(yù)測與風(fēng)險(xiǎn)防控提供一定的理論參考。

1 建立隧道下穿既有結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的破壞分析模型

當(dāng)隧道下穿既有結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)時(shí),受到既有結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)傳來的基底附加壓力與隧道開挖卸荷等因素的影響,隧道與既有結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)之間會(huì)產(chǎn)生一定的擾動(dòng)影響范圍,影響新建隧道的安全施工?？紤]正穿與側(cè)穿兩種情況,建立隧道下穿既有結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)力學(xué)分析模型,如圖1所示。其中:b為既有結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)寬度;p0為基底附加壓力;h0為基礎(chǔ)埋深;L為兩側(cè)開挖擾動(dòng)破壞范圍邊界土體破裂面的長度;R為既有結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)下方隧道開挖半徑;q0為隧道內(nèi)部支護(hù)力;d0為土體破裂底部半寬度;O′為既有基礎(chǔ)底部中心點(diǎn);L1右側(cè)開挖擾動(dòng)破壞范圍邊界土體破裂面的長度;L2左側(cè)開挖擾動(dòng)破壞范圍邊界土體破裂面的長度;θ1為右側(cè)底部破裂范圍與隧道邊界處交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的角度;θ2為左側(cè)底部破裂范圍與隧道邊界處交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的角度;d1為土體破裂底部右側(cè)寬度;d2為土體破裂底部左側(cè)寬度;D為既有基礎(chǔ)底部中心至新建隧道中心水平距離(以下簡稱“水平距離”),D=0即為正穿情況,其余為側(cè)穿情況;H為隧道埋深;v為滑動(dòng)土體沿位移方向的速度;α為樁底中心點(diǎn)與隧道中心點(diǎn)連線的傾角;φ為土體內(nèi)摩擦角;θ0為正穿情況下,底部破裂范圍與隧道邊界處交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的角度。

a) 正穿情況

所建立的隧道下穿既有結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)力學(xué)分析模型將隧道及周邊地層巖土體視為理想剛塑性材料,在擾動(dòng)影響范圍內(nèi),土體以速度v向新建隧道開挖范圍內(nèi)滑落。據(jù)此,可建立隧道下穿既有結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)機(jī)動(dòng)許可速度場,利用極限分析中的上限理論對(duì)其進(jìn)行分析。

2 隧道下穿既有結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)臨界破壞荷載與所需支護(hù)力預(yù)測

2.1 正下方穿越情形

根據(jù)圖1 a)所示力學(xué)模型對(duì)應(yīng)的幾何關(guān)系,θ0可通過以下關(guān)系式求得:

(1)

L可以表示為:

L=(H-h0+R-Rsinθ0)/cosφ

(2)

破裂面處的土體內(nèi)部能量耗散率為WD、外力對(duì)破壞范圍土體做功功率W外、開挖擾動(dòng)破壞范圍土體的自重做功功率WG、基底附加壓力對(duì)破壞范圍土體做功功率Wp0、隧道支護(hù)力對(duì)破壞范圍土體做功功率Wq0,以及正穿情形下的開挖擾動(dòng)破壞范圍土體體積V正可以表示為:

WD=2cvLcosφ

(3)

W外=Wp0+WG-Wq0

(4)

Wp0=p0bv

(5)

WG=γV正v

(6)

(7)

(8)

式中:

s——隧道周長;

c——土體黏聚力;

γ——土體重度。

根據(jù)虛功率原理,令圖1破壞模型對(duì)應(yīng)的內(nèi)部能量耗散率與總的外力功率相等,即W外=WD,代入式(3)和式(4),當(dāng)既有結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)傳來的基底附加壓力一定時(shí),為保證新建隧道穿越施工安全,隧道內(nèi)部所需提供的臨界支護(hù)力q0,L為:

(9)

當(dāng)新建隧道內(nèi)部所需提供的支護(hù)力一定時(shí),為防止既有結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)土體的破壞,既有結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)對(duì)應(yīng)的臨界基底附加壓力的大小p0,L為:

(10)

2.2 側(cè)下方穿越情形

根據(jù)圖1 b)所示力學(xué)模型對(duì)應(yīng)的幾何關(guān)系,α可以表示為:

(11)

L1、L2可以表示為:

(12)

(13)

破裂面處土體內(nèi)部能量耗散率WD,C、外力對(duì)破壞范圍土體做功功率為W外,C、基底附加壓力對(duì)破壞范圍土體做功功率Wp0,C、開挖擾動(dòng)破壞范圍土體的自重做功功率為WG,C、隧道支護(hù)力對(duì)破壞范圍土體做功功率Wq0,C,以及側(cè)穿情形下的開挖擾動(dòng)破壞范圍土體體積V側(cè)可以表示為:

WD,C=cL1vcosφ+cL2vcosφ=

cv(L1+L2)cosφ

(14)

W外,C=Wp0,C+WG,C-Wq0,C

(15)

Wp0,C=vp0bsinα

(16)

WG,C=γV側(cè)vsinα

(17)

(18)

q0R[sin(α-θ1)+sin(α+θ2)]v

(19)

根據(jù)虛功率原理,令圖1破壞模型對(duì)應(yīng)的內(nèi)部能量耗散率與總的外力功率相等,即W外,C=WD,C,代入式(14)和式(15),當(dāng)既有結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)傳來的基底附加壓力一定時(shí),為保證新建隧道穿越施工安全,隧道內(nèi)部所需提供的臨界支護(hù)力q0,L,C為:

(20)

