城市淺埋小凈距隧道合理凈距研究

唐啟童， 胡運(yùn)春， 陳文宇， 晏啟祥

(1. 西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川成都 610031； 2. 中鐵隆工程集團(tuán)有限公司， 四川成都 610045)

小凈距隧道是指兩隧道之間夾巖的最小寬度小于分離式隧道最小凈距值，該最小凈距與圍巖等級(jí)有關(guān)[1]。與分離式隧道不同，小凈距隧道中某一洞室的開(kāi)挖都將改變另一洞室附近的應(yīng)力場(chǎng)，即雙洞施工存在相互影響[2]。在一般情況下，這種影響處于都較低水平，只有當(dāng)凈距小于某特定值后，這種影響才會(huì)迅速增大，使圍巖的穩(wěn)定性大幅降低，給施工過(guò)程帶來(lái)巨大風(fēng)險(xiǎn)，通常將該特定值稱(chēng)為合理凈距。

圍繞小凈距隧道的合理凈距已有不少的研究成果[3-6]，但這些研究都是將開(kāi)挖后的支護(hù)效應(yīng)考慮在內(nèi)，使開(kāi)挖后的圍巖應(yīng)力僅部分釋放，雙洞開(kāi)挖的相互影響無(wú)法達(dá)到最大，使得到合理凈距欠缺一定的安全性。本文將以濟(jì)南市玉函路城市小凈距隧道為研究背景，建立三維有限元數(shù)值模型，僅考慮隧道開(kāi)挖效應(yīng)，對(duì)成洞后的地層應(yīng)力、位移結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，提出該城市淺埋小凈距隧道合理凈距的取值方案，為類(lèi)似小凈距隧道的設(shè)計(jì)施工提供參考依據(jù)。

1 工程概況

濟(jì)南市玉函路隧道工程北起順河高架路南端南至英雄山路高架路北端，全長(zhǎng)3.26km，是濟(jì)南市快速路網(wǎng)規(guī)劃系統(tǒng)的重要組成部分。該隧道分為明挖段和暗挖段，暗挖段貫穿城市繁華地區(qū)，采用小凈距雙隧道設(shè)計(jì)，兩隧道間距3～5m，埋深8～11m，為五心圓斷面，是淺埋小凈距隧道。地層屬Ⅴ級(jí)圍巖，從上至下依次為填土、坡洪積成因的濕陷性黃土、黏性土及碎石，下伏奧陶系石灰?guī)r，地質(zhì)條件較差。地下水類(lèi)型有第四系松散巖類(lèi)孔隙水、灰?guī)r巖溶裂隙水，但水位較低，均處于結(jié)構(gòu)下方。本文將基于該城市小凈距工程，通過(guò)研究不同凈距下開(kāi)挖形成毛洞后引起的地表沉降、洞周水平位移及Mises等效應(yīng)力的變化規(guī)律，提出合理凈距的取值方案。

2 數(shù)值模型

2.1 模型尺寸

玉函路小凈距隧道斷面形式為五心圓，最大跨度B為9.732m，高度H為8.21m，埋深為10m。為減小邊界效應(yīng)的影響，隧道外輪廓與模型左、右、下邊界的凈距均取為3B(即30m)，整體模型總寬度將隨隧道間凈距不同而發(fā)生變化，模型高度為48.21m，長(zhǎng)度為40m，橫截面尺寸見(jiàn)圖1。

圖1 模型橫斷面尺寸(單位:m)

2.2 參數(shù)選取及邊界條件

圍巖設(shè)置為單一圍巖，采用D-P塑性本構(gòu)，用三維實(shí)體單元模擬，圍巖相關(guān)參數(shù)的取值見(jiàn)表1。由于本文僅對(duì)隧洞開(kāi)挖后圍巖的二次應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行分析，因此未考慮支護(hù)結(jié)構(gòu)的作用。模型的整體網(wǎng)格如圖2所示。模型上邊界設(shè)置為自由邊界，其余邊界分別約束其法向位移。

表1 模型材料參數(shù)

2.3 施工過(guò)程模擬

施工方法采用臺(tái)階法，上臺(tái)階高度為2m。利用單元的鈍化功能，模擬掌子面前方土體的開(kāi)挖，每次開(kāi)挖進(jìn)尺為2m，每個(gè)隧道共分成20個(gè)施工進(jìn)尺。該模型中右洞先行開(kāi)挖，而左洞掌子面落后右洞6m(即三個(gè)進(jìn)尺長(zhǎng)度)距離(圖3)。

