陳濤
(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司湖北武漢430063)
隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展,軌道交通的建設(shè)進(jìn)入了高速、高質(zhì)量的發(fā)展階段。而在各類城市軌道交通中地鐵交通以其運(yùn)量大、安全環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)備受青睞。而已建地鐵隧道線路交錯(cuò)發(fā)達(dá)以及城市群的高密集度,使得在隧道修建過程中,既有建筑物對(duì)新建隧道的影響不可忽視。因此在空間位置上新建隧道與既有隧道相互疊落的概率逐漸增高,小間距隧道施工受到廣泛關(guān)注。而小間距立體交叉隧道的修建對(duì)周圍土體造成擾動(dòng),引起地表沉降以及對(duì)既有隧道襯砌的影響不可忽視。因此,對(duì)隧道施工進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的重要性不言而喻。
關(guān)于城市地鐵隧道穿越施工對(duì)既有線造成的影響,相關(guān)學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了一些研究。Peck[1]在1969年針對(duì)地表沉降問題,提出了地層損失的概念,并認(rèn)為隧道開挖造成的沉降槽符合高斯分布;Mindlin[2]基于彈性理論,得到了半無(wú)限體空間內(nèi)任一點(diǎn)受力時(shí)產(chǎn)生位移、應(yīng)力的解析解;許有俊[3]等運(yùn)用Mindlin解得到了等效矩形荷載四角點(diǎn)下某點(diǎn)處的應(yīng)力解,同時(shí)運(yùn)用疊加原理推出地層任一點(diǎn)在隧道穿越施工時(shí)豎向應(yīng)力解;Loganathan和 Poulos[4]推出了隧道開挖引起黏土地層地表位移的解析解;Dias和Kastner[5]采用數(shù)值模擬的方法,分析了盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)地層應(yīng)力及位移的變化情況,再對(duì)比監(jiān)測(cè)結(jié)果,使得模型的有效性得以驗(yàn)證;房明[6]等基于廣州地鐵某工程,對(duì)新建隧道下穿既有線的施工過程進(jìn)行模擬,并對(duì)隧道在不同條件下對(duì)既有隧道位移與應(yīng)力的影響進(jìn)行了分析;牛雪凱[7]等對(duì)小間距隧道施工控制問題展開研究并提出了系統(tǒng)可行的方案;王明年[8]等通過模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬等方法對(duì)小間距平行淺埋隧道力學(xué)特性進(jìn)行分析,探討了不同施工方法對(duì)隧道施工的影響;王振田[9]等采用數(shù)值模擬方法,對(duì)成都地鐵5號(hào)線超小凈距隧道地表沉降及土體應(yīng)力狀況進(jìn)行了分析。
本文結(jié)合深圳地鐵8號(hào)線工程,采用層次分析法對(duì)小間距立體交叉隧道施工影響因素進(jìn)行評(píng)價(jià);另外采用兩階段應(yīng)力法,基于Mindlin解求解新建隧道產(chǎn)生的附加應(yīng)力場(chǎng),繼而求得附加應(yīng)力場(chǎng)作用對(duì)既有隧道襯砌的影響。
深圳市地鐵8號(hào)線擬建停車場(chǎng)出入線區(qū)段位于深圳市鹽田區(qū)沙頭角,本文所選斷面為望基湖出場(chǎng)線與鹽深區(qū)間疊落段,如圖1所示。望基湖出場(chǎng)線與鹽深區(qū)間埋深約為25 m。根據(jù)勘察數(shù)據(jù),地表主要為微風(fēng)化凝灰?guī)r(W1),圍巖級(jí)別為Ⅱ級(jí)。
圖1 出場(chǎng)線與鹽深區(qū)間疊落段位置關(guān)系剖面(單位:mm)
在確定評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)選用綜合分析法,先指定最初一級(jí)的評(píng)判指標(biāo),然后對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)一步劃分。針對(duì)小間距立體交叉隧道的自身特點(diǎn),將第一層劃分為3個(gè)方面進(jìn)行研究??紤]新建隧道施工對(duì)既有結(jié)構(gòu)影響,以及施工因素、水文地質(zhì)條件等的影響,確定準(zhǔn)則層。最后將準(zhǔn)則層繼續(xù)細(xì)分,確定具體影響指標(biāo),分別用C1~C9表示,如圖2所示。
