趙 陽 張慶蕓 張 迪 郭小青 王少鋒

(1.江蘇省交通工程建設(shè)局, 210001, 南京; 2.中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司, 430063, 武漢; 3.上海同巖土木工程科技股份有限公司, 200092, 上海; 4.上海地下基礎(chǔ)設(shè)施安全檢測與養(yǎng)護裝備 工程技術(shù)研究中心, 200092, 上海∥第一作者, 正高級工程師)

城市軌道交通隧道工程受限于線位選擇,常常以雙孔、多孔平行或上下疊穿的形式出現(xiàn)。新建隧道近接施工會對周圍土體產(chǎn)生擾動,引起地層發(fā)生位移及應(yīng)力重分布,為既有隧道帶來一定的安全風險。為了合理控制新建隧道近接施工對既有隧道的影響,有必要對隧道近接施工影響進行研究。

目前,已有不少學者圍繞隧道平行近接施工對既有隧道的影響進行了研究。文獻[1]采用FLAC3D軟件研究武漢地鐵平行側(cè)穿區(qū)間隧道工程,研究結(jié)果表明既有隧道兩側(cè)水平變形呈現(xiàn)向新建隧道內(nèi)凸的趨勢。文獻[2]采用FLAC3D軟件和現(xiàn)場試驗的方法,獲得了由盾構(gòu)施工引起的既有平行隧道附加內(nèi)力及變形變化規(guī)律。文獻[3]采用Plaxis軟件研究了軟土中不同隧道凈距與角度工況下,盾構(gòu)施工對既有地鐵隧道變形和襯砌內(nèi)力的影響規(guī)律,獲得了軟土地區(qū)近接分區(qū)影響范圍。文獻[4]采用模型試驗和數(shù)值計算方法,研究分析了不同凈距條件下,右線隧道開挖對左線隧道襯砌位移變化、襯砌內(nèi)力變化的影響。文獻[5]采用理論公式和Abaqus軟件數(shù)值模擬的方法,研究了盾構(gòu)施工引起的既有平行隧道的附加位移。文獻[6]通過現(xiàn)場監(jiān)測的方法,分析了蘇州軌道交通4號線區(qū)間雙線盾構(gòu)隧道中,后行隧道施工引起先行隧道附加應(yīng)力場的變化規(guī)律。文獻[7]采用有限元剛度遷移法及現(xiàn)場實測數(shù)據(jù),研究了地鐵區(qū)間雙線隧道后行隧道施工過程對先行平行隧道的影響,發(fā)現(xiàn)已建隧道的位移及內(nèi)力都有較大程度的降低。文獻[8]采用FLAC3D軟件研究了盾構(gòu)施工對既有平行隧道結(jié)構(gòu)安全性的影響,并給出了近接影響分區(qū)。

綜上可知,目前對于平行盾構(gòu)隧道近接施工的研究主要集中于地鐵隧道等小直徑隧道,而對于大直徑水下盾構(gòu)隧道的研究較少,且缺少對于不同施工凈距影響規(guī)律的研究。海太長江隧道工程采用公鐵分建方式,后建鐵路隧道平行近接施工會引起先建公路隧道周圍土體的擾動,進而對先建隧道的應(yīng)力和變形帶來影響。鑒于此,本文依托海太長江隧道工程,通過建立三維地層-結(jié)構(gòu)模型和三維精細化荷載-結(jié)構(gòu)模型,研究不同施工凈距下,后建鐵路隧道施工過程對先建公路隧道的應(yīng)力和變形影響規(guī)律。本文研究可為確定海太長江鐵路隧道合理施工間距提供指導(dǎo)。

1 工程概況與分析方法

1.1 工程概況

海太長江隧道段全長11.185 km,采用盾構(gòu)方案穿越長江,盾構(gòu)隧道全長9.315 km,為雙管六車道,隧道襯砌環(huán)外徑為16.0 m,厚度為0.7 m,環(huán)寬為2.0 m,是目前穿越長江直徑最大、距離最長的過江交通隧道。隧道穿越地質(zhì)條件復(fù)雜,沿線穿越不均勻地層,主要為粉細砂、粉土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土等。公路隧道縱斷面地質(zhì)剖面圖如圖1所示。海太過江公路隧道下游側(cè)為后期建設(shè)的如通蘇湖城際鐵路隧道,鐵路隧道與公路隧道基本平行,二者的平面位置關(guān)系示意圖如圖2所示。后建鐵路隧道為單洞隧道,隧道采用C60預(yù)制鋼筋混凝土管片,襯砌環(huán)外徑為14.5 m,厚度為0.6 m,環(huán)寬為2.0 m。

圖1 公路隧道縱斷面地質(zhì)剖面圖

1.2 分析方法

通過建立三維地層-結(jié)構(gòu)模型,分析后建鐵路隧道施工對公路隧道的受力變形特性影響。由于考慮管片分塊拼裝會顯著增大模型的計算量,因此管片采用均質(zhì)圓環(huán)等效模擬。針對收斂變形最大的隧道斷面,建立考慮管片分塊拼裝的10環(huán)精細化荷載-結(jié)構(gòu)模型,分析隧道結(jié)構(gòu)的橫向力學特性。

