新建地鐵隧道平行下穿既有地鐵施工機(jī)理研究

夏國政，江 軍

（1.煙威高速公路管理處，山東 煙臺(tái) 264003；2.魯東大學(xué)土木工程學(xué)院，山東 煙臺(tái) 264025）

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市軌道交通也得到了迅猛發(fā)展[1-4]。越來越多的城市開通了地鐵線路，既有地鐵施工也越來越多，而如何保證既有地鐵線路的正常運(yùn)營，也成為新建地鐵施工所需要解決的問題之一[5-8]。國內(nèi)外針對地鐵隧道施工問題開展了大量的研究，Das R等[9]針對下穿過程中的非對稱地鐵隧道，采用數(shù)值模擬的方法，研究不對稱荷載對既有隧道的影響。Junbo F[10]基于大直徑空洞平行下穿施工工程，針對某平行大跨隧道的下穿施工工程，用數(shù)值模擬軟件模擬了爆破法施工，分析了振動(dòng)對既有隧道產(chǎn)生的影響。韓煊等[11]基于對現(xiàn)場監(jiān)控測量既有隧道變形數(shù)據(jù)的分析，提出了適用于近距離下穿工程施工中既有結(jié)構(gòu)物的變形預(yù)測方法。賈少春[12]運(yùn)用三維模型有限元法分析了新建盾構(gòu)隧道近距離施工對連拱橋結(jié)構(gòu)位移和內(nèi)力的影響，對預(yù)注漿加固進(jìn)行了數(shù)值模擬并與現(xiàn)場實(shí)際施工數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比分析。

文章依托某新建地鐵隧道平行下穿既有地鐵施工工程，采用FLAC3D數(shù)值模擬計(jì)算，針對下穿施工過程中的應(yīng)力應(yīng)變變化規(guī)律，開展了現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)對比論證與數(shù)值模擬計(jì)算分析。

1 工程概況

某既有地鐵和新建隧道均采用盾構(gòu)法開挖建造，兩條地鐵隧道的內(nèi)徑為6.3m，外徑為7m。盾構(gòu)隧道管片由6塊拼裝而成，新舊隧道為平行隧道，新舊隧道凈距為3m，新建隧道埋深為9m。

2 數(shù)值模擬方法

2.1 數(shù)值計(jì)算模型

結(jié)合現(xiàn)場施工參數(shù)和地質(zhì)報(bào)告，此次數(shù)值計(jì)算模擬采用三維數(shù)值模型，計(jì)算的模型長70m、寬60m、高66m，最終的數(shù)值模型外觀圖如圖1所示，模型包括了10275個(gè)節(jié)點(diǎn)和94381個(gè)單元。地層自上而下有素填土、頁巖和弱風(fēng)化花崗巖。

2.2 數(shù)值計(jì)算方法

此次數(shù)值模擬中的主要細(xì)節(jié)如下。

（1）邊界設(shè)置：此次模擬參考實(shí)際工況，頂面為地表，采用了自由面，無任何約束；其余面為周邊圍巖接觸面，設(shè)置了法向約束。

圖1 數(shù)值計(jì)算模型

（2）開挖方法：先開挖既有隧道，既有隧道采用上下臺(tái)階法開挖，上下臺(tái)階間距為3m，開挖步也為3m；每開挖一環(huán)，設(shè)置20mm厚的初期支護(hù)，混凝土型號(hào)選用C30；初支施作的模擬完成后，施加二次襯砌，二襯厚度為15mm。既有隧道施工完成后，進(jìn)行新建隧道的開挖模擬。新建隧道的開挖方法同既有隧道，新建隧道的襯砌只模擬初期支護(hù)，不含對二襯的模擬。地層采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬，隧道襯砌結(jié)構(gòu)采用殼單元進(jìn)行模擬。

表1 材料參數(shù)取值

2.3 材料參數(shù)

此次數(shù)值模擬中的巖土力學(xué)參數(shù)如表1所示。

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果

3.1 位移分析

圖2 新建隧道施工引起的既有隧道沉降變化云圖

圖3 新建隧道施工引起的既有隧道沉降變化曲線

新建隧道開挖完成后的地層沉降云圖如圖2所示，變化曲線如圖3所示。從圖2可以看出，新建隧道開挖完成后，在新建隧道與既有隧道的中夾巖層發(fā)生了較大的沉降，同時(shí)在既有隧道周邊也出現(xiàn)較大沉降。既有隧道拱頂?shù)某两禐?.02mm，既有隧道拱頂?shù)某两禐?.53mm，地表沉降也達(dá)到了5.22mm?？梢娦陆ㄋ淼朗┕扔兴淼篮偷乇矶籍a(chǎn)生了較大的擾動(dòng)。圖3的極坐標(biāo)圖展示了新建隧道軸線正上方的既有襯砌不同部位的變形，從圖3可以看出，下穿施工的新建隧道將導(dǎo)致既有隧道產(chǎn)生一定的沉降，最大沉降量達(dá)到了有6.53mm，既有隧道的最大沉降量位于拱底。并且從圖3也可以看出，新建隧道下穿施工對既有隧道襯砌的沉降影響是對稱分布的，由于既有隧道拱底一側(cè)相比于拱頂一層更靠近新建隧道，受到的影響也就更大，因此從圖中也可以看出拱頂沉降量要小于拱底沉降量。同時(shí)從圖中可以看出，新建隧道下穿施工對既有隧道襯砌拱底±30°范圍內(nèi)的襯砌影響最大。

