新建工程施工對(duì)鄰近既有隧道安全性能影響研究

摘要：隨著地鐵及軌道交通工程的不斷發(fā)展，新建工程施工對(duì)既有隧道結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響成為關(guān)注熱點(diǎn)。本文利用有限元軟件，基于Drucker-Prager屈服準(zhǔn)則，建立了三維實(shí)體仿真模型，分析了新建工程施工對(duì)鄰近既有隧道力學(xué)性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明：基坑開(kāi)挖和新建工程建筑荷載對(duì)隧道結(jié)構(gòu)受力及變形產(chǎn)生一定影響，其中基坑開(kāi)挖對(duì)結(jié)構(gòu)變形和襯砌拉應(yīng)力的影響較為顯著，其最大增幅分別為176%和262%?；娱_(kāi)挖是在最不利的情況下進(jìn)行施工，因此需要加強(qiáng)監(jiān)測(cè)措施。在新建工程施工前后，隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形應(yīng)在材料允許值范圍內(nèi)，并且周邊圍巖需處于穩(wěn)定狀態(tài)，以確保風(fēng)險(xiǎn)可控。本文采用三維有限元法解析新建工程施工過(guò)程中隧道受力和位移的變化規(guī)律，評(píng)估隧道結(jié)構(gòu)安全性能，該研究方法可為此類(lèi)結(jié)構(gòu)提供參考。

關(guān)鍵詞：數(shù)值模擬；新建工程；既有隧道；安全評(píng)估；圍巖

中圖分類(lèi)號(hào)：U448.22+2"" 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A"" 文章編號(hào)：2096-2118（2024）06-0062-05

Research on the Impact of New Construction Projects on

the Safety Performance of Adjacent Existing Tunnels

ZENG Xiaoguang

（Jiangxi Transportation Institute Co.，Ltd.，Nanchang Jiangxi 330052，China）

Abstract：With the continuous development of subway and rail transit engineering，the impact of new construction on the mechanical properties of existing tunnel structures has become a hot topic of concern.In this paper，by using the finite element software，based on Drucker-Prager yield criterion，the three-dimensional solid simulation model was established，analyzed the new construction on the mechanical properties of adjacent existing tunnels.The results indicate that the excavation of foundation pits and the load of new construction have a certain impact on the stress and deformation of tunnel structures，and excavation of foundation pits has a more significant effect on structural deformation and lining tensile stress，with maximum increases of 176% and 262%，respectively.Excavation of foundation pits is carried out under the most unfavorable conditions，therefore it is necessary to strengthen monitoring measures.Before and after the construction of new projects，the stress and deformation of tunnel structures should be within the allowable range of materials，and the surrounding rock should be in a stable state to ensure controllable risks.The three-dimensional finite element method was used to analyze the changes in stress and displacement of tunnels during the construction process of new construction projects，evaluate the safety performance of tunnel structures，this research method can provide a reference for such structures.

Keywords：numerical simulation；new construction projects；existing tunnel；security assessment；surrounding rock

0 引言

近年來(lái)，隨著城市地鐵隧道的迅速發(fā)展[1-2]，許多城市已經(jīng)開(kāi)通地鐵線路。地鐵線路四通八達(dá)也導(dǎo)致在地鐵隧道臨近位置新建工程的情況越來(lái)越多[3]。新建建筑與既有隧道空間位置相臨，基坑開(kāi)挖及新建工程建筑荷載加載對(duì)既有隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大影響，并同時(shí)影響隧道圍巖的穩(wěn)定性[4]，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致隧道襯砌結(jié)構(gòu)破壞，影響隧道運(yùn)營(yíng)安全。因此有必要對(duì)基坑開(kāi)挖及建筑物荷載加載對(duì)隧道圍巖及隧道襯砌結(jié)構(gòu)的影響情況進(jìn)行預(yù)測(cè)和評(píng)估，以為設(shè)計(jì)與施工提供科學(xué)指導(dǎo)。

