吳明雷,李祿

(濟(jì)南市勘察測(cè)繪研究院,山東濟(jì)南 250013)

基于正交分析下近距交疊隧道施工變形研究

吳明雷?,李祿

(濟(jì)南市勘察測(cè)繪研究院,山東濟(jì)南 250013)

為研究近距交疊隧道施工變形影響因素,運(yùn)用正交試驗(yàn)對(duì)不同彈性模量、內(nèi)摩擦角、黏聚力、凈距、埋深影響因素進(jìn)行了FLAC3D模擬,分析了地表沉降、拱頂沉降、拱底變形、塑性區(qū)體積、拱頂及拱底應(yīng)力場(chǎng)6項(xiàng)指標(biāo)變化規(guī)律。結(jié)果顯示:不同因素水平下各指標(biāo)變形量不同,且各因素對(duì)同一指標(biāo)影響程度不同;彈性模量是除指標(biāo)4外最為顯著的影響因素,其值越大越穩(wěn)定變形量也越小;黏聚力和內(nèi)摩擦角是影響指標(biāo)4關(guān)鍵因素,呈負(fù)相關(guān)系;凈距對(duì)指標(biāo)3、5、6有很大影響,是僅次于彈性模量的影響因子;埋深對(duì)指標(biāo)3、4有一定影響,對(duì)其他指標(biāo)影響不大;并利用二次回歸方程對(duì)拱頂變形量進(jìn)行了公式擬合驗(yàn)證,對(duì)今后類似工程施工變形研究具有一定的借鑒意義。

正交試驗(yàn);交疊隧道;小凈距;數(shù)值模擬

1　引 言

小凈距施工方案,能很好地滿足特殊地質(zhì)及地形條件、單雙線銜接方式的要求,具有良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果,在城市地下鐵道、鐵路隧道和公路隧道中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。且隨著地下空間的不斷開發(fā),使得后建的隧道不得不以立交方式穿越鄰近已有隧道或其他結(jié)構(gòu)設(shè)施,且凈距越來越小[1]。

目前,美國(guó)土木工程協(xié)會(huì)在《隧道襯砌設(shè)計(jì)指南》[9]中提出相鄰、相交、重疊或交叉隧道對(duì)設(shè)計(jì)和施工都產(chǎn)生重要的影響。日本在《近接施工的設(shè)計(jì)與指南》[9]提出了近距隧道相互影響的范圍、分類以及施工對(duì)策措施;國(guó)內(nèi),包德勇[2]運(yùn)用ANSYS程序?qū)δ承陆ㄋ淼老麓┘扔兴淼赖氖┕み^程進(jìn)行模擬,揭示了隧道結(jié)構(gòu)受力及位移隨新建隧道的施工推進(jìn)的變化規(guī)律;陳炳志[3]分析了近接隧道不同開挖方式下上部隧道的受力及變形特征;路林海[4,5]分析了青島臺(tái)東緊接交疊隧道的施工變形規(guī)律;李朋[6]、王國(guó)波[7]對(duì)4孔緊接交疊隧道采用三維有限元分析了動(dòng)態(tài)施工過程引起的地表變形規(guī)律以及后建隧道對(duì)已建隧道受力變形及抗震性能的影響。

國(guó)內(nèi)外研究表明,雖然交疊隧道施工變形及受力特點(diǎn)做了很多研究,但圍繞具體哪些因素對(duì)小凈距交疊隧道的施工變形產(chǎn)生較大影響及其影響程度如何卻沒有系統(tǒng)闡述,因此,探討不同工程條件,不同的地質(zhì)水平下近距交疊隧道施工變形如何,對(duì)于今后類似工程變形預(yù)測(cè)和工程施工具有一定的指導(dǎo)作用,因此,本文的研究具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