1.2.1 縱向分析模型

考慮到數(shù)值模型的邊界效應(yīng),模型邊界x向距隧道不小于3D(D為公路隧道外徑),y向距隧道不小于2D,z向總長度不小于6D,模型尺寸(x×y×z)為195 m×87 m×96 m。計算模型示意圖如圖3所示。

圖3 計算模型示意圖

隧道管片均采用塑性損傷本構(gòu)模型(模型參數(shù):膨脹角為30°,流動勢偏移量為0.1,雙軸受壓與單軸受壓極限強度比為1.16,不變量應(yīng)力比為0.667,黏滯系數(shù)為0.000 5)模擬,土體采用摩爾-庫倫模型模擬;鋼筋和螺栓采用梁單元模擬,為理想彈塑性材料。管片與土體之間、管片環(huán)間均采用摩擦接觸,摩擦因數(shù)取0.3,鋼筋與螺栓嵌入管片混凝土?？谧蛹c管片之間采用綁定約束;口子件橫向之間采用綁定進行約束,環(huán)間設(shè)置摩擦接觸,摩擦因數(shù)取0.3。模型四周約束水平向位移,底部約束豎向位移,頂面為自由面。

通過進行均質(zhì)圓環(huán)及分塊管片單環(huán)模型試算,確定公路隧道均質(zhì)圓環(huán)的管片彈性模量折減系數(shù)取為0.85。土層物理力學參數(shù)及隧道材料參數(shù)如表1和表2所示。

表1 土層物理力學參數(shù)

表2 隧道材料參數(shù)

1.2.2 橫向分析模型

公路隧道管片采用“9+1”分塊方式,橫向分析模型示意圖如圖4所示。管片及內(nèi)部結(jié)構(gòu)采用塑性損傷本構(gòu)模型模擬,土體采用摩爾-庫倫模型模擬;鋼筋和螺栓采用梁單元模擬。管片分塊之間、環(huán)間均采用摩擦接觸,鋼筋、螺栓嵌入管片混凝土中。管片外側(cè)分別與法向、切向接地彈簧相連接,根據(jù)地勘報告計算可得,徑向彈簧系數(shù)為1.36×107N/m、切向彈簧系數(shù)為1.36×106N/m。管片兩端面約束沿隧道軸向方向位移。將地層-結(jié)構(gòu)模型中的最大收斂變形施加于荷載結(jié)構(gòu)模型上,能夠獲得隧道結(jié)構(gòu)橫向力學響應(yīng)。

圖4 公路隧道橫向分析模型示意圖

1.3 計算工況

計算工況如表3所示。

表3 計算工況

1.4 盾構(gòu)施工過程模擬

后建鐵路隧道每次推進距離為管片環(huán)寬2 m。鐵路隧道施工過程模擬流程為:①通過“生死單元”功能實現(xiàn)隧道、管片襯砌和注漿部位土體的開挖,同時在前方開挖面上施加均布土艙壓力;②在盾尾生成管片單元,并施加徑向均布注漿壓力,盾構(gòu)機每推進一環(huán),將盾尾后一環(huán)材料改設(shè)為硬化后的注漿材料。根據(jù)新建盾構(gòu)隧道上覆土層地質(zhì)條件和朗肯土壓力理論,盾構(gòu)隧道中軸線處的側(cè)向靜止土壓力為0.79 MPa,浮動壓力取為0.02 MPa,則模型中土艙壓力取為0.81 MPa,注漿壓力取為0.20 MPa。

2 先建公路隧道結(jié)構(gòu)的力學響應(yīng)分析

首先,對施工凈距為48 m(3D)時的公路隧道力學響應(yīng)特點進行分析。

2.1 管片變形

鐵路隧道開挖前后,先建公路隧道的管片橫斷面變形示意圖如圖5所示。由圖5可知:①鐵路隧道開挖前,先建公路隧道由于自身開挖引起的拱頂沉降約為8.7 mm,拱底上浮約為19.7 mm,豎向收斂變形約為28.4 mm;鐵路隧道開挖后,公路隧道拱頂沉降變?yōu)?.0 mm,拱底上浮約為19.6 mm,豎向收斂變形約為27.6 mm。由此可知,鐵路隧道的開挖對先建公路隧道的豎向收斂變形影響較小,公路隧道的拱頂沉降和拱底上浮程度略有減小。②鐵路隧道開挖前,先建公路隧道開挖完成時的最大水平位移約為11.8 mm,水平收斂變形約為23.4 mm;鐵路隧道開挖后,公路隧道左拱腰(遠離鐵路隧道側(cè))的水平位移相比鐵路隧道開挖前有了明顯的增加(約為13.5 mm),而右拱腰(靠近鐵路隧道側(cè))的水平位移則顯著減小(約為9.0 mm),水平收斂變形減小為22.5 mm。由此可知,鐵路隧道的開挖對先建公路隧道的水平變形影響較為明顯,先建公路隧道朝著背離鐵路隧道的方向發(fā)生剛體位移。

