劉明武

（華南理工大學(xué)，廣東 廣州 510641）

0 引言

隨著城市化建設(shè)的不斷深入，暗挖隧道工程日益增多。在新建隧道的同時(shí)，會(huì)使緊鄰既有隧道結(jié)構(gòu)的圍巖應(yīng)力重分布，導(dǎo)致既有隧道結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移發(fā)生變化[1]，且隨著施工的不斷深入，也會(huì)引起地面的沉降[2]，進(jìn)而影響既有隧道的正常運(yùn)營。因此，在新建隧道時(shí)對(duì)既有隧道結(jié)構(gòu)的保護(hù)也引發(fā)了學(xué)者們、設(shè)計(jì)、建設(shè)單位的重視和思考。

淺埋暗挖法是一種距離地表較近的地下各類型洞室暗挖的施工方法，具有無污染、無噪聲的特點(diǎn)，可控制地表沉降達(dá)到最小值[3]，常見的開挖技術(shù)方法包括全斷面開挖、臺(tái)階開挖等[4]。在面對(duì)不同的地層環(huán)境時(shí)應(yīng)靈活地選擇施工技術(shù)，保障隧道工程安全高效地進(jìn)行施工。本文基于某緊鄰既有隧道的暗挖隧道工程，借助三維有限元軟件對(duì)多斷面暗挖施工過程進(jìn)行模擬，就淺埋暗挖法的相關(guān)施工技術(shù)對(duì)緊鄰既有隧道結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行探討分析，其結(jié)論和經(jīng)驗(yàn)可為類似工程的隧道結(jié)構(gòu)安全保護(hù)提供參考。

1 工程概況

某暗挖隧道渡線區(qū)域位于既有隧道下方，與既有隧道最小豎向凈距約為13.4m。渡線區(qū)域涉及A型、B1型、B2型、B3型、H型、K型等多個(gè)斷面，隧道各斷面施作情況如表1所示。

表1 隧道各斷面施作情況

渡線區(qū)間設(shè)有1#和2#豎井，豎井通過H型橫通道進(jìn)入到左右線暗挖隧道的施作位置。其中，1#豎井尺寸為14.8m×12.8m，深度37.9m，采用鉆孔咬合樁，Φ800素砼鉆孔灌注樁和Φ1000鋼筋砼鉆孔灌注樁間隔650mm布置，設(shè)置6道混凝土支撐，支撐尺寸800mm×1000mm，1#豎井與既有隧道的最小水平凈距約為25.8m，基坑底深于既有隧道底約為27.7m。2#豎井尺寸為10m×6m，采用倒掛井壁法進(jìn)行施工，井壁采用砼+鋼架+錨桿進(jìn)行支護(hù)，厚度約0.5m，中間支撐采用工字鋼，豎向間隔為0.5～0.75m，環(huán)向間隔為1.0m。2#豎井支護(hù)樁與既有隧道的最小水平凈距約為4.7m，基坑底深于既有隧道底約為28.1m。渡線區(qū)暗挖隧道與既有隧道的平面位置如圖1所示。

圖1 渡線區(qū)暗挖隧道與既有隧道的平面位置圖

既有隧道區(qū)域地層主要為填土、中粗砂、可塑殘積土。既有隧道下臥地層主要為可塑殘積土層，暗挖隧道所處地層主要為強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化、微風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。

2 三維有限元數(shù)值模擬分析

2.1 計(jì)算模型

采用MIDAS/GTS有限元軟件建立三維有限元數(shù)值模型，模擬暗挖隧道的施工過程，探究多斷面開挖對(duì)緊鄰既有隧道結(jié)構(gòu)的變形影響，同時(shí)開展水位下降誘發(fā)既有隧道沉降計(jì)算分析。

為消除模型邊界對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，計(jì)算模型尺寸為100m（縱向長度）×80m（水平寬度）×60m（垂向深度），土體采用3D實(shí)體單元模擬，暗挖隧道的襯砌結(jié)構(gòu)、既有隧道的外壁采用2D板殼單元模擬，錨桿、豎井內(nèi)支撐采用1D梁單元模擬，管棚支護(hù)的模擬參照文獻(xiàn)[5]，按照1D梁單元進(jìn)行模擬[5]。計(jì)算模型的上端為自由邊界，底部施加完全約束，各側(cè)面施加對(duì)應(yīng)方向的位移約束。

計(jì)算模型采用的本構(gòu)為摩爾-庫倫本構(gòu)，將各土層簡化為各向同性、均勻且連續(xù)的土層，土層自上而下簡化為填土、可塑殘積土、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖和中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。根據(jù)現(xiàn)場勘察報(bào)告，土層的力學(xué)參數(shù)取值如表2所示。