2　正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

近距交疊隧道的施工由于豎向凈距較小,上下隧道交互影響更為劇烈,施工難度劇增。據(jù)國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)[2～6]可知,影響小凈距立體交疊隧道施工過程中施工變形和受力大小的因素很多。比如隧道埋深不僅對(duì)地層的初始地應(yīng)力場(chǎng)起到關(guān)鍵作用,同時(shí)對(duì)隧道開挖后的二次及三次應(yīng)力場(chǎng)也有很大影響,因此作為本次研究小凈距交疊隧道施工變形的影響因素。小凈距交疊隧道的豎向凈距的大小對(duì)交疊區(qū)域處上下隧道的施工擾動(dòng)程度和受力傳遞有很大的作用,也作為本次研究小凈距交疊隧道施工變形的影響因素。除此之外,隧道施工過程中圍巖的力學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定與否是影響整個(gè)隧道施工變形和受力的關(guān)鍵因素,在此選定圍巖彈性模量、內(nèi)摩擦角及黏聚力作為本次研究小凈距交疊隧道施工變形的影響因素?？紤]青島區(qū)域的地質(zhì)特點(diǎn),結(jié)合初步規(guī)劃設(shè)計(jì)方案,確定5項(xiàng)主要影響因素:圍巖等級(jí)E、凈距h、隧道埋深H、圍巖內(nèi)聚力C、內(nèi)摩擦角φ;各因素代表的意義如圖1所示:

圖1　實(shí)驗(yàn)影響因素示意圖

正交試驗(yàn)因素水平的選擇:本工程主要依托某地鐵2號(hào)線棗山-李村站區(qū)間隧道與3號(hào)線萬年泉-李村站區(qū)間隧道相互交疊為背景,主要研究淺埋暗挖小凈距立體交疊隧道的施工變形分析。因此,5項(xiàng)因素分別采用4個(gè)影響因素水平進(jìn)行試驗(yàn):①隧道埋深H,分為10 m、20 m、30 m、40 m;②雙向隧道豎向間距h:分別采用0．5 m、1 m、3 m、6 m;③圍巖的物理參數(shù)選取:考慮到青島地區(qū)地質(zhì)條件主要以較為堅(jiān)硬的花崗巖為主因此,因此彈性模量E、內(nèi)摩擦角φ、黏聚力C的選取采用Ⅱ～Ⅲ～Ⅳ級(jí)圍巖的具體情況;結(jié)合巖體基本質(zhì)量級(jí)別物理力學(xué)參數(shù)參考表,把各項(xiàng)指標(biāo)編號(hào)匯總于如表1所示:

正交試驗(yàn)因素編號(hào)及水平值大小　表1

正交試驗(yàn)方案表　表2

正交試驗(yàn)表的確定:正交表是正交試驗(yàn)的基本工具,是正交試驗(yàn)?zāi)芊袢〉美硐胄Ч年P(guān)鍵所在,且安排實(shí)驗(yàn)方案和數(shù)據(jù)分析均要在正交表中進(jìn)行。本次試驗(yàn)選取了5項(xiàng)因素4個(gè)水平,因此采用L16(45)正交表表述如表2所示。

3　建立數(shù)值模型

3．1計(jì)算模型的建立

按照小凈距交疊隧道的施工過程,采用FLAC3D軟件動(dòng)態(tài)模擬該工程開挖與支護(hù)的全過程,分析了整個(gè)施工過程當(dāng)中新建隧道與既有隧道的施工變形及受力特點(diǎn)。根據(jù)地下工程地鐵隧道施工影響范圍為5倍洞徑[10],分別建立16組試驗(yàn)對(duì)應(yīng)的三維有限元模型,其中以第一組試驗(yàn)為例建立模型大小為58．405 m× 109．885 m×55．19 m。邊界條件是位移約束條件,上邊界為自由面,四周受水平約束,底面為豎向約束。荷載類型為:地應(yīng)力荷載、水荷載、施工荷載。其中施工荷載大小取為20 kN豎向荷載。

