代 勇

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100000)

[定稿日期]2018-01-02

地下工程對(duì)開挖比較敏感,易受擾動(dòng)。當(dāng)相鄰隧道比較接近時(shí),如果不采取專門對(duì)策,則新建隧道的施工將會(huì)對(duì)既有隧道產(chǎn)生不利影響。如承載能力下降、甚至破壞變形過(guò)大以至于侵入凈空不均勻沉降造成相鄰隧道破損或不能正常使用等。以往對(duì)于此問(wèn)題的研究相對(duì)單一,研究得還不夠充分和深入,對(duì)于現(xiàn)在出現(xiàn)的新型問(wèn)題還無(wú)法解決,設(shè)計(jì)和施工還無(wú)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)可循,對(duì)各類近接施工的力學(xué)機(jī)理還沒(méi)有系統(tǒng)的闡述。因此,目前遇到這類工程的處理結(jié)果是要么采取過(guò)于保守的對(duì)策,造成很大的浪費(fèi),要么采取過(guò)于冒險(xiǎn)或盲目的對(duì)策,造成安全問(wèn)題。因此,對(duì)相鄰隧道的近接施工問(wèn)題的研究顯得尤為重要。

本文以某在建地鐵隧道作為工程依托，對(duì)近接問(wèn)題進(jìn)行相關(guān)的探討和分析。

1 工程概況

某軌道交通線工程，下穿既有線路盾構(gòu)隧道。新建隧道與既有隧道位置分布如圖1、圖2所示，根據(jù)地質(zhì)條件和線路埋設(shè)深度采用盾構(gòu)法施工。隧道主要穿越強(qiáng)風(fēng)化砂巖。兩條線路的隧道埋深分別為12.25m和22.50m。

圖1 新建隧道與既有軌道線位置示意

圖2 兩近接隧道關(guān)系

2 分析方法原理

強(qiáng)度折減法是通過(guò)對(duì)圍巖的剪切強(qiáng)度代表值進(jìn)行不斷的折減直至圍巖達(dá)到極限破壞狀態(tài)為止。下面以服從摩爾—庫(kù)侖準(zhǔn)則的材料為例來(lái)闡述強(qiáng)度折減法的基本原理。

令w為強(qiáng)度安全系數(shù)，折減后的圍巖強(qiáng)度可以表示如下：

根據(jù)以上的式子可以得出：

式中：c、c′分別為初始粘聚力和極限粘聚力；φ、φ′分別為初始內(nèi)摩擦角和極限內(nèi)摩擦角修正值。

強(qiáng)度折減法的主要優(yōu)點(diǎn)有:(1)不需要假定破壞面；(2)通過(guò)分析可以比較直觀地反映圍巖的實(shí)際破壞面。

3 數(shù)值計(jì)算

3.1 計(jì)算模型

計(jì)算采用平面應(yīng)變計(jì)算模型(圖3)。其中計(jì)算模型橫向取84m(左邊界距新建隧道左線30m、右邊界距既有隧道右線30m)，豎向取隧道下方25m，隧道上方取20m，縱向拉伸40m。到下土體依次為人工填土、強(qiáng)風(fēng)化砂巖。采用實(shí)體單元，一共建立了102 640個(gè)單元來(lái)進(jìn)行數(shù)值模擬。模型服從摩爾-庫(kù)倫屈服準(zhǔn)則。應(yīng)力場(chǎng)按自重應(yīng)力場(chǎng)考慮。

圖3 計(jì)算模型

3.2 計(jì)算參數(shù)

結(jié)合地勘資料、《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》和相關(guān)文獻(xiàn)，進(jìn)行圍巖、初支、二襯等的物理力學(xué)參數(shù)選取，具體如表1所示。

表1 圍巖、鐵軌和道床物理力學(xué)參數(shù)

3.3 整體穩(wěn)定性分析

分別對(duì)只開挖既有軌道線、只開挖既有軌道線+新建左線隧道、只開挖既有軌道線+新建左線隧道+上管片、只開挖既有軌道線+新建左、右隧道等五種情況進(jìn)行分析考慮。通過(guò)對(duì)其達(dá)到極限狀態(tài)下的等效塑性應(yīng)變和特征點(diǎn)位移突變來(lái)進(jìn)行綜合分析。