圖2 隧道工程施工階段風(fēng)險(xiǎn)多級(jí)層次結(jié)構(gòu)模型
2.2.1 構(gòu)造風(fēng)險(xiǎn)判斷矩陣及計(jì)算權(quán)重并檢驗(yàn)
(1)水文地質(zhì)與工程地質(zhì)條件(B1)
水文地質(zhì)與工程地質(zhì)條件中不良地質(zhì)對(duì)小間距立體交叉隧道施工安全的影響最大,權(quán)重占水文地質(zhì)與工程地質(zhì)條件因素的70.1%;其次為圍巖級(jí)別,占全部因素的19.3%;最后為地下水位,權(quán)重占全部因素的10.6%。
(2)對(duì)既有結(jié)構(gòu)影響(B2)
對(duì)既有結(jié)構(gòu)影響是小間距立體交叉隧道施工風(fēng)險(xiǎn)的致險(xiǎn)因子,主要包括圍巖位移、襯砌應(yīng)力和地表沉降3方面。
施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中,根據(jù)勘察設(shè)計(jì)報(bào)告,結(jié)合特有工作斷面,通過理論分析與實(shí)例統(tǒng)計(jì)研究,得到了如下層次判斷矩陣:
對(duì)既有結(jié)構(gòu)影響各要素中,圍巖位移對(duì)小間距立體交叉隧道施工安全的影響最大,權(quán)重占對(duì)既有結(jié)構(gòu)影響因素的63.5%;其次為襯砌應(yīng)力,占全部因素的28.7%;最后為地表沉降,權(quán)重占全部因素的7.8%。
(3)施工因素(B3)
施工因素是小間距立體交叉隧道施工風(fēng)險(xiǎn)的致險(xiǎn)因子,主要包括開挖支護(hù)方法、地層預(yù)加固法、監(jiān)控量測(cè)3方面。
由于開挖支護(hù)方案與工法不適于隧道施工地質(zhì)情況,人員技術(shù)熟練程度低、欠缺有效的施工組織管理、支護(hù)不及時(shí)和強(qiáng)度不夠等而產(chǎn)生施工事故,這些均是風(fēng)險(xiǎn)事故的致險(xiǎn)因子[10]。施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中,從開挖支護(hù)方法、地層預(yù)加固法、監(jiān)控量測(cè)均從方案、人員、設(shè)備與管理四方面建立層次結(jié)構(gòu)模型,得到如下判斷矩陣:
權(quán)向量ωB3-C=[0.500 0.250 0.250],CI=-4.441×10-16,CR= -7.657 ×10-16<0.1,λmax=3.000,滿足一致性條件。
開挖支護(hù)方法、地層預(yù)加固法和監(jiān)控量測(cè)所占權(quán)重分別為50.0%、25.0%、25.0%。統(tǒng)計(jì)研究表明合理、必要的開挖支護(hù)方案是降低小間距立體交叉隧道施工風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)鍵,所占權(quán)重均在50%以上;地層預(yù)加固法和監(jiān)控量測(cè)也直接影響小間距立體交叉隧道施工的安全性,所占權(quán)重均為25%。
2.2.2 因素總排序與權(quán)值分析
如圖3所示,總排序權(quán)向量ωA1st-C=[0.3650.194 0.069 0.178 0.080 0.022 0.047 0.023 0.023],一致性檢驗(yàn)與權(quán)值分析如前所述,權(quán)值由大到小依次為ωC1>ωC2>ωC4>ωC5>ωC3>ωC7>ωC8=ωC9>ωC6。 不良地質(zhì)、地下水位和圍巖位移對(duì)小間距立體交叉隧道施工風(fēng)險(xiǎn)的影響最大,權(quán)重之和高達(dá)73.6%;圍巖級(jí)別、襯砌應(yīng)力和開挖支護(hù)方法,權(quán)重之和為19.6%;地表沉降、地層預(yù)加固法、監(jiān)控量測(cè),三者之和占權(quán)重6.8%。
圖3 斷面評(píng)估模型因素權(quán)重柱狀圖(C層)
對(duì)疊交穿越問題本文采用兩階段應(yīng)力法分析。先計(jì)算新建隧道施工作用于既有隧道的附加位移場(chǎng)或者自由應(yīng)力場(chǎng);第二階段則把第一階段得到的應(yīng)力場(chǎng)或者位移場(chǎng)施加給既有隧道,采用有限差分、彈性理論法或彈性地基梁模型來(lái)分析既有隧道的內(nèi)力以及縱向變形的變化情況[11]。
