隋濤

(上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司 200092)

引言

小凈距(≤0.6D,D為隧道外徑)盾構(gòu)隧道[1]管片結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、位移等受相鄰盾構(gòu)隧道管片的影響,即在既有隧道外徑以內(nèi)范圍施工時,后筑隧道會對先筑隧道產(chǎn)生較大的影響。張明聚等[2～4]對小凈距平行盾構(gòu)隧道施工中后行隧道掘進(jìn)引起的先行隧道管片附加應(yīng)力的變化規(guī)律進(jìn)行了深入研究。許少輝[5]采用數(shù)值軟件對并行的小凈距盾構(gòu)隧道進(jìn)行了三維數(shù)值模擬的相互作用響應(yīng)分析,其結(jié)果表明,當(dāng)隧道凈距較小時(≤0.5D),盾構(gòu)隧道之間的影響非常大。本文應(yīng)用midas-gts 數(shù)值分析軟件,對小凈距曲線(最小轉(zhuǎn)彎半徑為80m)盾構(gòu)隧道進(jìn)行數(shù)值模擬,并對其數(shù)值結(jié)果進(jìn)行了分析,以此研究管片結(jié)構(gòu)的受力特性。

1 工程概況

某小凈距曲線盾構(gòu)隧道工程位于軟巖地區(qū)(Ⅴ級圍巖),地層從地表往下依次為填土、強(qiáng)風(fēng)化巖石地層、中風(fēng)化巖石地層。隧道主要穿越中風(fēng)化巖層,隧道頂覆土約7m,兩條曲線盾構(gòu)隧道(轉(zhuǎn)彎半徑80m) 凈距(外徑之間距離) 約1.25m,盾構(gòu)隧道內(nèi)徑4.25m,壁厚0.25m,錯縫拼裝,C55 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。數(shù)值分析中,根據(jù)文獻(xiàn)[6]的研究成果,彈性模量取為壓縮模量的5 倍,土層參數(shù)見表1。

表1 地層參數(shù)及盾構(gòu)管片結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Geological parameters and shield segment structure parameters

2 數(shù)值模擬

2.1 基本原理

數(shù)值分析模型將地下結(jié)構(gòu)與地層作為一個受力變形的整體,按照連續(xù)介質(zhì)力學(xué)原理來計(jì)算地下建筑結(jié)構(gòu)以及周圍地層變形,不僅計(jì)算襯砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)力及變形,而且計(jì)算周圍地層的應(yīng)力,充分體現(xiàn)周圍地層與地下建筑結(jié)構(gòu)的相互作用。

2.2 模型本構(gòu)關(guān)系

巖土體作為一種非線性材料,不同巖土層對隧道結(jié)構(gòu)管片的約束效應(yīng)不同,尤其是在巖土體-結(jié)構(gòu)相互作用時,這種非線性對結(jié)構(gòu)受力特性的影響顯著。摩爾庫侖模型作為一種非線性模型,應(yīng)用于一般巖土體的非線性分析可以得到較為可靠的結(jié)果。數(shù)值分析中,采用摩爾-庫侖材料模型模擬隧道周圍的巖土體,采用彈性材料模型模擬隧道管片結(jié)構(gòu)。

摩爾庫侖屈服表達(dá)式為:

式中:τ為剪切面上的極限剪應(yīng)力;c為粘聚力;σn剪切面上的法相應(yīng)力;φ為內(nèi)摩擦角。

2.3 單元類型

計(jì)算模型中采用兩種單元離散結(jié)構(gòu)體,即六面體/四面體實(shí)體單元、殼結(jié)構(gòu)單元。其中六面體實(shí)體單元用于離散巖土體,殼結(jié)構(gòu)單元用以模擬隧道管片結(jié)構(gòu),如圖1 所示。

圖1 空間實(shí)體單元Fig.1 The spatial 3D-solid finite element

2.4 模型范圍和邊界條件

計(jì)算區(qū)域的側(cè)向邊界取至離隧道結(jié)構(gòu)外側(cè)至少3 倍隧道結(jié)構(gòu)外徑處,上部邊界取至地表,底部邊界取至離隧道管片第3 倍外徑處。