隧道圍巖采用Mohr-Coulomb彈塑性模型,初襯、二襯采用實(shí)體單元,錨桿采用cable單元,初支方案中超前管棚支護(hù)和中空注漿錨桿措施采用對(duì)加固區(qū)的圍巖力學(xué)參數(shù)進(jìn)行等效模擬。建立三維計(jì)算模型如圖2所示。

圖2　試驗(yàn)1計(jì)算模型

3．2圍巖與支護(hù)參數(shù)取值

根據(jù)地勘資料并進(jìn)行地層簡(jiǎn)化,選取計(jì)算模型的地層及支護(hù)參數(shù)如表3所示:

模型材料參數(shù)表　表3

4　實(shí)驗(yàn)結(jié)果的極差分析

4．1試驗(yàn)指標(biāo)的選取

極小凈距交疊隧道的施工變形分析主要研究在下穿施工過程中,主要分析以下幾部分變形情況:1．地表的最大沉降量S地表;2．既有隧道拱頂?shù)淖畲蟪两盗縎拱頂;3．既有隧道拱底的最大底鼓量S底板;4．塑性破壞區(qū)體積VP,即交疊隧道開挖完后在模型中產(chǎn)生的塑性區(qū)破壞體積的總和;5．拱頂最大主應(yīng)力P拱頂;6．拱底最大主應(yīng)力P拱底。

其中,指標(biāo)1表述了地表的變形;試驗(yàn)指標(biāo)2、3反映了下部新線隧道開挖所引起的既有隧道襯砌斷面變形,很大程度上反映了圍巖的穩(wěn)定性和施工的安全性;試驗(yàn)指標(biāo)4描述了小凈距交疊隧道開挖后塑性區(qū)發(fā)展變化;試驗(yàn)指標(biāo)5、6描述了既有線路拱頂和拱底的最大主應(yīng)力的變化。

4．2試驗(yàn)結(jié)果

正交試驗(yàn)過程中16組實(shí)驗(yàn)結(jié)果均是由FLAC3D軟件嚴(yán)格按照相同的施工工序,不同的試驗(yàn)因素水平來實(shí)現(xiàn)模擬的,具體的試驗(yàn)?zāi)M數(shù)據(jù)結(jié)果列于表4中。其中指標(biāo)1是交疊隧道施工地表最大沉降量;指標(biāo)2～3是交疊隧道施工拱頂、拱底變形量,由交疊區(qū)域變形云圖得到;指標(biāo)4是塑性區(qū)體積,由FISH語言編程得到;指標(biāo)5～6是交疊區(qū)域拱頂拱底最大主應(yīng)力的大小,由交疊區(qū)域處主應(yīng)力云圖得到。

試驗(yàn)各指標(biāo)模擬計(jì)算結(jié)果表　表4

4．3結(jié)果分析

正交試驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理主要有極差分析法和方差分析法,其中極差分析法又稱為直觀分析法,是最常用的可靠地?cái)?shù)據(jù)分析方法。因此對(duì)該正交試驗(yàn)采用極差分析方法處理計(jì)算結(jié)果,研究不同因素水平下小凈距交疊隧道施工變形及受力特點(diǎn),其計(jì)算極差分析結(jié)果如表5～表7所示:

指標(biāo)1、2極差計(jì)算表　表5

指標(biāo)3、4極差計(jì)算表　表6

指標(biāo)5、6極差計(jì)算表　表7

為了更直觀的展現(xiàn)不同因素水平下不同因素對(duì)同一指標(biāo)的影響程度大小及其關(guān)系,將上述極差分析結(jié)果均值繪制成同一指標(biāo)與不同影響因素之間關(guān)系曲線如圖3～圖8所示:

由圖3～圖8可知,不同的因素及對(duì)同一指標(biāo)的影響不同,同一因素對(duì)不同指標(biāo)影響程度也不同,通過對(duì)比分析不同因素水平對(duì)淺埋暗挖小凈距交疊隧道的施工變形及受力特點(diǎn)影響不同,結(jié)論如下:

