冀文有 曹樹森 戴亞皎

(中車建設(shè)工程有限公司，重慶 400000)

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新建隧道斜交下穿引起既有隧道變形計算研究

冀文有 曹樹森 戴亞皎

(中車建設(shè)工程有限公司，重慶 400000)

基于Peck理論，假定隧道變形隨著地層變形而發(fā)展，考慮隧道相互交叉角度的影響，將既有隧道視為連續(xù)彈性地基梁，提出了新建地鐵隧道斜交下穿既有隧道引起既有隧道縱向變形的一種計算方法，并以重慶市軌道交通四號線一期工程為例，結(jié)合實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)證明了該方法的適用性。

隧道，斜交下穿，Peck理論，縱向變形

0 引言

城市建設(shè)發(fā)展突飛猛進(jìn)，城市規(guī)模不斷擴(kuò)大，城市人口日益增加，路面車輛擁堵，交通繁重。在這種情況下，合理開發(fā)利用地下空間成為一條有效的解決途徑，越來越多的城市開始修建地鐵隧道。為形成一個方便高效的地鐵網(wǎng)絡(luò)，地鐵隧道之間相互交叉在所難免，研究新建隧道近距離斜交下穿既有隧道引起既有隧道的縱向變形規(guī)律成為一個必要的課題。

1 新建隧道斜交下穿既有隧道引起的縱向變形計算方法

墨西哥學(xué)者Peck[1]通過大量實(shí)測數(shù)據(jù)分析提出了地層損失理論，推測得到了地下隧道開挖引起的地表沉降估算公式：

(1)

式中：S——橫斷面上與隧道軸線距離x處地面點(diǎn)的沉降；

Smax——隧道軸線處地面沉降，即最大沉降量；

V——地層損失量；

i——沉降槽寬度系數(shù)，取沉降槽曲線反彎點(diǎn)至原點(diǎn)的距離[2]，一般可表示為：

(2)

式中：z0——地表至隧道中心距離；

D——隧道直徑。

魏綱[3]通過分析多個工程實(shí)測數(shù)據(jù)，考慮隧道埋深和地質(zhì)的影響，得到了地表以下土層沉降槽寬度系數(shù)隨深度的變化規(guī)律：

(3)

式中：i(0)——地表的沉降槽寬度系數(shù)；

z0——隧道中心至地表的距離；

n——影響系數(shù)，由隧道埋深z0和地質(zhì)條件決定，一般為0.3～0.85。

假定隧道的變形隨著地層的變形而發(fā)展，通過研究新建隧道開挖引起既有隧道所處土層的沉降規(guī)律來推測既有隧道的縱向變形，將既有隧道視為連續(xù)彈性地基梁[4]，其基本微分方程表示為:

(4)

式中：(EI)eq——既有隧道等效抗彎剛度；

St，S——隧道和隧道軸心對應(yīng)深度處地層的變形；

K——地層基床系數(shù)。

考慮到隧道變形隨著土層變形而發(fā)展，隧道和土層變形可表示為：

(5)

(6)

將式(5)，式(6)代入式(4)得到：

(7)

將等式右邊泰勒展開，取前三項(xiàng)，左右系數(shù)對應(yīng)后解得：

(8)

(9)

以上得到了新建隧道與既有隧道正交時既有隧道的縱向變形規(guī)律，考慮到兩隧道交叉角度θ的影響，既有隧道x處離新建隧道軸線的實(shí)際水平距離為xcosθ，其縱向變形為：

(10)

式(9)中地層沉降為遠(yuǎn)離既有隧道處的同深度地層沉降，應(yīng)與式(1)計算得到的該深度地層沉降相等，得到：

(11)

從而得到既有隧道的縱向變形計算公式：

(12)

2 實(shí)例驗(yàn)證

重慶軌道交通四號線一期工程全長15.754 km，其中民安大道—火車北站區(qū)間隧道以豎向4.6 m凈距斜向下穿渝懷鐵路隧道，平面布置圖如圖1所示。新建隧道的施工難度大，技術(shù)復(fù)雜，同時還會引起渝懷鐵路隧道的縱向變形，影響其安全運(yùn)營，因此對渝懷鐵路隧道的縱向變形進(jìn)行推測尤為重要。

