張 琳,邱 瓊,薛子斌,楊馨茹,4,于廣明

(1.青島理工大學(xué) 青島市 266520； 2.中建隧道建設(shè)有限公司 重慶市 401320；3.中建五局土木工程有限公司 長沙市 410000； 4.中天設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司長春分公司 長春市 130012)

0 引言

地鐵隧道修建會受到既有地鐵隧道空間布局與線路布置的限制，新建隧道穿越既有隧道，影響既有隧道結(jié)構(gòu)安全。針對新建隧道穿越既有隧道結(jié)構(gòu)問題，劉亮等[1]運(yùn)用Midas GTS有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，分析新建隧道上穿施工對既有隧道變形的影響，得出既有隧道結(jié)構(gòu)上浮值隨新舊隧道間凈距的減小而增大；許有俊等[2]運(yùn)用FLAC3D軟件建立數(shù)值模型，分析了新建地鐵車站上穿引起的既有隧道上浮變形規(guī)律；高利宏[3]通過實(shí)測數(shù)據(jù)及數(shù)值模型計(jì)算，對雙線盾構(gòu)隧道下穿引起的既有隧道結(jié)構(gòu)沉降變形進(jìn)行研究，分別對新建左、右線依次穿越過程中引起的既有雙線隧道沉降變形規(guī)律進(jìn)行分析；王超東等[4]通過室內(nèi)模型試驗(yàn)研究了新建盾構(gòu)隧道不同交角上穿施工對既有隧道的影響，得出交角從0°～90°變化時，既有隧道整體主要受縱向變形協(xié)調(diào)性的影響；此外，針對新建隧道穿越施工對既有隧道結(jié)構(gòu)的影響問題，眾多學(xué)者[5-7]采用數(shù)值模擬、模型實(shí)驗(yàn)、現(xiàn)場監(jiān)測等方法對既有隧道結(jié)構(gòu)的位移及內(nèi)力變化進(jìn)行研究。

運(yùn)用Midas GTS軟件建立三維數(shù)值模型，探究新建隧道正交上穿施工引起的既有隧道結(jié)構(gòu)上浮變形規(guī)律，并找到既有隧道受影響最大位置采取防護(hù)措施，保證施工安全。

1 工程實(shí)例概況

本工程新建隧道上穿既有隧道區(qū)間段巖土類型從上至下依次為雜填土、粉質(zhì)黏土和中細(xì)砂。該新建隧道為雙線隧道，采用盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)施工，隧道斷面為單心圓斷面，左右線凈距為12.0m，內(nèi)徑5.2m，外徑5.9m，拱頂埋深為13.5m，既有隧道為單線隧道，內(nèi)徑5.9m，外徑6.6m，拱頂埋深為25m，兩隧道均采用鋼筋混凝土襯砌，管片厚度0.35m，環(huán)寬1.5m，且新建隧道正交于既有隧道。

2 新建隧道施工對既有隧道結(jié)構(gòu)上浮影響分析

整個新建隧道施工的過程，對既有隧道結(jié)構(gòu)相當(dāng)于卸荷后再加載的過程。在新建隧道開挖前，既有隧道處于平衡狀態(tài)且結(jié)構(gòu)變形已經(jīng)穩(wěn)定，而新建隧道開挖會對隧道周圍巖土層產(chǎn)生擾動作用，使圍巖中既有隧道的平衡狀態(tài)被打破，產(chǎn)生附加力并引起變形。由于新建隧道位于既有隧道上方，新建隧道開挖后，既有隧道結(jié)構(gòu)上層土體荷載轉(zhuǎn)移，形成開挖卸荷區(qū)，產(chǎn)生向上的附加荷載力，使既有隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生上浮現(xiàn)象，見圖1；同時，新建隧道開挖時間與開挖長度影響既有隧道變形，隧道開挖時間越長、開挖長度越大，既有隧道產(chǎn)生的豎向隆起變形越大。

圖1中L表示兩隧道間距；D表示隧道直徑。

新建隧道施工前，既有隧道水平方向(側(cè)向)土壓力與豎直方向土壓力間的關(guān)系如式(1)[8]所示：

Fx=K0Fy

(1)

