新建隧道施工對(duì)既有隧道應(yīng)力影響的分析

張 建

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430063)

新建隧道施工對(duì)既有隧道應(yīng)力影響的分析

張 建

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430063)

在單一隧道及兩重疊隧道施工后的彈性二次應(yīng)力狀態(tài)和單一隧道施工后彈塑性二次應(yīng)力狀態(tài)及三次應(yīng)力狀態(tài)的分布規(guī)律的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了交叉隧道的施工力學(xué)研究。分析了新建隧道正交下穿施工影響安全的主要因素(圍巖類別及支護(hù)阻力)，同時(shí)隧道覆土厚度、隧道間相對(duì)距離和土體強(qiáng)度對(duì)隧道相互作用也有較大影響，應(yīng)引起足夠的重視。進(jìn)而提出了預(yù)防新建隧道正交下穿施工引起既有隧道應(yīng)力變化較大的措施。為類似的交叉隧道施工的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和安全管理提供經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)參考。

交叉隧道 相互影響 應(yīng)力分析 近接施工 措施

隧道的形成是通過一定的施工過程或是說一定的力學(xué)過程來實(shí)現(xiàn)的。交叉隧道是現(xiàn)代近接施工中的一種，其施工中的動(dòng)態(tài)變化特征是很復(fù)雜的，且各種近接工程由于諸多因素的限制使其間距越來越小，進(jìn)行交叉隧道施工過程中近接建筑物的力學(xué)變化規(guī)律的研究顯得很有必要。兩交叉隧道近接施工時(shí)，由于施工的時(shí)間先后順序、空間位置關(guān)系及施工方法的不同，其加載效應(yīng)、卸載效應(yīng)、橫向效應(yīng)、縱向效應(yīng)及空間效應(yīng)等也情況各異［1-3］。

近接施工的影響存在著范圍有限性的規(guī)律，即僅局限于一定的區(qū)域內(nèi)，這種性質(zhì)是由施工后引起圍巖應(yīng)力重分布的局限性所決定的。在隧道施工中將引起圍巖應(yīng)力狀態(tài)重分布和再次重分布，從而會(huì)導(dǎo)致一系列的力學(xué)行為變化。研究這些力學(xué)行為的機(jī)理，建立相應(yīng)的力學(xué)模型進(jìn)行研究分析，才可能掌握千變?nèi)f化、錯(cuò)綜復(fù)雜的地下工程近接施工產(chǎn)生的相互影響。本文在向莆鐵路道德山隧道施工圖設(shè)計(jì)資料和委托方提供的相關(guān)資料的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了交叉隧道的施工變化和影響以及力學(xué)規(guī)律的研究，并提出了一些防范措施，為實(shí)際工程的實(shí)施提供一定的科學(xué)指導(dǎo)，促進(jìn)工程順利進(jìn)行。

1 新建隧道施工對(duì)既有隧道應(yīng)力影響的分析

重疊隧道由于其空間位置關(guān)系的特殊性，在隧道施工時(shí)，影響因素比單一隧道施工時(shí)多，雖然實(shí)際的情況錯(cuò)綜復(fù)雜、變化多端，但是機(jī)理存在相同或相似之處。本文是借鑒單一隧道及兩重疊隧道施工后的彈性二次應(yīng)力狀態(tài)和單一隧道施工后彈塑性二次應(yīng)力狀態(tài)及三次應(yīng)力狀態(tài)的分布規(guī)律［4-5］，進(jìn)行了交叉隧道的施工力學(xué)研究。下面就以常見的圓形隧道為例來探求規(guī)律性。

1.1 新建隧道開挖后的應(yīng)力狀態(tài)

新建隧道施工前，地層中存在初始應(yīng)力場(chǎng)，圍巖處于受壓的穩(wěn)定狀態(tài)。隨著新建隧道的施工，地層中的應(yīng)力狀態(tài)相應(yīng)發(fā)生變化，由施工引起了附加的應(yīng)力場(chǎng)，稱為二次應(yīng)力場(chǎng);工程實(shí)踐表明，二次應(yīng)力場(chǎng)分彈性和彈塑性兩種情況，它對(duì)圍巖的應(yīng)力分布、變形和破壞有著極其重要的影響。具體來講，新建隧道施工后的應(yīng)力狀態(tài)根據(jù)圍巖的實(shí)際強(qiáng)度可分為兩種情況:一種是施工后的圍巖仍處于彈性狀態(tài)，此時(shí)坑道圍巖除產(chǎn)生稍許松弛外，一般是穩(wěn)定的;一種是施工后的應(yīng)力狀態(tài)超過圍巖的單軸抗壓強(qiáng)度，此時(shí)坑道圍巖的一部分處于塑性甚至松弛狀態(tài)，坑道圍巖就產(chǎn)生塑性滑移、松弛或是破壞。