圖3　對(duì)指標(biāo)1水平均值圖

圖4　對(duì)指標(biāo)2水平均值圖

圖5　對(duì)指標(biāo)3水平均值圖

圖6　對(duì)指標(biāo)4水平均值圖

圖7　對(duì)指標(biāo)5水平均值圖

圖8　對(duì)指標(biāo)6水平均值圖

(1)不同因素對(duì)同一指標(biāo)影響程度不同,具體表現(xiàn)為:對(duì)指標(biāo)1地面,E＞φ＞C＞h＞H;對(duì)指標(biāo)2拱頂,E＞φ＞C＞h＞H;對(duì)指標(biāo)3拱底,E＞h＞H＞φ＞C;對(duì)指標(biāo)4,C＞φ＞H＞E＞h;對(duì)指標(biāo)5,E＞h＞φ＞C＞H;對(duì)指標(biāo)6,E＞h＞C＞φ＞H。

(2)同一因素對(duì)不同指標(biāo)影響程度也不同,除指標(biāo)4外,彈性模量對(duì)各指標(biāo)影響都很大,是影響小凈距交疊隧道的施工變形的最主要因素;其值越大,同等施工擾動(dòng)荷載下圍巖越穩(wěn)定,變形越小,是影響整個(gè)施工安全的重要因素之一。

(3)對(duì)于指標(biāo)4即隧道開挖引起的圍巖塑性破壞區(qū)的體積,圍巖的內(nèi)摩擦角φ和黏聚力C成為影響的主要因素,其值越大,塑性區(qū)體積越小,因此可將圍巖內(nèi)摩擦角和黏聚力的水平作為預(yù)測(cè)塑性區(qū)大小的一個(gè)因素,這與摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則不謀而合;同時(shí)黏聚力和內(nèi)摩擦角對(duì)指標(biāo)1、2影響較大,是僅次于圍巖彈性模量的影響因素,即圍巖的性質(zhì)是決定地表沉降和拱頂沉降大小的決定性因素,與隧道埋深和凈距關(guān)系不大。

(4)凈距和埋深影響:本次試驗(yàn)主要研究淺埋暗挖隧道施工新建隧道對(duì)已有隧道變形及受力影響,因此應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)僅考慮新建隧道施工引起的一部分,因此埋深前后不變化,對(duì)各指標(biāo)影響略小;而凈距對(duì)各指標(biāo)影響較明顯,研究表明,凈距大小對(duì)拱頂、拱底的應(yīng)力場(chǎng)及變形量影響較大,這與凈距對(duì)指標(biāo)5、6的影響程度相符;而埋深對(duì)拱底變形量有一定的影響時(shí)僅次于圍巖彈性模量和豎向凈距的影響因子;其值大小也是關(guān)乎塑性區(qū)的發(fā)展的重要影響因子,是僅次于黏聚力和內(nèi)摩擦角的影響因素。

5　回歸分析驗(yàn)證

淺埋暗挖小凈距交疊隧道由于其埋深較淺,地層構(gòu)造應(yīng)力較小因此在施工開挖過程中拱頂位置處受力最大,發(fā)生較大變形,即隧道的破壞是從拱頂處開始的。因此,依據(jù)上述數(shù)據(jù),利用二次回歸模型,對(duì)特定淺埋暗挖小凈距交疊隧道施工條件下拱頂沉降位移計(jì)算公式進(jìn)行擬合,驗(yàn)證了上述結(jié)果的可靠性。