式中：Fx為側(cè)向土壓力；Fy為豎向土壓力；K0為土的側(cè)壓力系數(shù)。

3 新建隧道上穿施工引起既有隧道上浮的數(shù)值模擬

3.1 三維數(shù)值模型的建立

針對新建隧道上穿施工引起既有隧道上浮問題，采用Midas GTS NX軟件進(jìn)行數(shù)值模擬分析，并假定地層為半無限空間體；巖土體為均質(zhì)、各向同性的連續(xù)介質(zhì)，地表不存在高程變化；只考慮自重應(yīng)力場。故基于假定建立模型時，巖土體采用莫爾-庫倫彈塑性本構(gòu)，管片采用實(shí)體彈性本構(gòu)，模型尺寸為50m×60m×40m，隧道位置三維模型如圖2。同時，為保證計(jì)算結(jié)果收斂，在模型底面施加固定端約束，四周施加法向約束，上表面為自由面。

圖2 隧道位置三維模型圖

3.2 物理力學(xué)參數(shù)選取

新建隧道和既有隧道主體分別位于粉質(zhì)黏土和中細(xì)砂中，模型土體及管片的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 土體及管片的物理力學(xué)參數(shù)表

3.3 工況界定

新建隧道左線為先行隧道，右線為后行隧道，盾構(gòu)機(jī)以管片寬度1.5m為一個進(jìn)尺掘進(jìn)，為簡化計(jì)算步驟，以左線隧道掘進(jìn)為例界定具體工況。工況1：初始地應(yīng)力計(jì)算，并位移清零，模擬地層的初始應(yīng)力場；工況2：鈍化既有隧道土體，激活相應(yīng)支護(hù)結(jié)構(gòu)，并位移清零，模擬既有隧道的應(yīng)力分布；工況3～工況6：定義隧道一次開挖6m，鈍化開挖區(qū)土體，激活支護(hù)結(jié)構(gòu)；工況7～工況10：定義隧道一次開挖3m，鈍化開挖區(qū)土體，激活支護(hù)結(jié)構(gòu)；工況11～工況14的施工步驟同工況3～工況6。

新建隧道右線施工工況15～工況26同左線隧道工況界定相同。

4 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果分析

新建隧道與既有隧道正交重疊部分為兩隧道正交區(qū)域，由于新建隧道上穿施工對既有隧道存在時空效應(yīng)，故將新建隧道施工分為盾構(gòu)機(jī)機(jī)頭未到達(dá)正交區(qū)域、盾構(gòu)機(jī)穿越正交區(qū)域、盾構(gòu)機(jī)盾尾穿過正交區(qū)域三個階段，并分析既有隧道結(jié)構(gòu)的位移變化規(guī)律。

4.1 既有隧道結(jié)構(gòu)豎向變形分析

圖3為新建隧道左線施工既有隧道拱頂豎向位移變化曲線圖，由圖3(a)可知，左線隧道開挖至6m時(工況3)，既有隧道拱頂沉降，但由于土體開挖量小，卸載率低，產(chǎn)生的沉降較??；當(dāng)盾構(gòu)機(jī)機(jī)頭距離正交區(qū)域6m時(工況5)，拱頂開始由沉降變?yōu)槁∑?，但隆起量較小；當(dāng)左線隧道開挖至正交區(qū)域交界面時，隆起量突然變大，且在盾構(gòu)機(jī)穿越正交區(qū)域時(工況8、工況9)，隆起量逐步增大；隨著隧道施工的繼續(xù)進(jìn)行，既有隧道拱頂隆起量增大，并達(dá)到5.89mm，這是由于隧道開挖卸載和盾尾遠(yuǎn)離的二次卸載使既有隧道回彈變形造成的。由圖3(b)可知，右線隧道開挖，既有隧道拱頂隆起曲線為“雙峰”形態(tài)，隨右線隧道施工的進(jìn)行，既有隧道拱頂隆起不斷增加，在與新建隧道正交位置產(chǎn)生的隆起值最大，為7.68mm。