當(dāng)兩隧道先后修建時(shí)，兩隧道鄰近時(shí)的受力狀態(tài)發(fā)生了變異，一般講，先施工且支護(hù)后的隧道已處于第三次應(yīng)力場(chǎng)中，若鄰近再施工新的隧道，將會(huì)使其發(fā)生第四次應(yīng)力重分布。

1.2 新建隧道施工后形成塑性的二次應(yīng)力狀態(tài)

單一隧道施工后形成塑性時(shí)的力學(xué)模型如圖1所示。設(shè)初始地應(yīng)力場(chǎng)以λ表示，即λ=σx/σy。

新建隧道施工后，鑒于不同的λ值，周圍形成的塑性區(qū)范圍是不同的。當(dāng)λ=1，即是水平向應(yīng)力σx與垂直向應(yīng)力σy相等時(shí)，塑性區(qū)半徑r0為

圖1 塑性區(qū)邊界和應(yīng)力狀態(tài)

塑性區(qū)應(yīng)力

式(1)和式(2)中:Rb為巖石的單軸抗壓強(qiáng)度;φ為內(nèi)摩擦角;σrp為形成塑性區(qū)時(shí)的徑向應(yīng)力;σtp為形成塑性區(qū)時(shí)的切向應(yīng)力。

當(dāng)圍巖不同時(shí)，塑性區(qū)范圍也是不同的。經(jīng)計(jì)算，λ=1時(shí)，不同圍巖中的塑性區(qū)域范圍如表1所示(初始應(yīng)力為60 MPa)。

表1 不同級(jí)別圍巖塑性區(qū)范圍

新建隧道施工后形成塑性區(qū)的二次應(yīng)力狀態(tài)，分為塑性區(qū)域和彈性區(qū)域兩個(gè)部分，如圖2所示。

圖2 彈性區(qū)域和塑性區(qū)域的范圍

與彈性二次應(yīng)力相比，形成塑性區(qū)的二次應(yīng)力狀態(tài)的范圍增加了一個(gè)塑性區(qū)的范圍，因此，其影響范圍要比彈性狀態(tài)的大。通過計(jì)算，在塑性二次應(yīng)力狀態(tài)下，不同圍巖邊界應(yīng)力為初始應(yīng)力1.01倍的范圍見表2(初始應(yīng)力為40 MPa)。

表2 不同級(jí)別圍巖塑性區(qū)影響范圍

對(duì)十分完整的、強(qiáng)度比較高的圍巖條件，新建隧道周圍大多是處于彈性狀態(tài)的，對(duì)其影響范圍的計(jì)算可以通過彈性力學(xué)的有關(guān)理論結(jié)合工程實(shí)際情況進(jìn)行分析;對(duì)于破碎的、強(qiáng)度比較低的圍巖條件，施工隧道周圍大多處于塑性狀態(tài)的，對(duì)其影響范圍的計(jì)算可以通過彈塑性力學(xué)的有關(guān)理論結(jié)合工程實(shí)際情況進(jìn)行分析。一般說來，圍巖差則施工影響范圍大，圍巖好則施工影響范圍小。

1.3 新建隧道施工后有支護(hù)的三次應(yīng)力狀態(tài)

圍巖應(yīng)力在新建隧道施工的過程中并不是一次性釋放完全的。隨著新建隧道支護(hù)工作的進(jìn)行，地層中的應(yīng)力狀態(tài)又會(huì)發(fā)生變化，形成三次應(yīng)力狀態(tài)［6］。新建隧道施工后，圍巖處于彈性狀態(tài)下且坑道周邊有徑向阻力時(shí)，周邊應(yīng)力的表達(dá)式由兩部分組成

