劉磊，呂勇剛，秦勇

（1.中國(guó)交通建設(shè)股份有限公司，北京 100088；2.中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100088）

0 引言

由于歷史原因，國(guó)內(nèi)很多城市地下存在著大量廢棄的人防隧道，隨著城市地下空間的開(kāi)發(fā)和利用，如何在既有人防群的復(fù)雜條件下合理開(kāi)發(fā)地下空間，修建地下交通工程成為急待解決的問(wèn)題。目前開(kāi)發(fā)利用既有人防隧道的主要形式為對(duì)既有人防擴(kuò)挖改造，如已建的哈爾濱地鐵一號(hào)線及重慶地鐵一號(hào)線[1-3]。隨著地下工程的發(fā)展，一種新的利用既有人防的形式，即通過(guò)與既有人防橫向交叉或端頭鑿洞等方式對(duì)接，實(shí)現(xiàn)利用既有人防的目的。

在交叉或分岔隧道方面，已有部分學(xué)者開(kāi)展了研究，如張建強(qiáng)[4]以重慶軌道交通三號(hào)線紅旗河溝站B、D交叉段為背景，進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，研究了交叉口結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，并提出了交叉口襯砌結(jié)構(gòu)優(yōu)化加固方法；靳曉光等[5]通過(guò)三維有限元數(shù)值模擬，分析了隧道橫通道施工過(guò)程中主隧道結(jié)構(gòu)及圍巖的受力特點(diǎn)；梁橋欣[6]利用有限元差分?jǐn)?shù)值模擬方法對(duì)斜井與主隧道構(gòu)成的交叉連接段進(jìn)行了模擬計(jì)算，分析了交叉段圍巖及結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)；許東[7]以棋盤(pán)關(guān)斜井隧道為背景，對(duì)復(fù)雜交叉隧道施工進(jìn)行了有限元數(shù)值模擬研究，得出了交叉口最合理的初支支護(hù)參數(shù)及合理的施工方案。張強(qiáng)勇等[8]對(duì)大型分岔隧道進(jìn)行了模型試驗(yàn)研究，分析了分岔隧道圍巖受力特點(diǎn)。以上針對(duì)交叉隧道或分岔隧道的研究皆為同期設(shè)計(jì)、施工的近接工程，而對(duì)接既有人防的新建隧道工程有其自身特點(diǎn)：

1） 既有人防工程的設(shè)計(jì)理念與施工工藝陳舊，設(shè)計(jì)并未考慮隧道后期交叉工況；

2）既有人防工程修建年代久遠(yuǎn)，結(jié)構(gòu)的安全儲(chǔ)備未知；

3）既有人防工程結(jié)構(gòu)斷面形式大部分為馬蹄形，受力較不利。

因此，新建隧道對(duì)接既有人防施工時(shí)，對(duì)既有人防工程的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性帶來(lái)較高的風(fēng)險(xiǎn)，有必要對(duì)此開(kāi)展專門(mén)研究。以下結(jié)合某新建隧道對(duì)接既有人防工程分別考慮不同的對(duì)接方式和對(duì)接部位，針對(duì)既有人防的力學(xué)特性進(jìn)行研究。

1 計(jì)算條件

1.1 計(jì)算工況

在重復(fù)利用既有人防隧道的過(guò)程中，對(duì)接到既有人防的方式主要有兩種：1）直接從既有人防的端頭接入；2）從既有人防的邊墻接入。如圖1。

圖1 對(duì)接部位示意Fig.1 Sketch of docking stations

1.2 計(jì)算參數(shù)

1）地下洞室斷面參數(shù)

通過(guò)大型有限元軟件ANSYS進(jìn)行三維分析，新建隧道和既有人防均采用“馬蹄形”斷面，新建隧道斷面取8.7 m（寬）×6.9m（高），既有人防斷面取16m（寬）×6.9m（高）。既有人防采用傳統(tǒng)礦山法施工，襯砌混凝土強(qiáng)度等級(jí)取C20，厚0.5m；新建隧道按新奧法復(fù)合式襯砌進(jìn)行設(shè)計(jì)，初期支護(hù)采用C30噴射混凝土及鋼筋網(wǎng)，厚度0.3 m，二襯作為安全儲(chǔ)備，在計(jì)算建模中不予考慮。