(1)既有運(yùn)營(yíng)線路開挖穩(wěn)定性分析。數(shù)值模擬既有軌道線全斷面開挖且無(wú)支護(hù)條件下，隧道豎向(z方向)位移如圖4所示。通過(guò)強(qiáng)度折減得到的拱頂?shù)乇砦灰婆c折減系數(shù)的關(guān)系曲線圖5可知，既有軌道線隧道開挖完后的整體安全系數(shù)為1.79，處于安全狀態(tài)，地表最大沉降、拱頂最大沉降分別為1.03mm、2.61m。同時(shí)得到等效塑性應(yīng)變?cè)茍D如圖6、圖7所示。由圖6可知，在K=1.89的情況下，既有軌道左、右線均形成了剪切滑移面，此時(shí)等效塑性應(yīng)變從隧道拱頂?shù)降乇碡炌?。同時(shí)當(dāng)折減系數(shù)K=1.79時(shí)。位移發(fā)生突變，由此可知開挖既有軌道線的安全系數(shù)為1.79。

圖4 右線開挖的豎向位移云圖

圖5 拱頂沉降與折減系數(shù)關(guān)系曲線

K=1.79

K=1.89圖6 等效塑性應(yīng)變?cè)茍D

(2)新建隧道開挖工序分析。先開挖左線再開挖右線。在既有軌道線施作完成后，新建隧道進(jìn)行施工。數(shù)值模擬求得，通過(guò)對(duì)同時(shí)開挖左右線隧道和先開挖左線再開挖右線隧道進(jìn)行數(shù)值模擬，得到隧道豎向(z方向)位移如圖7～圖9所示。

圖7 新建隧道只開挖左線的豎向位移云圖

圖8 左線施作完成開挖右線的豎向位移云圖

圖9 右線開挖的豎向位移云圖

通過(guò)對(duì)地表布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，得到在這兩種開挖順序下地表沉降如表2所示。

表2 隧道拱頂?shù)乇沓两祬R總 mm

由表2可知，只開挖左線、開挖左線完成，施作右線、同時(shí)開挖左右線的拱頂?shù)乇砦灰凭幱诳刂茦?biāo)準(zhǔn)以內(nèi)，開挖左線完成，施作右線和同時(shí)開挖左右線的拱頂?shù)乇沓两挡钪祪H為0.1mm，為了加快施工建議左右線同時(shí)開挖。

開挖完成后施做支護(hù)結(jié)構(gòu)如圖10所示，通過(guò)分析可知，在施作支護(hù)結(jié)構(gòu)以后，支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移很小，所受的最大彎矩都很小，說(shuō)明結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。

圖10 右線開挖的豎向位移云圖

(3)開挖新建隧道穩(wěn)定性分析。數(shù)值模擬既有軌道線開挖完成，新建隧道全斷面開挖且無(wú)支護(hù)條件下通過(guò)強(qiáng)度折減得到的拱頂?shù)乇砦灰婆c折減系數(shù)的關(guān)系曲線圖11可知，既有軌道線隧道開挖完后的整體安全系數(shù)為1.41，處于安全狀態(tài)，地表最大沉降、拱頂最大沉降分別為3.73mm、 5.91mm。由等效塑性應(yīng)變?cè)茍D12可知，在K=1.55的情況下，既有軌道右線形成了剪切滑移面，此時(shí)等效塑性應(yīng)變從隧道拱頂?shù)降乇碡炌āＭ瑫r(shí)新建隧道左線的等效塑性應(yīng)變逐漸向地表發(fā)展。同時(shí)當(dāng)折減系數(shù)K=1.41時(shí)。位移發(fā)生突變。

圖11 隧道拱頂沉降與折減系數(shù)關(guān)系曲線

K=1.41

K=1.55圖12 等效塑性應(yīng)變?cè)茍D

通過(guò)對(duì)三種工況計(jì)算進(jìn)行匯總得到地表沉降、拱頂沉降、安全系數(shù)如表3所示。

4 結(jié)論

通過(guò)數(shù)值計(jì)算，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行匯總，得到以下結(jié)論：

(1)開挖既有軌道交通線、開挖新建左線、開挖新建左線+右線的安全系數(shù)均大于1，滿足規(guī)范要求。

(2)只開挖左線、開挖左線完成，施作右線、同時(shí)開挖左右線的拱頂?shù)乇砦灰凭幱诳刂茦?biāo)準(zhǔn)以內(nèi)，開挖左線完成，施作右線和同時(shí)開挖左右線的拱頂?shù)乇沓两挡钪祪H為0.1mm，為了加快施工建議左右線同時(shí)開挖。

表3 地表沉降、拱頂沉降、安全系數(shù)匯總表 mm

(3)在施工期，建議對(duì)近接所在區(qū)間隧道施工影響范圍進(jìn)行實(shí)時(shí)、自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，以便時(shí)刻掌握其是否受影響及其受影響程度，從而確保既有軌道交通線的運(yùn)營(yíng)安全。

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