式中:σr為隧道周邊的徑向應(yīng)力;σt為隧道周邊的切向應(yīng)力;Pa為半徑為a的圓形坑道上的徑向阻力。

由式(3)可知，當(dāng)隧道周圍存在支護(hù)阻力時(shí)，隧道周邊的徑向應(yīng)力將增大，而切向應(yīng)力則減小。實(shí)質(zhì)上是支護(hù)結(jié)構(gòu)的施作使直接靠近坑道周邊的圍巖的應(yīng)力狀態(tài)從一維的受力狀態(tài)變成二維的受力狀態(tài)，因而提高了圍巖的承載能力。實(shí)質(zhì)上也就是提高了圍巖的自支護(hù)能力，利于隧道的穩(wěn)定。支護(hù)阻力對(duì)圍巖承載能力的提高見圖3。

圖3 支護(hù)作用下圍巖承載能力提高

在塑性應(yīng)力狀態(tài)下，當(dāng)坑道有支護(hù)阻力時(shí)，其應(yīng)力值和塑性區(qū)范圍也有所變化。新建隧道施工后處于塑性狀態(tài)，并且坑道周邊有徑向阻力時(shí)塑性區(qū)半徑為

式中符號(hào)意義同前。

由式(4)可以看出，隨著支護(hù)阻力的增加，塑性區(qū)半徑相應(yīng)減小，見圖4。這說明，支護(hù)阻力的存在對(duì)塑性區(qū)的范圍有直接的影響，它限制了塑性區(qū)域的發(fā)展。對(duì)施工后的新建隧道施加支護(hù)阻力，可以改變施工對(duì)既有隧道帶來的影響。只要施加的支護(hù)阻力達(dá)到一定大小，可以將對(duì)既有隧道施工帶來的影響范圍減小到允許的范圍?？梢姡ёo(hù)作用是影響近接施工的又一重要因素。對(duì)于不同級(jí)別的圍巖，在相同支護(hù)作用下，其塑性區(qū)范圍是不同的，參見表3。

圖4 塑性條件下有支護(hù)作用的力學(xué)模式

表3 不同圍巖的塑性區(qū)影響范圍

由表3可以看出，在相同的支護(hù)阻力作用下，圍巖級(jí)別越差，其塑性區(qū)影響范圍越大，反之則越小。這又一次說明，圍巖和支護(hù)阻力是塑性區(qū)影響范圍的兩個(gè)重要因素。同時(shí)隧道覆土厚度、隧道間相對(duì)距離和土體強(qiáng)度對(duì)隧道間相互作用也有較大影響［7-8］，應(yīng)引起足夠的重視。在對(duì)既有隧道采取保護(hù)措施并對(duì)新建隧道采用一定的支護(hù)對(duì)策后，可以減少近接施工對(duì)既有隧道及圍巖的影響。

2 預(yù)防措施及注意事項(xiàng)

1)在與既有隧道交叉段的隧道開挖過程中，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)新建隧道實(shí)際工程水文地質(zhì)條件的判定，如與工程評(píng)估報(bào)告所選用的圍巖情況差異較大，則應(yīng)重新開展對(duì)隧道安全性的評(píng)估論證。

2)在與既有隧道交叉段的隧道施工過程中，隧洞二次襯砌應(yīng)及時(shí)跟進(jìn)，以減少隧洞周圍圍巖的變形。

3)如在交叉段的隧洞施工中采用爆破施工，則應(yīng)采取弱爆破方式進(jìn)行，建議爆破振動(dòng)安全允許振速不超過5 cm/s。

4)在交叉段的隧道施工過程中，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)既有鐵路隧道軌道板或軌面和隧道二次襯砌位移的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以便根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，對(duì)隧道施工實(shí)施動(dòng)態(tài)調(diào)整或?qū)λ淼啦扇〖庸瘫Ｗo(hù)措施。

3 結(jié)論

1)本文進(jìn)行了新建隧道下穿既有隧道施工中應(yīng)力影響分析，找出影響施工安全的主要因素，并提出了預(yù)防新建隧道正交下穿施工引起既有隧道應(yīng)力變化的措施?？蔀轭愃频慕徊嫠淼朗┕さ娘L(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和安全管理提供經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)參考。

2)由于近接隧道施工類型的多樣性，新建隧道施工對(duì)既有隧道影響的定量分析有時(shí)還比較困難，也不存在一種對(duì)任何行為模式都適用的可靠分析方法。本文所提出的交叉隧道的施工力學(xué)分析是一種較實(shí)用的定量計(jì)算方法。

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U451

A

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1003-1995(2014)01-0034-03

2013-07-20;

2013-09-26

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(40972214)

張建(1979— )，男，安徽阜陽人，高級(jí)工程師，碩士。

(責(zé)任審編 孟慶伶)