2）圍巖及結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

模型巖土采用黏彈性模型，服從D-P屈服準(zhǔn)則，圍巖由地表向下依次為4m厚雜填土，砂巖層；人防襯砌及新建隧道初期支護(hù)采用彈性模型。材料參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 模型材料計(jì)算參數(shù)Table1 Calculation parametersofmodelmaterial

3）模型及邊界參數(shù)

圍巖使用實(shí)體單元（Solid45）模擬，既有人防的支護(hù)和區(qū)間隧道的襯砌采用殼單元（Shell63）模擬。模型四周邊界水平約束，底部邊界全約束，上部邊界為自由面。

2 端頭對(duì)接時(shí)既有人防力學(xué)特性

2.1 計(jì)算模型

計(jì)算模型大小為100m×40m×80 m，區(qū)段隧道取40m，既有人防洞室取40m，洞室埋深為9m。計(jì)算模型見(jiàn)圖2。

圖2 數(shù)值模型Fig.2 Simulationmodel

2.2 計(jì)算步驟

考慮到對(duì)圍巖應(yīng)力的多次擾動(dòng)，具體計(jì)算過(guò)程為：

1）圍巖自重場(chǎng)的計(jì)算；

2）既有人防修建后圍巖應(yīng)力場(chǎng)的計(jì)算；

3）假定新建隧道向既有人防方向采用臺(tái)階法開(kāi)挖，進(jìn)行隧道開(kāi)挖的模擬，開(kāi)挖進(jìn)尺為2m。

2.3 計(jì)算結(jié)果及分析

圖3為新建隧道開(kāi)挖過(guò)程中既有人防靠近端頭附近的拱頂沉降曲線。由圖3可見(jiàn)，人防襯砌位移變化主要發(fā)生在隧道斷面開(kāi)挖貫通后，當(dāng)采用臺(tái)階法開(kāi)挖時(shí)，在上、下臺(tái)階分別貫通時(shí)，人防結(jié)構(gòu)受力變化相對(duì)較大。

圖3 既有人防端頭附近拱頂沉降時(shí)程曲線Fig.3 Vault settlementofair defense near the end wall

新建隧道開(kāi)挖過(guò)程中，對(duì)接面附近的既有人防隧道均有不同程度的變形，統(tǒng)計(jì)對(duì)接面附近既有人防拱頂沉降（取間距2 m）的最大值并進(jìn)行對(duì)比，由圖4可見(jiàn)，沿既有人防縱線，距離對(duì)接面越遠(yuǎn)，既有人防受影響程度越小，且受影響程度的變化率也越來(lái)越小，經(jīng)計(jì)算，在距離對(duì)接面6 m范圍內(nèi)，變化率依次為：35.77%，18.57%，7.02%?？梢?jiàn)，要控制既有人防的變形，主要需控制既有人防端墻的變形。

圖4 沿既有人防縱向的拱頂沉降Fig.4 Vault settlementofair defense through longitudinal extension

對(duì)隧道開(kāi)挖過(guò)程中既有人防襯砌的受力和位移進(jìn)行分析（見(jiàn)圖5，圖6），可見(jiàn)：

1）從整體看，隧道開(kāi)挖過(guò)程中，既有人防隧道橫斷面上受力呈現(xiàn)拱頂和邊墻中部受拉，其他部位主要受壓的特點(diǎn)；

2）在隧道開(kāi)挖過(guò)程中，與隧道交接的既有人防端墻有局部應(yīng)力集中現(xiàn)象，在施工過(guò)程中應(yīng)對(duì)與隧道交接的既有人防端墻采取必要的加固措施；