表2 土層力學(xué)參數(shù)

2.2 模擬結(jié)果及分析

2.2.1 暗挖施工對(duì)既有隧道位移量影響

暗挖隧道施工誘發(fā)緊鄰既有隧道結(jié)構(gòu)的位移量如表4所示，既有隧道結(jié)構(gòu)的最大位移發(fā)展曲線圖如圖2所示，既有隧道結(jié)構(gòu)的縱向沉降曲線如圖3所示。

圖2 暗挖隧道施工過程既有隧道結(jié)構(gòu)的最大位移發(fā)展曲線

圖3 暗挖隧道施工過程既有隧道結(jié)構(gòu)的縱向沉降曲線

施工工況為場地初始地應(yīng)力場分析、1#豎井和2#豎井的開挖、H型斷面開挖、靠近1#豎井的B1和B3型隧道斷面開挖、靠近2#豎井的B2和B3型隧道斷面開挖、B1型斷面開挖、A型斷面開挖、K型斷面開挖，此外還包括超前小導(dǎo)管的施作、臨時(shí)中隔墻的拆除，三維模擬的動(dòng)態(tài)施工過程如表3所示，計(jì)算工況共49個(gè)。

表3 三維動(dòng)態(tài)施工過程

經(jīng)分析可得出以下結(jié)論：

（1）由表4和圖2可知，暗挖隧道施工誘發(fā)緊鄰既有隧道結(jié)構(gòu)的最大水平位移為1.3mm，最大豎向沉降為6.2mm，最大總位移為6.2mm，表明在既有隧道下方進(jìn)行暗挖隧道施工，對(duì)其產(chǎn)生的位移影響主要以豎向位移為主。

表4 暗挖隧道施工誘發(fā)緊鄰既有隧道結(jié)構(gòu)的位移量（單位：mm）

（2）由圖3可知，既有隧道沉降縫最大的差異沉降為0.6mm，發(fā)生在多斷面同步開挖施作時(shí)，施工過程應(yīng)實(shí)時(shí)對(duì)既有隧道結(jié)構(gòu)的沉降進(jìn)行監(jiān)控。

2.2.2 水位下降誘發(fā)既有隧道沉降計(jì)算分析

根據(jù)工程地質(zhì)資料，采用分層總和法計(jì)算分析水位下降幅度對(duì)既有隧道沉降所產(chǎn)生的不利影響，為預(yù)測既有隧道沉降量以及暗挖隧道施工誘發(fā)的水位下降幅度提供依據(jù)。圖4為水位下降誘發(fā)既有隧道結(jié)構(gòu)沉降計(jì)算曲線。分析可得以下結(jié)論：

圖4 水位下降誘發(fā)既有隧道結(jié)構(gòu)沉降計(jì)算曲線

（1）鑒于既有隧道下臥地層主要為可塑殘積土層，存在可壓縮土層，且由于土層厚度和土性存在一定的差異，水位下降將導(dǎo)致既有隧道發(fā)生一定程度的沉降，并誘發(fā)既有隧道縱向產(chǎn)生不均勻沉降差，因此需要嚴(yán)格控制水位下降的幅值。

（2）由圖4可知，當(dāng)?shù)叵滤幌陆?.5m時(shí)，既有隧道的最大沉降為4.8mm，鑒于按大面積水位下降進(jìn)行的隧道沉降計(jì)算結(jié)果對(duì)工程偏于安全，因此，認(rèn)為該范圍內(nèi)地下水水位下降幅度嚴(yán)格控制在2.0m內(nèi)，以確保隧道結(jié)構(gòu)的安全和正常行車。

3 結(jié)束語

本文通過三維有限元模擬暗挖隧道施工過程對(duì)既有隧道結(jié)構(gòu)的影響，并開展水位下降對(duì)既有隧道沉降計(jì)算，得出結(jié)論如下：

（1）在既有隧道下方進(jìn)行暗挖隧道施工，對(duì)其產(chǎn)生的位移影響主要以豎向位移為主。

（2）既有隧道沉降縫的差異沉降在多斷面同步開挖施作時(shí)最大，因此，在施工過程中應(yīng)對(duì)既有隧道結(jié)構(gòu)的沉降進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

（3）當(dāng)既有隧道所處的地層存在可壓縮土層時(shí)，水位下降將導(dǎo)致既有隧道發(fā)生一定程度的沉降，并誘發(fā)既有隧道縱向產(chǎn)生不均勻沉降差，因此需要嚴(yán)格控制水位下降的幅值。