當(dāng)新建隧道內(nèi)部所需提供的支護(hù)力一定時(shí),為防止既有結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)土體的破壞,既有結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)對(duì)應(yīng)的臨界基底附加壓力的大小p0,L,C為:

p0,L,C={c(L1+L2)cosφ-γV側(cè)sinα+q0R·

[sin(α-θ1)+sin(α+θ2)]}/(bsinα)

(21)

3 算例分析

為進(jìn)一步研究不同隧道穿越位置、土體力學(xué)參數(shù)及基底壓力等因素對(duì)隧道所需支護(hù)力的影響規(guī)律,基于上述計(jì)算式,采用控制變量法計(jì)算不同工況下隧道所需支護(hù)力。本文算例中,標(biāo)準(zhǔn)組取值:b取為1.2 m;R取為5 m;c取為20 kPa,φ取為24°,γ取為20 kN/m3,p0取為200 kPa,隧道與基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)埋深差ΔH取為3 m。

不同水平距離下,隧道與基礎(chǔ)埋深差同隧道所需支護(hù)力之間的關(guān)系如圖2所示。當(dāng)D=0時(shí),即當(dāng)上部基礎(chǔ)與隧道處于正穿情況時(shí),對(duì)既有結(jié)構(gòu)的破壞情形最為危險(xiǎn),所對(duì)應(yīng)的隧道所需支護(hù)力最大。隨著隧道與基礎(chǔ)埋深差的增加,隧道所需支護(hù)力不斷減小。當(dāng)隧道與基礎(chǔ)埋深差一定時(shí),隨著水平距離的增加,隧道所需支護(hù)力不斷減小。

圖2 不同水平距離下隧道與基礎(chǔ)埋深差同隧道所需支護(hù)力之間的關(guān)系

不同水平距離下,土體力學(xué)參數(shù)與隧道所需支護(hù)力之間的關(guān)系如圖3所示。當(dāng)D=0時(shí),即當(dāng)上部基礎(chǔ)與隧道處于正穿情況時(shí),對(duì)既有結(jié)構(gòu)的破壞情形最為危險(xiǎn),所對(duì)應(yīng)的隧道所需支護(hù)力最大。隧道所需支護(hù)力與土體黏聚力、土體內(nèi)摩擦角成負(fù)相關(guān);隧道所需支護(hù)力與土體重度成正相關(guān)。隨著土體黏聚力的增加,隧道所需支護(hù)力不斷減小。當(dāng)土體黏聚力一定時(shí),隨著水平距離的增加,隧道所需支護(hù)力不斷減小。隨著土體內(nèi)摩擦角的增加,隧道所需支護(hù)力不斷減小。當(dāng)隧道土體內(nèi)摩擦角一定時(shí),隨著水平距離的增加,隧道所需支護(hù)力不斷減小。隨著土體重度的增加,隧道所需支護(hù)力不斷增加。當(dāng)土體重度一定時(shí),隨著水平距離的增加,隧道所需支護(hù)力不斷減小。

a) 土體黏聚力

不同水平距離下,基礎(chǔ)臨界基底壓力與隧道所需支護(hù)力之間的關(guān)系如圖4所示。當(dāng)D=0時(shí),即當(dāng)上部基礎(chǔ)與隧道處于正穿情況時(shí),對(duì)既有結(jié)構(gòu)的破壞情形最為危險(xiǎn),所對(duì)應(yīng)的隧道所需支護(hù)力最大。隧道所需支護(hù)力與基礎(chǔ)臨界基底壓力成正相關(guān),隨著基礎(chǔ)臨界基底壓力的增加,隧道所需支護(hù)力不斷增大。

圖4 不同水平距離下基礎(chǔ)臨界基底壓力與隧道所需支護(hù)力之間的關(guān)系

4 工程建議措施

為有效保證既有結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)下方隧道開挖的安全性,在實(shí)際工程中應(yīng)遵循以下工程建議措施:

1) 在進(jìn)行既有結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)周邊隧道開挖時(shí),應(yīng)盡可能加大隧道與既有結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)之間的距離。其中,隧道與基礎(chǔ)埋深差越小,對(duì)新建隧道和既有基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的變形及應(yīng)力控制越困難,導(dǎo)致二者的狀態(tài)越危險(xiǎn),在實(shí)際工程中應(yīng)盡可能避免。

2) 當(dāng)隧道在既有結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)開挖的位置一定時(shí),隨著土體強(qiáng)度參數(shù)的增加,相應(yīng)的隧道所需支護(hù)力越來越小。因此在實(shí)際工程中,當(dāng)既有結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)下方近距離穿越時(shí),可通過注漿加固的方式對(duì)地層提前進(jìn)行注漿,以提高土體的強(qiáng)度參數(shù),從而保證新建隧道開挖的安全性。

5 結(jié)語

1) 本文考慮既有結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)下方隧道正穿與側(cè)穿兩種情形,提出了隧道周邊兩種擾動(dòng)破壞模式的力學(xué)分析模型,利用上限法推導(dǎo)得到新建開挖隧道所需支護(hù)力與既有結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)臨界基底壓力計(jì)算公式,分析得到了不同穿越位置、土體力學(xué)參數(shù)及基底壓力等因素對(duì)新建隧道所需支護(hù)力的影響規(guī)律。

2) 新建隧道與既有結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的相對(duì)位置會(huì)對(duì)隧道的安全性及隧道所需支護(hù)力產(chǎn)生較為顯著的影響。相比于側(cè)穿情況,新建隧道正穿既有結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)時(shí)最為危險(xiǎn)。隧道所需支護(hù)力同隧道與基礎(chǔ)埋深差、土體黏聚力、土體內(nèi)摩擦角呈負(fù)相關(guān);隧道所需支護(hù)力與土體重度、基礎(chǔ)臨界基底壓力呈正相關(guān)。