由于新建隧道的施工,使既有隧道上部土體卸荷,產(chǎn)生豎向附加應(yīng)力,可將既有隧道等效為施有附加分布荷載的彈性地基無(wú)限長(zhǎng)梁。第二階段基于彈性地基梁模型,將第一階段所得到的土體位移或應(yīng)力作用到彈性地基梁模型,得到如下控制方程:
式中,EI為隧道等效抗彎剛度;W(x)為隧道開挖引起既有線的附加位移;P(x)為隧道開挖引起既有線的附加荷載;D為隧道外徑;k為基床系數(shù);σ為新建隧道開挖作用到既有隧道上的附加位移。
本文采用Mindlin應(yīng)力解求解既有隧道的卸荷附加應(yīng)力。隧道上穿卸載模型如圖4所示,既有地鐵隧道卸荷附加應(yīng)力計(jì)算模型如圖5所示。
圖4 隧道上穿卸載模型
圖5 既有地鐵隧道卸荷附加應(yīng)力計(jì)算模型
新建隧道的卸荷力在既有隧道上的某點(diǎn)(x,0,Z)處(既有地鐵隧道上的點(diǎn)y坐標(biāo)為0)產(chǎn)生的卸荷附加應(yīng)力[12]為:
式中,Γ為積分區(qū)域;R1為卸荷力作用點(diǎn)到影響點(diǎn)的距離;R2為卸荷力作用點(diǎn)關(guān)于ξoη平面內(nèi)的對(duì)稱點(diǎn)與影響點(diǎn)的距離。
各參數(shù)取值根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況、詳勘資料、相關(guān)規(guī)范等確定。綜上,以上情況下所取參數(shù)分別為ξ=19.2 m,η=6.4 m,μ=0.17,Z1=118.421 m,h1=109.404 m,p=26.8 kN·m3,既有隧道直徑D=6.4 m,基床系數(shù)k=5×104kN/m3,E=3.45×107kPa,I=82.355 m4。由MATLAB求解結(jié)果繪制卸荷附加應(yīng)力與其到既有隧道中心距離關(guān)系曲線,見圖6。
圖6 斷面卸荷附加應(yīng)力與其到既有隧道中心距離關(guān)系曲線
由圖6可知,新建隧道的修建導(dǎo)致既有隧道附近產(chǎn)生的附加應(yīng)力整體大致呈高斯分布,至距離疊落點(diǎn)大約兩倍洞距時(shí),遞減速率放緩,逐漸趨于零。因此新建隧道對(duì)既有隧道的卸荷作用影響主要集中于交叉疊落點(diǎn)正下方兩倍洞距的既有隧道區(qū)域。
隧道模型空間位置如圖7所示,出場(chǎng)線與鹽深區(qū)間左線的疊落段最小凈距為3 m。隧道一次開挖進(jìn)尺默認(rèn)為4 m,且均為上下臺(tái)階法開挖。從上往下巖層劃分為素填土、強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r、中風(fēng)化凝灰?guī)r、微風(fēng)化凝灰?guī)r。模型底部為固定邊界,四周為滑動(dòng)邊界,頂部為自由邊界。
圖7 隧道線路空間位置關(guān)系
將通過Midas GTS建模分析得到的結(jié)果與兩階段應(yīng)力法求得的既有隧道位移進(jìn)行對(duì)比,如圖8所示。
圖8 理論計(jì)算值與模型計(jì)算值對(duì)比曲線
模型的沉降變形云圖見圖9。由圖9可知,出場(chǎng)線隧道在交叉段施工對(duì)既有隧道的沉降影響有限,最大沉降量為2.73 mm,位于出場(chǎng)線的拱頂;最大隆起位置位于鹽深區(qū)間的拱底,為1.93 mm。最大沉降和隆起位置相距較近,均位于距離上下交叉段約11 m處。
圖9 模型沉降變形云圖
本文運(yùn)用層次分析法對(duì)小間距隧道施工中新建隧道上穿對(duì)既有隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià),得出小間距立體交叉隧道施工風(fēng)險(xiǎn)最大影響因素為不良地質(zhì)、地下水位和圍巖位移。通過兩階段位移法及數(shù)值模擬,求取新建隧道誘導(dǎo)既有隧道產(chǎn)生的位移,并進(jìn)行對(duì)比分析,得到以下結(jié)論:
(1)通過層次分析法分析,得出不良地質(zhì)、地下水位和圍巖位移對(duì)小間距立體交叉隧道施工風(fēng)險(xiǎn)影響最大的結(jié)論,權(quán)重之和高達(dá)73.6%。
(2)當(dāng)新建隧道穿越后,既有隧道卸荷附加應(yīng)力沿隧道縱向服從高斯分布,由兩隧道疊交點(diǎn)向既有隧道兩側(cè)衰減,超過兩倍洞距范圍后衰減速度變緩,大約40 m處之后趨于穩(wěn)定。因此新建隧道對(duì)既有隧道的卸荷作用影響主要集中于交叉疊落點(diǎn)正下方兩倍洞距的既有隧道區(qū)域。
(3)計(jì)算結(jié)果表明,新建隧道在交叉段施工引起既有隧道沉降最大值為2.73 mm,位于既有隧道的拱頂位置;隆起最大值為1.93 mm,位于既有隧道的拱底。最大沉降和隆起位置相距較近,均位于距離上下交叉段約11 m處。