皮小強(qiáng)， 徐 國

(1.招商局重慶交通科研設(shè)計院有限公司， 重慶 400067； 2.重慶交通大學(xué) 土建學(xué)院， 重慶 400074)

隨著城市地下空間的開發(fā)及利用，隧道近接或穿越既有建構(gòu)筑物的現(xiàn)象日益突出，不少學(xué)者和工程技術(shù)人員都做了大量研究。張學(xué)富等[1]以重慶市南坪中心交通樞紐工程暗挖隧道為背景，研究了隧道穿越空箱擋墻樁基礎(chǔ)的施工方案；劉向遠(yuǎn)[2]以貴陽市軌道交通1號線下麥西隧道下穿環(huán)城高速公路交通涵洞出口擋土墻為例，探討了隧道穿越擋墻時采用全斷面法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法的優(yōu)劣；陳旭杭等[3]對軟土隧道施工穿越橋梁樁基障礙物技術(shù)進(jìn)行了研究；肖博等[4]采用荷載-結(jié)構(gòu)法對隧道穿越既有支擋結(jié)構(gòu)時采用不同支擋結(jié)構(gòu)方案和不同嵌固條件下的支擋結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。綜上所述，目前國內(nèi)研究主要集中在隧道穿越既有樁基或擋墻的施工方法、支護(hù)類型和隧道的支護(hù)參數(shù)優(yōu)化上[5-11]，對隧道在進(jìn)出洞口穿越既有結(jié)構(gòu)時其開挖順序方面的研究鮮有報道[12-15]。為此，本文以重慶曾家?guī)r嘉陵江大橋南側(cè)主線隧道洞口穿越既有支擋結(jié)構(gòu)為背景，分析了不同開挖順序條件下對既有支擋結(jié)構(gòu)的影響，并提出了加固原設(shè)計的合理建議。

1 工程概況

曾家?guī)r南側(cè)主線隧道全長約1.92 km，雙向4車道，連拱型式。隧道在穿越交通量密集的南區(qū)路既有高支擋結(jié)構(gòu)處出洞，高度約18.8 m，如圖1所示；洞口段位于人工填土層和強(qiáng)風(fēng)化泥巖中，厚度約15 m。既有支擋結(jié)構(gòu)型式采用樁板擋墻，1.6 m×1.8 m的方樁，間距6 m，支擋結(jié)構(gòu)加固原設(shè)計方案采用雙排抗滑樁+斜撐+預(yù)應(yīng)力錨索，即在既有支擋結(jié)構(gòu)背后設(shè)置2 m×3 m的2根抗滑樁+3根預(yù)應(yīng)力抗滑樁，中部3根樁再采用斜撐+樁的型式聯(lián)系，錨索長29 m，設(shè)計軸力300 kN，支擋結(jié)構(gòu)加固前后如圖2～圖4所示。

圖1 施工前實景

圖2 施工后實景

單位：mm

單位：mm

該段隧道原設(shè)計施工順序如圖5所示：①中導(dǎo)洞Ⅰ先開挖，并及時施作中導(dǎo)洞初支；②完成中隔墻澆筑施工；③中隔墻頂部回填；④中隔墻橫撐施作；⑤左洞左導(dǎo)坑上臺階Ⅱ開挖并及時施作初期、臨時支護(hù)；⑥左洞左導(dǎo)坑下臺階Ⅲ開挖并及時施作初期、臨時支護(hù)；⑦左洞右導(dǎo)坑上臺階Ⅳ開挖并及時施作初期支護(hù)；⑧左洞右導(dǎo)坑下臺階Ⅴ開挖并及時施作初期支護(hù)；⑨拆除左洞臨支，施作左洞仰拱、二次襯砌；⑩右洞右導(dǎo)坑上臺階Ⅵ開挖并及時施作初期、臨時支護(hù)；右洞右導(dǎo)坑下臺階Ⅶ開挖并及時施作初期、臨時支護(hù)；右洞左導(dǎo)坑上臺階Ⅷ開挖并及時施作初期支護(hù)；右洞左導(dǎo)坑下臺階Ⅸ開挖并及時施作初期支護(hù)；拆除右洞臨支，施作右洞仰拱、二次襯砌。完成后的隧道襯砌結(jié)構(gòu)如圖6所示。

單位：mm

單位：mm

2 地層-結(jié)構(gòu)法計算模型

2.1 計算模型

2.1.1 計算假設(shè)和邊界條件

1) 巖土體視為均質(zhì)連續(xù)體，忽略實際巖體中的節(jié)理裂隙問題，在變形過程中各結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生相對滑動或脫離；2) 巖體初始應(yīng)力場僅考慮汽車荷載作用和自重作用下的應(yīng)力；3) 將巖土視為各向同性的理想彈性-塑性材料，并采用Drucker-Prager屈服準(zhǔn)則，其余均視為彈性材料；4) 數(shù)值模擬中不模擬彈性壓縮造成的錨索預(yù)應(yīng)力損失；5) 不考慮地下水的作用；6) 水平施加X方向約束，底部邊界施加Z方向約束。