1 項(xiàng)目概況

1.1 既有隧道

該隧道全長(zhǎng)780 m，為已建構(gòu)筑物，于2008年建成通車(chē)，屬公路雙向四車(chē)道連拱隧道。隧道設(shè)計(jì)進(jìn)出口高程194.00 m～217.40 m，路面縱坡為3.00%。隧道單洞凈寬10.42 m，凈高6.82 m。受建筑物修建影響的隧道段里程樁號(hào)為K0+529～K0+587.5，隧道設(shè)計(jì)標(biāo)高210 m～211.5 m，隧道埋深25 m～30 m，圍巖等級(jí)為IV級(jí)，隧道圍巖巖性為泥巖加砂巖。該段隧道結(jié)構(gòu)采用50 cm厚C30鋼筋混凝土，二襯結(jié)構(gòu)雙向配筋，環(huán)向配筋參數(shù)Φ22 mm@150 mm，縱向配筋參數(shù)Φ12 mm@200 mm。

1.2 新建工程

本文以江西省南昌市地鐵四號(hào)線上沙溝換乘站項(xiàng)目為例，該項(xiàng)目建設(shè)用地面積8 448 m2，由1棟高層酒店（1#樓）、1棟高層辦公樓（2#樓）、配套商業(yè)及地下車(chē)庫(kù)組成。其中1#樓地上24層（裙房7層）、地下5層，最高層高3.9 m，最大跨度9 m，采用框架-核心筒結(jié)構(gòu)；2#樓地上23層、地下3層，最高層高3.8m，最大跨度10.0 m，采用框架-核心筒結(jié)構(gòu)。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全等級(jí)為二級(jí)，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)為甲級(jí)。新建工程基坑開(kāi)挖采用非爆破開(kāi)挖，樁基成孔為人工挖孔形式。

1.3 相互位置關(guān)系

新建工程修建對(duì)鄰近既有隧道會(huì)產(chǎn)生一定的影響，兩者的相互位置空間關(guān)系如圖1所示。新建建筑位于既有隧道一側(cè)，建筑基坑開(kāi)挖邊界距離既有隧道平面距離8.0 m～9.3 m，建筑基坑距離隧道結(jié)構(gòu)最小凈距約10.65 m。建筑樁基距離既有隧道結(jié)構(gòu)3.97 m～7.03 m，樁基直徑2.0 m，嵌巖深度7.0 m。既有隧道基底荷載按30°角擴(kuò)散范圍落在樁基底部基巖上。

2 評(píng)估方法

數(shù)值模擬分析方法考慮了地層條件、隧道開(kāi)挖的時(shí)間與空間效應(yīng)、輔助工法等影響因素，可以較真實(shí)地模擬隧道開(kāi)挖過(guò)程中周?chē)貙拥奈灰魄闆r，本文選擇有限元數(shù)值仿真模擬法進(jìn)行安全評(píng)估。

MIDAS GTS NX是一款針對(duì)巖土工程領(lǐng)域開(kāi)發(fā)的通用有限元分析軟件，軟件支持線性/非線性靜態(tài)分析、線性/非線性動(dòng)力分析、滲流固結(jié)分析、邊坡穩(wěn)定性分析、施工階段分析等分析類(lèi)型。此外，它可以進(jìn)行各種耦合分析，如滲流-邊坡耦合、滲流-應(yīng)力耦合、非線性動(dòng)力分析-邊坡耦合、應(yīng)力-斜坡耦合等。廣泛應(yīng)用于邊坡、水利工程、隧道、礦山等各種實(shí)際工程的建模和分析。

根據(jù)評(píng)估對(duì)象的實(shí)際空間位置關(guān)系及地質(zhì)條件，建立三維地層結(jié)構(gòu)有限元模型，并使用MIDAS GTS NX有限元分析軟件進(jìn)行數(shù)值模擬施工計(jì)算分析。然后，根據(jù)三維模型的計(jì)算分析結(jié)果，進(jìn)一步對(duì)重點(diǎn)斷面進(jìn)行二維數(shù)值模型計(jì)算，最后，綜合三維模型及二維模型的計(jì)算分析結(jié)果（包括新建工程施工過(guò)程中既有結(jié)構(gòu)發(fā)生的變形及內(nèi)力變化），以評(píng)價(jià)既有結(jié)構(gòu)的安全性。