上行隧道埋深31 m，直徑9.2 m，與新建隧道間距4.6 m，下行隧道埋深28 m，直徑9.2 m，與新建隧道間距7 m，新建隧道直徑7.2 m，兩隧道交叉角度為138°，取Stmax為實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)中的最大值，由于隧道埋深較深，對于沉降槽寬度系數(shù)中的影響n取較大值，本算例取0.7，按式(2)～式(12)計算得到的隧道縱向變形曲線同監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖2所示。

根據(jù)TB 10003—2005鐵路隧道設(shè)計規(guī)范[5]中軌道10 m范圍內(nèi)的差異沉降允許值，見表1。

表1 軌道靜動態(tài)幾何尺寸容許偏差管理值

本工程中既有隧道的安全性滿足要求。另可見理論計算結(jié)果同現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)吻合較好，相同范圍內(nèi)的差異沉降要大于監(jiān)測數(shù)據(jù)，差異沉降越大，隧道內(nèi)力越大，用來驗(yàn)算隧道的安全性是比較保守的，說明了該方法的可行性。

對于縱向變形較小的區(qū)域，其影響可以忽略，從圖2中可以獲得新建隧道斜交下穿對既有隧道的影響范圍，本算例為隧道軸線兩側(cè)各40 m。

3 結(jié)語

1)通過理論分析，得出了新建隧道斜交下穿既有隧道引起的既有隧道縱向變形計算公式，符合高斯分布規(guī)律，同實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)比較后，發(fā)現(xiàn)該方法適用可行。

2)沉降槽寬度系數(shù)的計算尤為重要，其中關(guān)鍵是影響系數(shù)n值的選取，埋深越大、地質(zhì)條件越好，n值的取值越大。

3)本文的計算方法可以確定新建隧道對既有隧道的主要影響范圍，在影響范圍內(nèi)隧道的施工過程中，應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)控量測，設(shè)計超前支護(hù)，嚴(yán)格控制開挖進(jìn)尺，每循環(huán)不超過0.5 m，并采用工字鋼架、系統(tǒng)錨桿、網(wǎng)片、早強(qiáng)噴射混凝土進(jìn)行支護(hù)。

[1] Peck R B. Deep excavations and tunneling in soft ground. Proceedings of the 7th International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering[Z].

[2] Loganathan N,Poulos H G,Analytical prediction for tunneling-induced ground movements in clays[J].Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering,1998(9):846-856.

[3] 魏 綱.盾構(gòu)隧道深層土體沉降槽寬度系數(shù)計算方法研究[J].公路交通科技，2010，27(4)：45-46.

[4] 白海衛(wèi).新建隧道下穿施工對既有隧道縱向變形的影響和工程措施研究[D].北京：北京交通大學(xué)碩士學(xué)位論文，2007.

[5] TB 10003—2005，鐵路隧道設(shè)計規(guī)范[S].

[6] 戴宏偉.地面新施工荷載對臨近地鐵隧道縱向變形的影響分析研究[J].巖土工程，2006，21(4)：46-50.

Study on calculation of existing tunnel longitudinal deformation caused by obliquely undercrossing tunnel construction

Ji Wenyou Cao Shusen Dai Yajiao

(CRRCConstructionEngi.Co.,Ltd,Chongqing400000,China)

Based on the theory of Peck, this paper assumed that the tunnel deformation develops along with the deformation of the strata. The impact of tunnel intersection angle has been considered and the existing tunnel is regarded as continuous elastic foundation ground beam. The calculation of existing tunnel longitudinal deformation caused by obliquely undercrossing tunnel construction is firstly presented by this paper. Taking Chongqing metro line four as the engineering background, according to the actual monitoring data the applicability of the method has been proved.

tunnel， obliquely undercrossing， theory of Peck, longitudinal deformation

1009-6825(2016)10-0147-02

2016-01-22

冀文有(1966- )，男，高級工程師

U455

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