圖3 掌子面范圍內(nèi)土體開(kāi)挖示意

2.4 模型工況

考慮最大跨度B與隧道凈距的關(guān)系，本模型中隧道凈距共選取了5種工況：0.2B、0.4B、0.6B、0.8B和1.2B，并添加僅單洞開(kāi)挖的工況。通過(guò)將五種小凈距工況和單洞開(kāi)挖的工況進(jìn)行綜合對(duì)比分析，保證提出凈距方案的合理性。

2.5 監(jiān)測(cè)斷面及洞周測(cè)點(diǎn)布置

考慮到邊界效應(yīng)的存在，選取模型隧道段1/2位置處的橫斷面作為監(jiān)測(cè)斷面。在隧道開(kāi)挖全部完成后，對(duì)該斷面上的地表豎向位移以及洞周位移、應(yīng)力的分布情況進(jìn)行對(duì)比分析，其中左右洞洞周測(cè)點(diǎn)依照?qǐng)D4進(jìn)行布置。單洞開(kāi)挖時(shí)，洞周測(cè)點(diǎn)排列順序與左洞相同。

圖4 洞周測(cè)點(diǎn)分布

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 地表豎向位移

城市淺埋隧道通常下穿城市繁華地段，對(duì)于施工期間地表沉降的控制有著嚴(yán)格的要求。不同凈距下的地表沉降計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 不同凈距下的地表沉降曲線

從圖5可以看出，地表沉降曲線的形狀滿足左右對(duì)稱(chēng)；隨著兩隧道之間凈距的增大，地表沉降值總體上呈減小趨勢(shì)。當(dāng)凈距大于0.6B時(shí)，地表沉降曲線表現(xiàn)為“雙槽形”，最大沉降發(fā)生在兩隧道中心在地表的投影處；反之，則最大地表沉降發(fā)生在夾巖對(duì)稱(chēng)軸處，地表沉降曲線為單一的沉降槽。

為更清晰地說(shuō)明地表沉降與凈距的關(guān)系，繪制了地表最大沉降-凈距關(guān)系曲線(圖6)。根據(jù)圖6的曲線能夠看到，地表最大沉降隨著凈距的增大逐漸減小且趨于平緩。當(dāng)凈距與跨度之比超過(guò)0.6時(shí)，地表最大沉降隨凈距的變化非常緩慢，沉降值的大小也接近單洞開(kāi)挖的結(jié)果，可以認(rèn)為此時(shí)兩隧道之間的相互作用已處于較低水平。當(dāng)凈距達(dá)到1.2B時(shí)，開(kāi)挖產(chǎn)生的地表最大沉降與單洞開(kāi)挖的結(jié)果幾乎一致。

圖6 地表最大沉降與凈距的關(guān)系

3.2 洞周水平位移

玉函路隧道是水平方向上的小凈距隧道，左右洞的先后開(kāi)挖對(duì)洞周位移的影響將主要集中在水平方向上。對(duì)不同凈距下左右洞洞周各測(cè)點(diǎn)上水平位移曲線(以向夾巖處移動(dòng)為正)見(jiàn)圖7、圖8。

圖7 不同凈距下左洞洞周水平位移

圖8 不同凈距下右洞洞周水平位移

由圖7、圖8可知，左右洞洞周在同一測(cè)點(diǎn)處水平位移相差不大，最大僅相差0.2mm；凈距改變對(duì)洞周水平位移的影響范圍主要集中在17～22號(hào)測(cè)點(diǎn)，其余各測(cè)點(diǎn)的水平位移隨凈距的改變幾乎不發(fā)生變化；在凈距從0.2B增大至0.6B的過(guò)程中，17～22號(hào)測(cè)點(diǎn)的水平位移迅速減小，當(dāng)凈距超過(guò)0.6B后，凈距變化對(duì)17～22號(hào)測(cè)點(diǎn)的水平位移的影響已非常微小，且此時(shí)洞周水平位移曲線與單洞開(kāi)挖的結(jié)果基本一致。

結(jié)合圖4可以看出，17～22號(hào)測(cè)點(diǎn)均位于夾巖附近，其中變化最大的19～21號(hào)測(cè)點(diǎn)更是集中在夾巖中部。由此可見(jiàn)，當(dāng)凈距小于0.6B時(shí)，凈距的改變對(duì)洞周水平位移的影響部位主要集中在夾巖中部附近；凈距超過(guò)0.6B后，隨著凈距繼續(xù)增加，夾巖的水平位移基本保持不變。