單位:mm

由于數(shù)值模擬未考慮盾構(gòu)施工過程中地層損失的影響,因此,鐵路隧道施工對公路隧道的影響主要表現(xiàn)為側(cè)向擠壓作用,使得先建隧道原來的“橫鴨蛋”變形有一定程度的減小。

2.2 管片應(yīng)力

鐵路隧道開挖前后,公路隧道管片的最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力分布云圖如圖6所示。由圖6可知:①鐵路隧道開挖前,公路隧道開挖完成時的管片最大主應(yīng)力約為1.91 MPa,位于拱底內(nèi)側(cè);公路隧道管片最小主應(yīng)力約為12.70 MPa,位于拱腰內(nèi)側(cè)。②鐵路隧道開挖完成后,公路隧道管片最大主應(yīng)力約為1.84 MPa,位于拱底內(nèi)側(cè);公路隧道管片最小主應(yīng)力約為12.20 MPa,位于拱腰內(nèi)側(cè)。在鐵路隧道開挖后,公路隧道管片的最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力均有所減小,這是由于鐵路隧道結(jié)構(gòu)變形對公路隧道產(chǎn)生的側(cè)向擠壓作用造成的。

a) 鐵路隧道開挖前的最大主應(yīng)力

2.3 環(huán)向鋼筋應(yīng)力

鐵路隧道開挖前,公路隧道開挖完成時的管片鋼筋最大主應(yīng)力約為18.00 MPa,位于拱底位置。

鐵路隧道開挖完成后,先建公路隧道管片鋼筋最大主應(yīng)力變?yōu)?7.30 MPa,數(shù)值略有減小。管片鋼筋應(yīng)力水平較低,未發(fā)生屈服現(xiàn)象。

2.4 管片連接螺栓應(yīng)力

鐵路隧道開挖前,公路隧道開挖完成時的縱向螺栓最大主應(yīng)力約為38.40 MPa。鐵路隧道開挖后,先建公路隧道的管片縱向螺栓最大主應(yīng)力變?yōu)?7.80 MPa,數(shù)值略有減小。公路隧道縱向螺栓應(yīng)力處于彈性狀態(tài)。鐵路隧道開挖前后,公路隧道環(huán)向螺栓最大主應(yīng)力均約為55.60 MPa,無明顯變化。公路隧道環(huán)向螺栓應(yīng)力處于彈性狀態(tài)。

3 不同施工凈距對公路隧道影響的對比分析

不同施工凈距下,鐵路隧道開挖對先建公路隧道變形的影響如表4所示。由表4可知:不同施工凈距下,鐵路隧道開挖對公路隧道的變形影響規(guī)律基本一致,均表現(xiàn)為相對于鐵路隧道開挖前拱頂沉降、右拱腰位移減小、豎向收斂和水平收斂變形減小及左拱腰位移增加,公路隧道往背離后建隧道方向發(fā)生水平剛體位移;隨著施工凈距的增加,鐵路隧道開挖后,公路隧道變形變化幅值基本呈減小的趨勢。

表4 不同施工凈距下鐵路隧道開挖對公路隧道變形影響

不同施工凈距下,鐵路隧道開挖對公路隧道應(yīng)力的影響如表5所示。由表5可知:不同施工凈距下,鐵路隧道開挖對公路隧道的應(yīng)力影響規(guī)律基本一致,相對于鐵路開挖前,公路隧道的管片應(yīng)力、鋼筋應(yīng)力及螺栓應(yīng)力均有所減小,這是由于后建鐵路隧道結(jié)構(gòu)變形對側(cè)向土體產(chǎn)生擠壓作用引起的;隨著施工凈距的增大,公路隧道的管片應(yīng)力、鋼筋應(yīng)力及螺栓應(yīng)力的減小幅度呈減小趨勢。

表5 不同施工凈距下鐵路隧道開挖對公路隧道應(yīng)力影響

4 結(jié)論

1) 鐵路隧道開挖對先建公路隧道的應(yīng)力和變形均產(chǎn)生了一定程度的影響?？傮w而言,鐵路隧道開挖對公路隧道的水平變形影響較豎向變形更為明顯。鐵路隧道開挖后,公路隧道的拱頂沉降、豎向收斂及水平收斂變形均有所減小,隧道整體發(fā)生背離后建隧道的剛體位移。公路隧道管片應(yīng)力、鋼筋應(yīng)力及螺栓應(yīng)力均有所減小,后建鐵路隧道施工對先建公路隧道產(chǎn)生了側(cè)向擠壓的作用。

2) 不同施工凈距下,鐵路隧道施工對先建公路隧道的受力變形性能的影響規(guī)律基本一致。隨著施工凈距的增大,鐵路隧道開挖對公路隧道的影響程度逐漸減小,公路隧道變形及應(yīng)力變化幅值基本呈減小的趨勢。

3) 本文模擬的工況為假定地層損失率為0的理想情況,實際施工過程中,需要考慮盾尾空隙、施工時效等因素造成的地層損失,后續(xù)研究應(yīng)增加考慮鐵路隧道施工過程中地層損失對公路隧道的影響分析。