3 有限元建模

3.1 計(jì)算條件

1） 將巖土視為各向同性的理想彈性-塑性材料，并采用Drucker-Prager屈服準(zhǔn)則。

2） 根據(jù)既有隧道詳細(xì)勘察報(bào)告，并考慮新建工程施工對(duì)圍巖擾動(dòng)（按80%折減圍巖巖土參數(shù)），選取了合適的工程地質(zhì)條件，包括巖土層厚度和巖土層力學(xué)參數(shù)等。具體計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。

3） 模型邊界條件：底邊為豎向位移約束，兩側(cè)及前后為水平法向位移約束，模型頂面為自由面。

3.2 有限元建模

根據(jù)新建建筑結(jié)構(gòu)與鄰近既有結(jié)構(gòu)物之間的空間位置關(guān)系，應(yīng)用Midas/GTS有限元軟件[5]，建立空間幾何模型，然后根據(jù)實(shí)際地質(zhì)情況對(duì)幾何模型進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分、并賦予力學(xué)參數(shù)。新建建筑結(jié)構(gòu)及基坑、既有隧道結(jié)構(gòu)的巖土有限元模型（見(jiàn)圖2）。

3.3 施工階段模擬

為研究不同施工階段對(duì)鄰近隧道的安全穩(wěn)定性影響，引入單元生死技術(shù)模擬施工階段。主要施工階段見(jiàn)表2，各施工階段對(duì)應(yīng)有限元模型見(jiàn)圖2。

分析表明：地層初始應(yīng)力場(chǎng)的云圖（圖3）中的應(yīng)力等值線平行分布，符合地層應(yīng)力分布特性，說(shuō)明有限元模型網(wǎng)格劃分合理。

4 既有隧道力學(xué)性能影響分析

4.1 變形分析

為節(jié)約篇幅，文中僅給出隧道結(jié)構(gòu)工況3（施加新建工程荷載）和變形云圖（見(jiàn)圖4）。而圖5則是反映各計(jì)算工況隧道最大水平位移和豎向位移變化規(guī)律。

分析表明：基坑開(kāi)挖工況，最大水平位移量從初始-0.98 mm增加至-2.7 mm，增幅為176%；最大豎向位移由-2.2 mm（下?lián)希┳優(yōu)?.78 mm（上撓）。施加建筑荷載后（工況3），最大水平變形略有減小，接近-1.2 mm，最大豎向位移增至-3.0 mm（下?lián)希??？梢钥闯?，新建工程施工?duì)隧道結(jié)構(gòu)位移影響較大。在基坑開(kāi)挖和施加新建建筑物荷載過(guò)程中，結(jié)構(gòu)豎向位移均發(fā)生了上下交替變化，不利于結(jié)構(gòu)受力，說(shuō)明對(duì)新建工程施工過(guò)程中隧道結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的監(jiān)測(cè)和控制不可忽略。此外，由圖4可知，位移量較大區(qū)域?yàn)榕R近基坑中部區(qū)域，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。

4.2 應(yīng)力分析

圖6反映各計(jì)算工況隧道最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力變化規(guī)律。

由圖6分析表明。

1） 從初始→基坑開(kāi)挖→施加新建工程建筑荷載，隧道中墻最大拉應(yīng)力變化364 kPa→406.6 kPa→378.6 kPa，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)于基坑開(kāi)挖工況，基坑開(kāi)挖導(dǎo)致隧道中墻拉應(yīng)力增加11.7%；隧道中墻壓應(yīng)力變化-6 048 kPa→-6 045 kPa→-6 026 kPa，隨著施工步序開(kāi)展，隧道中墻最大壓應(yīng)力減少。

2） 襯砌最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力均出現(xiàn)于基坑開(kāi)挖工況。從初始→基坑開(kāi)挖→施加新建工程建筑荷載，隧道襯砌拉應(yīng)力變化42 kPa→152 kPa→51 kPa，襯砌拉應(yīng)力變化顯著，基坑開(kāi)挖引起襯砌最大拉應(yīng)力增加262%；隧道襯砌壓應(yīng)力變化-1 890 kPa→-2 230 kPa→-2 041 kPa，基坑開(kāi)挖引起襯砌最大壓應(yīng)力增加18%。

3） 新建工程施工過(guò)程中，圍巖拉壓應(yīng)力變化較小，從初始→基坑開(kāi)挖→施加新建工程建筑荷載，圍巖拉應(yīng)力變化為93 kPa→98 kPa→96 kPa；圍巖壓應(yīng)力變化為2 516 kPa→2 515 kPa→2 514 kPa，基坑開(kāi)挖及新建工程荷載施加對(duì)隧道周邊圍巖應(yīng)力影響較小。

