周小杰，蔣 輝，張志強

(西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點實驗室，四川成都 610031)

隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)需求的不斷增加，在修建過程中必然會面臨近接施工，其中在既有線上修建新的建筑是最常遇到的。

目前，張治國等[1]基于開挖應(yīng)力釋放理論推導(dǎo)出基坑開挖與隧道之間相互影響的附加變化規(guī)律。李洋[2]對既有隧道上方挖方對承載拱的破壞作用和填方過程中承載拱的形成和發(fā)展進(jìn)行研究。胡恒[3]等利用有限差分方法模擬了基坑開挖過程中土體應(yīng)力的變化時程曲線，計算分析了不同埋置深度的地鐵結(jié)構(gòu)的受力與變形特性。李進(jìn)軍等[4]考慮鄰近既有建筑的影響對某基坑開挖施工進(jìn)行有限元數(shù)值模擬，對開挖施工對既有建筑產(chǎn)生的附加變形進(jìn)行研究，并與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)對比分析驗證計算結(jié)果的可靠性。盡管如此，但少有學(xué)者對地下通道開挖過程對隧道影響的力學(xué)特性進(jìn)行研究。

為了保證貴陽市軌道交通1號線地下通道開挖施工過程中輕軌1號線區(qū)間隧道的安全，對現(xiàn)場開挖施工過程中區(qū)間隧道的力學(xué)特性研究是相當(dāng)有必要的。

1 工程概況

貴陽市人民大道位于貴陽市中心城區(qū)，呈南北走向，路線工程起點接市北路(黔靈半山北側(cè))(K-l+600)，與市北路形成半互通立交，道路以隧道形式穿越關(guān)刀巖，隧道左幅長為1 171 m，右幅長為1 197 m，之后下穿八鴿巖路，與北京路形成菱形立交，與永樂路、黔靈西路、延安中路、飛山街、中山西路、法院街平交，之后下穿都司路下層道路，以雙層橋形式上跨南明河后，下穿瑞金南路，終點接現(xiàn)狀貴惠路。項目位置見圖1所示。

圖1 現(xiàn)場位置示意

地下通道位于貴陽市云巖區(qū)人民大道與黔靈西路交叉口，該區(qū)域為人員集中區(qū)、交通主干道，人口極為稠密，商業(yè)氛圍極其濃厚；為了解決人行過街需求、保證人行過街安全、滿足配套設(shè)施需要而設(shè)置本地下通道；并預(yù)留接口與遠(yuǎn)期4 m寬的商業(yè)連廊及周邊商業(yè)相接。貴陽市軌道交通一號線北京路站-延安路站下穿本地道；地道建筑面積4 593.02 m,地道凈高4.6 m，共設(shè)置7個出入口，且均為人行步梯結(jié)合自動扶梯的組合形式；其中1#樓梯口凈寬3.9 m，2～7#樓梯口凈寬3.8 m；為避免后期商業(yè)連廊的實施破壞該地下通道，故在1、2樓梯口處預(yù)留接口通道，該通道與地道同步實施。黔靈西路交叉口地道采用筏板基礎(chǔ)，南北向基礎(chǔ)底面與輕軌最小距離3.121 m，東西向基礎(chǔ)底面與輕軌最小距離3.239 m(圖2)。

圖2 黔靈西路交叉口地道平面布置

2 數(shù)值計算

2.1 計算模型

模型的計算范圍為76.4 m×40.24 m×105 m，上部至地表，下部取至隧道仰拱以下21 m，隧道洞徑5.2 m，高度5.7 m。隧道左右有水平約束，下部有垂直約束，前后面均有垂直其面約束，地表為自由邊界。計算中用實體單元模擬圍巖、襯砌、地下通道。計算模型如圖3所示。

圖3 隧道計算模型

2.2 計算參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場專項勘察報告，該區(qū)域其巖土構(gòu)成情況從上往下依次為：①雜填土；②紅黏土；③白云巖。