對(duì)淺埋暗挖小凈距交疊隧道施工影響因素的分析可知,圍巖力學(xué)性質(zhì)中彈性模量、內(nèi)摩擦角及黏聚力之間有著一定的內(nèi)在關(guān)系,為簡(jiǎn)化計(jì)算,將彈性模量、內(nèi)摩擦角、內(nèi)黏聚力合稱為一個(gè)因子,5個(gè)簡(jiǎn)化為3個(gè)因素分析:x1是埋深H;x2是凈距h;x3由圍巖特性合成因子。由上述數(shù)據(jù)可知,彈性模量對(duì)實(shí)驗(yàn)拱頂沉降影響較大,其影響因素是其他因素影響度的3倍～5倍,因此在確定x3時(shí),在彈性模量E前乘以一個(gè)較大的權(quán)重值5,確定x3如下:

假定隧道拱頂處最大變形計(jì)算公式可以以二次回歸方程表示如下:

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析將其代入上述公式確定方程參數(shù)如下:

代入式(2)可得淺埋暗挖小凈距下立體交疊隧道下穿既有隧道的拱頂沉降值計(jì)算式:

依據(jù)上述擬合式(3),代入實(shí)驗(yàn)16組數(shù)據(jù)進(jìn)行反算既有隧道拱頂最大沉降量,驗(yàn)證本方程式的可靠性,計(jì)算結(jié)果如表8所示。

反算結(jié)果對(duì)比　表8

由表8分析可知,在利用此公式計(jì)算淺埋暗挖小凈距交疊隧道施工過程中既有隧道拱頂變形量時(shí)候,除試驗(yàn)1和7之外,其他指標(biāo)反算結(jié)果與模擬數(shù)據(jù)基本吻合,誤差不超過25%,其中最大誤差在20%。最小誤差僅為0．001%,因此從統(tǒng)計(jì)學(xué)來講,試驗(yàn)取得了較好的效果。試驗(yàn)1、試驗(yàn)7是由于試驗(yàn)操作不當(dāng)及巖土體數(shù)據(jù)不合理所致。具體而言,試驗(yàn)1號(hào)埋深10 m時(shí),上部巖層彈性模量較小,或覆土太厚所致。試驗(yàn)7號(hào)是彈性模量為9 GPa,與青島地區(qū)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工程中巖層小概率性有關(guān)?？傊敬味畏匠棠軌蜉^好反映淺埋暗挖小凈距交疊隧道施工拱頂變形大小。

6　結(jié) 語

(1)不同因素對(duì)同一指標(biāo)影響程度不同:對(duì)指標(biāo)1,E＞φ＞C＞h＞H;對(duì)指標(biāo)2,E＞φ＞C＞h＞H;對(duì)指標(biāo)3,E＞h＞H＞φ＞C;對(duì)指標(biāo)4,C＞φ＞H＞E＞h;對(duì)指標(biāo)5,E＞h＞φ＞C＞H;對(duì)指標(biāo)6,E＞h＞C＞φ＞H。

(2)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),圍巖的彈性模量對(duì)各指標(biāo)的影響最為顯著,是最重要的影響指標(biāo),彈性模量越大同等擾動(dòng)荷載下交疊隧道施工越穩(wěn)定,變形量越小。圍巖的內(nèi)摩擦角和黏聚力大小是影響塑性破壞區(qū)的體積最顯著的影響因素。凈距的大小僅在拱頂應(yīng)力、拱底應(yīng)力場(chǎng)及變形量變化時(shí)有明顯影響;埋深對(duì)拱底變形量及塑性區(qū)發(fā)展有一定影響,對(duì)其他指標(biāo)影響可以不考慮。

(3)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),淺埋暗挖小凈距交疊隧道施工,拱頂處受力最大,變形量最大,影響施工安全;利用二次方程擬合驗(yàn)證了本次試驗(yàn)新建隧道對(duì)已有隧道襯砌拱頂變形的可靠性,達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