圖7為工況3（施加新建工程建筑荷載）圍巖應(yīng)力云圖。由各工況應(yīng)力云圖可知：中墻最大拉應(yīng)力多出現(xiàn)于中墻頂部及底部，中墻最大壓應(yīng)力主要位于中墻中部；襯砌最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力出現(xiàn)區(qū)域受新建建筑施工影響較顯著，呈動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)；新建建筑施工前后，隧道周邊圍巖應(yīng)力主要為壓應(yīng)力，拉應(yīng)力主要分布在仰拱底部局部位置。

4.3 塑性區(qū)分析

圖8為工況2（基坑開(kāi)挖后）及工況3（施加新建工程建筑荷載后）隧道塑性區(qū)云圖。分析表明：新建工程修建過(guò)程中，隧道周邊未出現(xiàn)塑性區(qū)，隧道圍巖處在穩(wěn)定狀態(tài)。

4.4 整體分析

新建工程施工中，隧道結(jié)構(gòu)最大水平位移為-2.7 mm，最大上撓為0.78 mm，最大下?lián)蠟?3 mm，變形可控；隧道結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力為406.6 kPa，最大壓應(yīng)力為-6 048 kPa，滿足規(guī)范要求[6]，處在安全狀態(tài)；隧道周邊圍巖未出現(xiàn)明顯塑性區(qū)，隧道圍巖處在穩(wěn)定狀態(tài)。

5 結(jié)語(yǔ)

1） 最大水平變形2.7 mm，出現(xiàn)于基坑開(kāi)挖工況，基坑開(kāi)挖引起隧道結(jié)構(gòu)最大水平變形增加176%；最大豎向位移3.0 mm，出現(xiàn)于施加建筑荷載工況。

2） 基坑開(kāi)挖引起隧道中墻拉應(yīng)力增加11.7%，最大中墻拉應(yīng)力出現(xiàn)于基坑開(kāi)挖工況；隨著新建工程施工，隧道中墻最大壓應(yīng)力有所減少。

3） 襯砌最大拉應(yīng)力和壓應(yīng)力均出現(xiàn)于基坑開(kāi)挖工況，基坑開(kāi)挖對(duì)襯砌拉應(yīng)力影響最顯著，基坑開(kāi)挖引起襯砌最大拉應(yīng)力增加262%。

4） 基坑開(kāi)挖及施加新建工程建筑荷載對(duì)隧道周邊圍巖應(yīng)力影響較小。新建建筑施工前后，隧道周邊圍巖應(yīng)力主要為壓應(yīng)力，拉應(yīng)力主要分布在仰拱底部局部位置。

基坑開(kāi)挖及施加新建工程建筑荷載對(duì)隧道結(jié)構(gòu)及變形有一定影響，基坑開(kāi)挖工況為最不利工況，應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)。新建工程施工前后，隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形未超過(guò)材料允許值，周邊圍巖處在穩(wěn)定狀態(tài)，隧道安全風(fēng)險(xiǎn)可控。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]周倩，周建庭，馬虎，等.鋼管拱肋分段吊裝扣索一次張拉索力改進(jìn)算法[J].交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)，2020，20（1）：92-101.

[2]周倩，周建庭，張嘉誠(chéng)，等.大跨鋼管混凝土拱橋混凝土自調(diào)載灌注方法[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2020，52（3）：82-89.

[3]ZHOU Q，ZHOU J T，F(xiàn)ENG P C，et al.Full-scale experimental study on temperature field of large-diameter cfst arch bridges under strong radiation and large daily ambient temperature difference[J].Journal of Civil Structural Health Monitoring，2022，12（5）：1247-1263.

[4]安偉勝.城區(qū)改建互通橋梁設(shè)計(jì)及景觀照明研究[J].北方交通，2023（6）：14-17.

[5]黎鉅宏.綜合管廊近距離并行既有地鐵隧道的安全評(píng)估研究[J].北方建筑，2023，8（6）：35-38.

[6]招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司.公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范：JTG 3370.1—2018[S].北京：人民交通出版社，2018.

編輯：劉 巖