3.3 洞周Mises等效應(yīng)力

Mises等效應(yīng)力是判斷材料是否達(dá)到塑性的指標(biāo)，當(dāng)材料某點(diǎn)處的Mises等效應(yīng)力超過(guò)某規(guī)定值時(shí)，該點(diǎn)便進(jìn)入塑性狀態(tài)。對(duì)于隧道開(kāi)挖過(guò)程，圍巖Mises等效應(yīng)力過(guò)大將使其達(dá)到屈服，自承能力大幅降低，嚴(yán)重時(shí)可能引起圍巖失穩(wěn)，對(duì)施工作業(yè)的安全造成極大影響。不同凈距下左右洞洞周各測(cè)點(diǎn)上Mises等效應(yīng)力曲線，見(jiàn)圖9、圖10。

圖9 不同凈距下左洞洞周Mises應(yīng)力

圖10 不同凈距下右洞洞周Mises等效應(yīng)力

由圖9、圖10可知，左右洞洞周在同一測(cè)點(diǎn)處的Mises等效應(yīng)力值相差不大，最大僅相差不到3 %；洞周Mises等效應(yīng)力最大位置均發(fā)生在22號(hào)測(cè)點(diǎn)；凈距改變對(duì)洞周Mises等效應(yīng)力的影響范圍主要集中在17～22號(hào)測(cè)點(diǎn)，其余各測(cè)點(diǎn)的Mises等效應(yīng)力隨凈距的改變幾乎不發(fā)生變化；凈距從0.2B增加至0.6B的過(guò)程中，17～19號(hào)以及22號(hào)測(cè)點(diǎn)處的Mises等效應(yīng)力迅速減小，當(dāng)凈距超過(guò)0.6B后，變化速率明顯放緩，凈距變化對(duì)上述測(cè)點(diǎn)Mises等效應(yīng)力的影響已非常微小，且此時(shí)凈距與單洞開(kāi)挖的Mises等效應(yīng)力曲線基本一致。

根據(jù)上述分析可知，當(dāng)凈距小于0.6B時(shí)，凈距的改變主要影響夾巖附近的應(yīng)力狀態(tài)，且此時(shí)靠近拱腳處夾巖的Mises等效應(yīng)力最大，是洞周最易出現(xiàn)屈服破壞的位置；當(dāng)凈距超過(guò)0.6B后，凈距對(duì)洞周Mises等效應(yīng)力的影響很小，可忽略不計(jì)。此外，發(fā)現(xiàn)20號(hào)、21號(hào)測(cè)點(diǎn)與凈距無(wú)明顯規(guī)律，這可能是凈距改變過(guò)程中夾巖附近應(yīng)力重分布的結(jié)果。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文依托濟(jì)南玉函路隧道工程，采用數(shù)值模擬的研究方法，分別對(duì)不同凈距條件下毛洞開(kāi)挖后的地表沉降、洞周水平位移、洞周Mises等效應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，得到以下結(jié)論：

(1)對(duì)比地表沉降的計(jì)算結(jié)果可知，凈距較小時(shí)，夾巖對(duì)稱(chēng)軸處的地表沉降最大，沉降曲線為單一沉降槽；凈距繼續(xù)增大超過(guò)0.6B后，地表最大沉降位置將變?yōu)樗淼乐行脑诘乇淼耐队疤帲两登€呈“雙槽形”，同時(shí)地表最大沉降變化也趨于平緩。

(2)對(duì)比洞周水平位移的結(jié)果可知，凈距對(duì)洞周水平位移的影響范圍主要集中在夾巖中部附近，凈距較小時(shí)，水平位移隨凈距的變化非常敏感；凈距增加超過(guò)0.6B后，洞周水平位移將幾乎不受凈距的影響。

(3)對(duì)比洞周Mises等效應(yīng)力的結(jié)果可知，凈距的改變主要影響夾巖附近的應(yīng)力狀態(tài)，拱腳附近的夾巖的Mises等效應(yīng)力最大，是洞周最易出現(xiàn)屈服破壞的位置；凈距超過(guò)0.6B后，凈距對(duì)洞周Mises等效應(yīng)力的影響很小，可忽略不計(jì)。

(4)綜合本文的分析結(jié)果，對(duì)于類(lèi)似的城市淺埋小凈距隧道，可將0.6倍隧道跨度作為合理凈距的參考依據(jù)。