新建隧道開挖完成后，軸線正上方的既有襯砌內(nèi)襯和外襯正應(yīng)力極坐標(biāo)圖如圖4所示。從圖4可以看出，既有隧道外襯正應(yīng)力值要小于內(nèi)襯的正應(yīng)力值，這是由于外襯靠近圍巖，圍巖對外襯起到了一定的加固作用，而內(nèi)襯的受力傳遞路徑則較為單一。既有襯砌在下穿施工中，其外襯的應(yīng)力值主要集中在既有隧道拱頂±60°范圍內(nèi)，應(yīng)力變化值的最大值達(dá)到了0.74MPa，為拉應(yīng)力；其內(nèi)襯的應(yīng)力值主要集中在既有隧道拱頂±60°范圍內(nèi)，而應(yīng)力變化值的最大值達(dá)到了1.82MPa，同樣為拉應(yīng)力，但由于既有隧道襯砌的正應(yīng)力值都沒有達(dá)到C30混凝土的抗拉強(qiáng)度，因此不會(huì)造成受拉破壞。

3.2 受力分析

圖4 既有隧道襯砌的正應(yīng)力

圖5 既有隧道襯砌的受力

新建隧道開挖完成后，既有襯砌的軸力變化量及彎矩變化量如圖5所示。從圖5（a）可以看出，新建隧道平行下穿既有隧道施工引起的既有襯砌的軸力值變化主要集中在既有隧道拱底±90°范圍內(nèi)，最大值達(dá)到了135.68KN，而既有隧道拱頂軸力在新建隧道下穿施工后變化量不大，拱頂軸力變化量僅有20.38KN。從圖6（b）可以看出，新建隧道下穿既有隧道施工引起的既有襯砌的彎矩值增加量主要集中在既有隧道拱腰-30～45°范圍，增加量最大值為4.92kN·m，而既有襯砌的彎矩值減小量主要集中在既有隧道拱頂±60°范圍內(nèi)和拱底±45°范圍內(nèi)，減小量最大值達(dá)到了-4.07kN·m。在下穿施工中應(yīng)注意對既有隧道襯砌的相關(guān)部位進(jìn)行加固。

3.3 塑性區(qū)分析

新建隧道開挖完成后的地層塑性區(qū)云圖如圖6所示。從圖6可以看出，新建隧道開挖完成后，在新建隧道拱底和拱頂±45°存在明顯的塑性區(qū)，且延伸距離較長，在既有隧道拱底和兩側(cè)拱腰也存在較大的塑性區(qū)，極易使既有隧道襯砌發(fā)生塑性破壞，可見在新建隧道開挖過程中應(yīng)采取相應(yīng)措施防止既有隧道襯砌發(fā)生塑性破壞。

圖6 新建隧道開挖完成后塑性區(qū)云圖

4 結(jié)論

文章采用大型有限差分?jǐn)?shù)值模擬軟件FLAC3D進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，基于某新建地鐵隧道平行下穿既有地鐵施工工程，針對平行下穿過程中既有隧道的應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律，開展了現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)對比論證數(shù)值模擬可靠性分析，并進(jìn)行了平行下穿施工機(jī)理分析，主要結(jié)論如下：

（1）新建隧道近距離平行下穿施工將導(dǎo)致既有隧道全范圍產(chǎn)生沉降，其中最大沉降量位于襯砌結(jié)構(gòu)的拱底，達(dá)到了6.53mm，新建隧道平行下穿施工對既有隧道襯砌的影響主要集中在隧道襯砌拱底的±30°范圍內(nèi)。

（2）既有隧道內(nèi)襯的正應(yīng)力值均大于相應(yīng)的外襯正應(yīng)力值，新建隧道平行下穿既有隧道施工引起的既有襯砌的應(yīng)力值主要集中在既有隧道拱頂±60°范圍內(nèi)，最大值達(dá)到了1.82MPa，為拉應(yīng)力，由于既有隧道襯砌的正應(yīng)力值都沒有達(dá)到C30混凝土的抗拉強(qiáng)度，因此不會(huì)造成受拉破壞。

（3）新建隧道平行下穿既有隧道施工引起的既有襯砌的軸力值變化主要集中在既有隧道拱底±90°范圍內(nèi)，新建隧道下穿既有隧道施工引起的既有襯砌的彎矩值增加量主要集中在既有隧道拱腰±30°范圍內(nèi)，而既有襯砌的彎矩值減小量主要集中在既有隧道拱頂±60°范圍內(nèi)和拱底±45°范圍內(nèi)，在下穿施工中應(yīng)注意對既有隧道襯砌的相關(guān)部位進(jìn)行加固。