圖3 既有隧道拱頂豎向位移曲線圖

4.2 既有隧道結(jié)構(gòu)縱向變形分析

新建隧道施工引起的既有隧道拱頂縱向變形曲線如圖4所示。

圖4 既有隧道拱頂縱向位移曲線圖

(1)左線開挖引起的既有隧道拱頂縱向變形

由圖4(a)可知，盾構(gòu)機(jī)未到達(dá)正交區(qū)域時(工況3、工況5)，既有隧道拱頂幾乎不產(chǎn)生縱向變形；當(dāng)盾構(gòu)機(jī)穿越正交區(qū)域與盾尾駛出正交區(qū)域時，兩階段各工況既有隧道拱頂縱向位移變化規(guī)律相同，均在盾構(gòu)機(jī)未到達(dá)正交區(qū)域施工時，拱頂縱向位移沿X軸負(fù)方向變形，且最大變形在與新建左線隧道正交位置，為0.07mm；在兩隧道穿越正交區(qū)域與盾尾駛出正交區(qū)域時，拱頂縱向位移在左線隧道與既有隧道交界面位置迅速增大，沿X軸正向變形，并在既有隧道長度方向中間位置達(dá)到最大，為0.54mm。通過分析不同工況拱頂縱向位移曲線：既有隧道拱頂縱向位移隨開挖深度的增加而增大，且縱向位移峰值均在既有隧道中間位置，說明該位置受新建隧道施工影響最大，應(yīng)采取防護(hù)措施。

(2)右線開挖引起的既有隧道拱頂縱向變形

由圖4(b)可以看出，新建隧道右線施工，各工況引起的拱頂縱向位移曲線變化形式相同。在盾構(gòu)機(jī)未到達(dá)正交區(qū)域時，拱頂縱向位移峰值在既有隧道中間位置，但隨著盾構(gòu)機(jī)穿越與盾尾駛出正交區(qū)域兩個階段施工的進(jìn)行，既有隧道拱頂縱向位移峰值有所降低，并出現(xiàn)在與右線隧道相交位置，說明隨新建隧道施工的進(jìn)行，既有隧道的縱向位移影響區(qū)域變大。

4.3 既有隧道結(jié)構(gòu)的橫向變形分析

既有隧道結(jié)構(gòu)的橫向變形是指沿既有隧道橫斷面方向的變形，選取拱腰為特征點(diǎn)，拱腰橫向變形曲線如圖5所示。由圖5可知，新建隧道工況2～工況6施工，既有隧道結(jié)構(gòu)位移峰值呈線性增加，且位移增量較大；當(dāng)左線隧道穿過既有隧道至左線隧道施工完成，既有隧道的橫向變形峰值緩慢減小并趨于平穩(wěn)；而右線隧道開挖的繼續(xù)進(jìn)行，使既有隧道結(jié)構(gòu)位移峰值增加，在工況26下達(dá)到最大值5.2mm。

圖5 既有隧道結(jié)構(gòu)橫向變形曲線圖

5 結(jié)論

采用定性分析和數(shù)值模擬方法分析新建隧道上穿施工引起既有隧道結(jié)構(gòu)上浮問題，得出以下結(jié)論：

(1)新建隧道上跨既有隧道施工，既有隧道結(jié)構(gòu)豎向變形以隆起為主，新建隧道與既有隧道相交斷面位置處的隆起變形量最大；既有隧道結(jié)構(gòu)的縱向變形主要發(fā)生在拱頂位置，表現(xiàn)為沿隧道長度方向拉伸變形，并隨開挖深度的增加而增大，甚至可能被拉壞；橫斷面變形表現(xiàn)為“橫向壓縮、豎向拉伸”，隧道結(jié)構(gòu)整體上浮。

(2)新建隧道正交上穿既有隧道結(jié)構(gòu)，既有隧道中間位置拱頂處受影響最大，應(yīng)加強(qiáng)該位置的防護(hù)與監(jiān)測。