3）隧道開(kāi)挖導(dǎo)致人防隧道拱頂發(fā)生輕微的沉降，仰拱底發(fā)生輕微底鼓。

圖5 既有人防襯砌第一主應(yīng)力Fig.5 Lining stressof theexisting air defense

圖6 既有人防襯砌總豎向位移Fig.6 Lining displacementof the existing air defense

3 邊墻對(duì)接時(shí)既有人防力學(xué)特性

3.1 計(jì)算模型

計(jì)算模型大小為60 m×40 m×60 m，區(qū)段隧道取30m，既有人防洞室取60m，洞室埋深為9m。計(jì)算模型見(jiàn)圖7。

圖7 數(shù)值模型Fig.7 Simulationmodel

3.2 計(jì)算步驟

考慮到對(duì)圍巖應(yīng)力的多次擾動(dòng)，具體計(jì)算過(guò)程為：

1）圍巖自重場(chǎng)的計(jì)算；

2）既有人防修建后圍巖應(yīng)力場(chǎng)的計(jì)算；

3）假定新建隧道由既有人防開(kāi)始采用CRD法開(kāi)挖，開(kāi)挖進(jìn)尺取2m。

3.3 計(jì)算結(jié)果及分析

圖8為新建隧道開(kāi)挖過(guò)程中既有人防靠近交接點(diǎn)附近的拱頂沉降曲線。由圖8可見(jiàn)：1）隧道開(kāi)挖對(duì)既有人防的影響主要發(fā)生在隧道掌子面距離對(duì)接部位1倍的洞寬內(nèi)；2）人防拱頂受力變化在隧道左上臺(tái)階開(kāi)始開(kāi)挖和右上臺(tái)階開(kāi)始開(kāi)挖時(shí)變化最大。

圖8 既有人防拱頂沉降結(jié)果Fig.8 Vault settlementof the existing air defense

新建隧道開(kāi)挖過(guò)程中，對(duì)接面附近的既有人防隧道均有不同程度的變形，統(tǒng)計(jì)新建隧道中心線一側(cè)的既有人防拱頂沉降（取間距4 m）的最大值并進(jìn)行對(duì)比，由圖9可見(jiàn)，沿既有人防縱線，距離新建隧道中心線越遠(yuǎn)，既有人防受影響程度越小，且受影響程度的變化率也越來(lái)越小。

經(jīng)計(jì)算，在距離對(duì)接面16 m范圍內(nèi)，變化率依次為：36.57%，18.82%，13.40%，12.13%。從既有人防變形情況可見(jiàn)，新建隧道開(kāi)挖對(duì)既有人防的影響范圍為從新建隧道中心線向兩側(cè)輻射8m范圍。

圖9 沿既有人防縱向的拱頂沉降Fig.9 Vaultsettlementof the existing air defense through longitudinalextension

對(duì)隧道開(kāi)挖過(guò)程中既有人防襯砌的受力和位移進(jìn)行分析（見(jiàn)圖10，圖11），可見(jiàn)：1）從人防襯砌位移結(jié)果看，隧道開(kāi)挖對(duì)既有人防的影響范圍為從對(duì)接部位向兩側(cè)輻射8 m，但從應(yīng)力結(jié)果看，隧道開(kāi)挖對(duì)既有人防影響程度較大的范圍為從對(duì)接部位向兩側(cè)輻射5 m；2）在隧道與既有人防交接處有應(yīng)力集中現(xiàn)象；3）隧道開(kāi)挖導(dǎo)致交接處人防隧道拱頂發(fā)生輕微沉降，仰拱底發(fā)生輕微底鼓。

圖10 人防襯砌第一主應(yīng)力Fig.10 Lining stressof the air defense

圖11 人防襯砌總豎向位移結(jié)果Fig.11 Lining displacementof the air defense

4 結(jié)語(yǔ)

在考慮不同對(duì)接部位的情況下，通過(guò)對(duì)隧道施工過(guò)程中既有人防結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析，得出以下結(jié)論：

1）當(dāng)新建隧道從端頭對(duì)接既有人防，且向既有人防方向開(kāi)挖時(shí)，隧道開(kāi)挖對(duì)既有人防隧道的影響主要發(fā)生在隧道掌子面開(kāi)挖貫通時(shí)及之后；當(dāng)新建隧道從邊墻對(duì)接既有人防，且從既有人防開(kāi)始開(kāi)挖時(shí)，隧道開(kāi)挖對(duì)既有人防隧道的影響主要發(fā)生在隧道掌子面距離對(duì)接點(diǎn)在1倍隧道洞寬范圍內(nèi)。

2）當(dāng)新建隧道從端頭對(duì)接既有人防時(shí)，隧道開(kāi)挖對(duì)既有人防的影響程度較大的范圍為與隧道對(duì)接部位的既有人防端墻；當(dāng)新建隧道從邊墻對(duì)接既有人防時(shí)，隧道開(kāi)挖對(duì)既有人防的影響程度較大的范圍為從隧道與既有人防對(duì)接處向兩側(cè)輻射5m范圍。

3）沿既有人防縱線，距離對(duì)接中心越遠(yuǎn)，既有人防受影響程度越小，且受影響程度的變化率也越小。

4）在新建隧道與既有人防對(duì)接部位均會(huì)出現(xiàn)較明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，在隧道施工過(guò)程中，應(yīng)采取必要的結(jié)構(gòu)加固措施。

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