2.1.2 三維模型及參數(shù)

建模時，隧道、圍巖、既有支擋結(jié)構(gòu)及二襯都采用六面體網(wǎng)格，初支和臨支用殼單元，加固支擋都用三維梁單元。隧道每次開挖進(jìn)尺3 m。模型尺寸按隧道跨度的3～5倍選取，如圖7所示，圍巖和支護(hù)的物理力學(xué)參數(shù)見表1。六面體單元同預(yù)應(yīng)力錨索三維梁單元用“約束方程”連接，代替自由度耦合方式，約束方程是聯(lián)系自由度的線性方程，公式如下：

(1)

式中：U(I)為自由度項；C(I)為自由度項U(I)的系數(shù)；N為方程中項的編號。

表1 圍巖和支護(hù)物理力學(xué)參數(shù)

單位：m

圖7模型網(wǎng)格

Fig.7 Mesh graph of model

2.2 隧道出洞開挖順序模擬分析

2.2.1 隧道3種開挖順序

既有支擋結(jié)構(gòu)仍然為原設(shè)計方案，隧道洞口段采用3種開挖順序：1) 隧道順向開挖，即從隧道外向里開挖，如圖8(a)所示；2) 隧道逆向開挖，即從隧道里往外開挖，如圖8(b)所示；3) 隧道先順后逆開挖，即先從隧道外向里開挖中導(dǎo)洞，后從隧道里向外開挖左右洞，如圖8(c)所示。

(a) 順向開挖示意

(b) 逆向開挖示意

(c) 先順后逆開挖示意

圖8隧道不同開挖順序

Fig.8 Orders of tunnel excavation

2.2.2 隧道3種開挖順序計算結(jié)果分析

隧道順向開挖，既有支擋和加固支擋結(jié)構(gòu)變形和受力云圖如圖9～圖12所示，3種開挖順序?qū)扔兄鹾图庸讨踅Y(jié)構(gòu)的變形及受力結(jié)果見表2、表3。

單位：m

單位：m

單位：N

單位：N·m

1) 位移分析

通過數(shù)值模擬隧道不同開挖順序出洞對結(jié)構(gòu)的位移進(jìn)行計算，得到既有支擋和加固支擋各不利位置隨開挖順序的位移變化曲線，如圖13、圖14所示。

分析圖13、圖14可知，支擋結(jié)構(gòu)的水平位移大小為：順向開挖>先順后逆開挖>逆向開挖，計算位移值亦與現(xiàn)場監(jiān)控量測值發(fā)展趨勢一致，說明隧道采用逆向開挖為最安全的情況。由表2、表3可知，先順后逆開挖產(chǎn)生的位移值約占順向開挖的73%，逆向開挖位移值約占順向開挖的63%，先順后逆開挖雖然大于逆向開挖位移值，但其數(shù)值與逆向開挖數(shù)值差僅占順向開挖的10%，說明先順后逆開挖雖然在安全性上不如隧道逆向開挖，但由于先順后逆施工空間大，施工管理協(xié)調(diào)更高效，可在保證安全的前提下節(jié)省工期，提高經(jīng)濟(jì)效益。

表2 隧道不同開挖順序下各結(jié)構(gòu)的位移值 mm

表3 隧道不同開挖順序下各結(jié)構(gòu)的彎矩和對應(yīng)軸力值

圖13 既有支擋水平位移對比

圖14 加固支擋位移對比

2) 受力分析

受力分析針對加固支擋抗滑樁、地連梁、斜撐和既有支擋的最大彎矩值及其最大彎矩值對應(yīng)的軸力值進(jìn)行統(tǒng)計，得到支擋結(jié)構(gòu)不利位置處的彎矩和軸力隨開挖順序變化的曲線，如圖15、圖16所示。

圖15 加固支擋軸力對比

由圖15、圖16可知，在隧道逆向開挖時的最大彎矩都小于另外2種開挖方式，同時其對應(yīng)軸力也大于另外2種開挖方式。其中隧道逆向開挖對應(yīng)的彎矩和軸力與先順后逆對應(yīng)軸力值相差8%左右，說明隧道出洞開挖順序?qū)扔兄跏芰τ绊戄^小。

圖16 加固支擋彎矩對比

綜上分析，偏安全的開挖順序是隧道逆向開挖；保證安全的前提下偏經(jīng)濟(jì)的開挖順序是先順后逆開挖，說明原設(shè)計采用先順后逆的開挖順序是合理的。