計算圍巖物理力學(xué)參數(shù)具體見表1。襯砌物理力學(xué)指標(biāo)見表2。

表1 圍巖參數(shù)

表2 襯砌和地下通道物理力學(xué)參數(shù)

2.3 計算結(jié)果分析

當(dāng)隧道上方地下通道完全開挖后，數(shù)值模型如圖4所示。

圖4 軌道交通1號線隧道上方地下通道開挖示意

提取圍巖的最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力得到的示意圖如圖5、圖6所示。

圖5 圍巖最大主應(yīng)力

圖6 隧道圍巖最小主應(yīng)力

提取隧道的最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力得到的示意圖如圖7、圖8，襯砌位移如圖9、圖10所示。

圖7 隧道最大主應(yīng)力

圖8 隧道最小主應(yīng)力

圖9 襯砌豎向位移

圖10 襯砌水平位移

由圖5～圖10可以看出：襯砌結(jié)構(gòu)的最大主應(yīng)力主要集中在左右線的墻腳位置，最大主應(yīng)力為0.66 MPa；最小主應(yīng)力主要集中在左右拱腳區(qū)域，最小主應(yīng)力為-0.72 MPa。

區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)的最大豎向位移為0.86 mm，位置主要在開挖區(qū)域處的拱頂；仰拱的豎向位移為0.6 mm。左線的水平位移最大為0.10 m，在隧道右墻腳的范圍內(nèi)；右線的最大水平位移為0.11 mm，方向向著隧道內(nèi)。

區(qū)間隧道在地下通道開挖，隧道的位移向上，說明卸載對區(qū)間隧道的安全有一定的影響，但影響不大，說明在地下通道施工中，區(qū)間隧道是安全的。

對隧道襯砌結(jié)構(gòu)的彎矩與軸力進(jìn)行提取，并繪制彎矩與軸力示意圖(圖11～圖13)。

圖11 襯砌彎矩(單位：kN·m)

圖12 襯砌軸力(單位：kN)

圖13 安全系數(shù)

從圖11～圖13可以看出隧道襯砌內(nèi)力變化規(guī)律：軸力從拱頂附近向兩側(cè)逐漸增大，且隧道沿軸線方向非對稱，且拱頂和仰拱為壓力。邊墻處出現(xiàn)最大軸力，其值為284 kN。根據(jù)襯砌結(jié)構(gòu)彎矩圖，在拱頂和仰拱范圍內(nèi)，襯砌外側(cè)受拉，其最大值為12.22 kN·m，其他部位為內(nèi)側(cè)受拉，在墻腳附近達(dá)到最大值，為16.82 kN·m。隧道襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)較大，最小值出現(xiàn)在拱腳附近，其值為4.93，大于規(guī)范規(guī)定安全系數(shù)。因此，可以判定：地下通道施工對隧道襯砌結(jié)構(gòu)的施工擾動較小，軌道交通1號線隧道結(jié)構(gòu)安全。

3 結(jié)論

本文采用FLAC軟件對現(xiàn)場的開挖情況進(jìn)行數(shù)值模擬，得出開挖過程中隧道的力學(xué)特性。結(jié)果表明：

(1)開挖過程中區(qū)間隧道的襯砌結(jié)構(gòu)的最大主應(yīng)力主要集中在左右線的墻腳位置，最小主應(yīng)力主要集中在左右拱腳區(qū)域，區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)的最大豎向位移主要在開挖區(qū)域處的拱頂處。

(2)區(qū)間隧道在地下通道開挖，隧道的位移向上，說明卸載對區(qū)間隧道的安全有一定的影響，但影響不大。

(2)通過分析隧道的彎矩與軸力以及相應(yīng)的安全系數(shù)，得出地下通道施工對隧道襯砌結(jié)構(gòu)的施工擾動較小，軌道交通1號線隧道結(jié)構(gòu)安全的結(jié)論。