[1] 喬明佳．城市超小凈距立體交叉隧道設(shè)計(jì)與施工關(guān)鍵技術(shù)[M]．重慶:重慶大學(xué)出版社,2012．02

[2] 包德勇．近距離交疊隧道施工影響的數(shù)值模擬[J]．地下空間與工程學(xué)報(bào),2011,7(1):127～132,206．

[3] 陳炳志,路林海,王清標(biāo)．不同開挖方法對(duì)交疊隧道影響的模擬研究[J]．施工技術(shù),2011,40(350):86～89．

[4] 路林海．青島市近距離交疊地下工程圍巖穩(wěn)定性及安全保障研究[D]．青島:山東科技大學(xué),2008．

[5] 王渭明,路林海．臺(tái)東交疊隧道施工過程數(shù)值分析[J]．地下空間與工程學(xué)報(bào),2009,5(6):1181～1187．

[6] 李朋,徐海清,李振偉．緊鄰多孔交疊盾構(gòu)隧道施工影響分析[J]．巖土力學(xué),2011,32(S1):761～765．

[7] 王國(guó)波,陳梁,徐海清．緊鄰多孔交疊隧道抗震性能研究[J]．巖土力學(xué),2012,33(8):2483～2490．

[8] 劉維,唐曉武,甘鵬路．富水地層中重疊隧道施工引起土體變形研究[J]．巖土工程學(xué)報(bào),2013,35(6):1055～1061．

[9] 馬騰,馬瑞,閆春淼等．太原市水資源保護(hù)規(guī)劃報(bào)告[R]．2006．

[10] LIMAN E S,DUDDECK H,AHRENS H．Two-dimensional and three-dimensional analysis of close spaced double-tube tunnels[J]．Tunnelling and Underground Space Technology, 1993,8(1):13～18．

[11] YAMAGUCHI I,YAMAZAKI I,KIRITANI Y．Study of ground-tunnel interaction of four shield tunnels driven in close proximity[J]．Tunnelling and Underground Space Technology,1998,13(3):289～304．

[12] 李積棟,陶連金,吳秉林．密貼交叉隧道在強(qiáng)震作用下的三維動(dòng)力響應(yīng)分析[J]．現(xiàn)代隧道技術(shù),2014,51(01): 26～31．

[13] 李磊,張孟喜,吳惠明．近距離多線疊交盾構(gòu)施工對(duì)既有隧道變形的影響研究[J]．巖土工程學(xué)報(bào),2014,36 (06):1036～1043．

[14] 趙明．小凈距盾構(gòu)隧道施工力學(xué)效應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與數(shù)值模擬分析[D]．北京:北京工業(yè)大學(xué),2012．

Orthogonal Analysis of Construction Deformation in Close Overlapping Tunnels

Wu Minglei,Li Lu

(Jinan Geotechnical Investigation and Surveying Research Institute,Jinan 250013,China)

To study the construction deformation effects of different factors in small spacing overlapping tunnels, based on orthogonal experiment,different situations with different depth,spacing,elastic modulus,internal friction angle and cohesion were analyzed by FLAC3D．The settlement of ground,the settlement of arch top,the dome deformation,plastic zone volume,the maximum principal stress variation of vaults and arches were analyzed．The results showed that:different levels of factors,different six indicators;Except Indicator 4,the elastic modulus is the most significant factors．The greater its value,the smaller amount of deformation;Cohesion and internal friction angle is the key impact factor of indicators 4．The greater its value,the smaller its eformation;Spacing have a significant impact on the index 3,5,6,which is the second impact factor after elastic modulus;Depth have some influence on indicators 3,4,while it had small impact on other indicators;In addition,the use of quadratic regression equation to analyze the deformation of the arch top validation, provided some reference for the deformation control and construction safety in similar projects in the future．

orthogonal experiment;overlapping tunnels;iltra-small spacing;numerical simulation

1672-8262(2016)01-158-06

P642,TU470

A

?2015—08—01

吳明雷(1986—),男,助理工程師,主要從事巖土工程的勘察、設(shè)計(jì)工作。