2.3 加固支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化分析

2.3.1 加固支擋結(jié)構(gòu)優(yōu)化工況

加固支擋斜撐體系在現(xiàn)場現(xiàn)澆施工時風(fēng)險較大，斜撐施工不便，同時根據(jù)模擬計算結(jié)果，隧道出洞開挖時，對既有支擋內(nèi)側(cè)進(jìn)行了卸載，主要風(fēng)險為拱頂下沉和路面沉降，而對既有支擋及加固支擋影響相對較小，原設(shè)計保守，存在優(yōu)化空間。為了確立一個經(jīng)濟(jì)、安全、合理的出洞方案，本文提出2種典型優(yōu)化工況，與原設(shè)計共3種工況，如圖17所示。

(a) 工況

(b) 工況2

(c) 工況3

工況1為原加固設(shè)計，采用雙排抗滑樁(含冠梁、橫梁、地連梁、肋柱)+斜撐+預(yù)應(yīng)力錨索加固體系，如圖17(a)所示；工況2為在原加固設(shè)計基礎(chǔ)上，取消預(yù)應(yīng)力錨索，如圖17(b)所示；工況3為在原加固設(shè)計基礎(chǔ)上取消斜撐、外側(cè)地連梁及外排抗滑樁，如圖17(c)所示。

2.3.2 加固支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化

結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化通過固定隧道開挖方式，單一改變其結(jié)構(gòu)優(yōu)化形式，兩兩對比結(jié)構(gòu)內(nèi)力、位移的變化，從而分析不同加固方案的優(yōu)劣，下面對3種工況下優(yōu)化進(jìn)行對比分析。

1) 位移分析

通過地層-結(jié)構(gòu)法計算加固支擋結(jié)構(gòu)3種優(yōu)化工況，得到既有支擋與加固支擋不同位置處的最大位移值，如表4所示。

表4 既有支擋與加固支擋位移統(tǒng)計 mm

從表4工況2、工況3和原設(shè)計工況1兩兩對比可得：工況3在既有支擋頂部位移值均小于工況2和原設(shè)計工況1，說明工況3(抗滑樁加錨索結(jié)構(gòu))對減小墻頂水平位移效果較好。原設(shè)計工況1和工況2在隧道拱頂部位水平位移值相差不大，但這2個工況的隧道拱部位置的水平位移都小于工況3(無斜撐)，說明斜撐對減小既有支擋墻身隧道部位位移效果較好。因結(jié)構(gòu)主要風(fēng)險為墻頂水平位移，單從位移分析看，工況3墻頂水平位移最小，原設(shè)計工況1的結(jié)構(gòu)兼得工況2和工況3的綜合優(yōu)勢，但墻頂位移大于工況3。

2) 受力分析

通過受力分析可知結(jié)構(gòu)的安全性，計算統(tǒng)計的既有支擋與加固支擋不同位置最大彎矩值及其最大彎矩對應(yīng)的軸力如表5所示。

從表5最大彎矩值可以看出，采用工況3和工況2優(yōu)化方式的最大彎矩都比原設(shè)計的最大彎矩值要大，其中工況2最大彎矩值比原設(shè)計提高了約18.32%，而工況3的最大彎矩值比原設(shè)計提高了約42%；從表5最大軸力值可以看出，3種工況的軸力值相差在5%以內(nèi)，總體相差不大，說明不同的加固方案對既有支擋最大彎矩值的影響較大，對軸力值影響較小。通過配筋驗算，3種方案都是安全的，其中工況3的彎矩最大。

表5 既有支擋和加固支擋最大彎矩與軸力值統(tǒng)計

綜上分析，在保證安全的前提下，考慮到斜撐體系施工風(fēng)險大，從節(jié)省工期、經(jīng)濟(jì)成本的角度，本文推薦采用工況3的加固方案。

3 結(jié)論

通過計算分析，對城市隧道穿越既有擋墻出洞開挖順序及加固支擋結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究，主要得出以下認(rèn)識:

1) 通過對3種隧道出洞開挖順序的單一變量計算分析，給出了偏安全的逆向開挖方案和確保安全前提下節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本的先順后逆的開挖方案，重點分析了隧道穿越既有擋墻出洞開挖順序的改變對擋墻穩(wěn)定性的影響，推薦采用先順后逆隧道出洞方案。

2) 對比分析了3個典型優(yōu)化工況的受力與變形，得出該隧道穿越既有擋墻出洞的加固支擋優(yōu)化方案工況3(在原加固設(shè)計基礎(chǔ)上取消斜撐、外側(cè)地連梁及外排抗滑樁)，不僅減少了成本，還從技術(shù)上保證了施工安全，推薦采用工況3的加固設(shè)計方案。