側(cè)向和縱向均取為水平位移約束邊界,底部取為豎向位移約束邊界,地表取為自由變形邊界。

地層模型示意和小凈距曲線盾構(gòu)模型示意分別見圖2 和圖3。

圖2 地層模型示意Fig.2 The schematic diagram of the soil layer model

圖3 小凈距曲線盾構(gòu)隧道模型示意Fig.3 The schematic diagram of a shield tunnel with a small net distance curve

3 各工況計(jì)算結(jié)果

為進(jìn)行小凈距雙圓盾構(gòu)隧道的相互影響作用分析,按兩種工況進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算分析。工況1:先掘進(jìn)左側(cè)盾構(gòu)時隧道結(jié)構(gòu)變形及內(nèi)力分布;工況2: 后掘進(jìn)右側(cè)盾構(gòu)隧道時雙圓盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)變形及內(nèi)力分布。

圖4、圖5 為工況1 時,左側(cè)盾構(gòu)隧道襯砌位移及內(nèi)力云圖;圖6、圖7 為工況2 時,左右兩條隧道襯砌位移及內(nèi)力云圖。

圖4 左側(cè)襯砌位移Fig.4 The displacement diagram of the left lining

圖5 左側(cè)襯砌內(nèi)力Fig.5 Internal force diagram of the left lining

圖6 左右側(cè)襯砌位移Fig.6 The displacement diagram of the left and right lining

圖7 左右側(cè)襯砌內(nèi)力Fig.7 Internal forcediagram of the left and right lining

4 計(jì)算結(jié)果對比分析

4.1 變形結(jié)果分析

通過對隧道變形云圖(圖4 和圖6)的分析可知(左側(cè)隧道在兩種工況下的襯砌變形見表2),先筑隧道在施工完成后明顯受到后筑隧道施工卸荷的影響,襯砌變形增大。

表2 左側(cè)隧道結(jié)構(gòu)變形計(jì)算結(jié)果對比Tab.2 Comparison of calculation results of structural deformation of the left tunnel

由表2 可知,相較于工況1,左側(cè)隧道在工況2 時的豎向變形增幅較大,增幅約46%,而水平向變形變化相對較小,僅增加了5.86%。由此可以看出,后掘進(jìn)隧道開挖對先掘進(jìn)左側(cè)隧道豎向變形影響較大,同時兩個工況下隧道結(jié)構(gòu)直徑變形率均小于規(guī)范限制3‰,后掘進(jìn)隧道開挖對先掘進(jìn)隧道的影響在可控范圍以內(nèi)。

4.2 內(nèi)力結(jié)果分析

通過對隧道內(nèi)力云圖(圖5 和圖7)的分析可知(左側(cè)隧道在兩種工況下的襯砌變形見表3),先掘進(jìn)隧道襯砌內(nèi)力受到后掘進(jìn)隧道開挖卸荷影響,軸力、剪力及彎矩各項(xiàng)內(nèi)力都有所下降,其中,軸力減幅最小,僅7.86%;剪力及彎矩減幅較大,均在15%左右。

表3 左側(cè)隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算結(jié)果Tab.3 Calculation results of internal forces of the left tunnel structure

由表4 可知,左右兩側(cè)隧道結(jié)構(gòu)除水平向變形外,兩條隧道結(jié)構(gòu)最終的變形及內(nèi)力狀態(tài)相近。即先掘進(jìn)隧道經(jīng)過后掘進(jìn)隧道卸荷后,先后施工的兩條隧道周邊的地層應(yīng)力狀態(tài)最終趨于平衡一致。

表4 左右兩側(cè)隧道結(jié)構(gòu)掘進(jìn)完成后計(jì)算結(jié)果Tab.4 Calculation results of the left and right sides of the tunnel after tunneling

5 結(jié)論

1.小凈距曲線盾構(gòu)隧道工程中,由于后掘進(jìn)隧道對周圍地層的卸荷作用,其對先掘進(jìn)隧道位移、內(nèi)力影響較大。相較于工況1,先行掘進(jìn)隧道豎向變形明顯增大,各項(xiàng)內(nèi)力減小,變形在可控范圍內(nèi)。

2.小凈距曲線盾構(gòu)隧道工程中,兩條隧道結(jié)構(gòu)的最終變形及內(nèi)力數(shù)值相近。

3.在合理的凈距及襯砌設(shè)計(jì)條件下,軟巖地區(qū)小凈距盾構(gòu)隧道的直徑變形率可控,亦能滿足規(guī)范要求。