既有人防工程對隧道建設(shè)的影響研究

劉 婷

(江西贛北公路工程有限公司 九江市 332000)

0 引言

隧道建設(shè)時(shí)常常會(huì)遇到地下基坑、地下工程及人防工程等,當(dāng)新建的隧道工程穿越或與這些既有建筑物鄰近建設(shè)時(shí),二者之間會(huì)相互影響,對新建工程和既有工程都存在安全隱患,有必要對既有工程和新建隧道工程的應(yīng)力、位移等變化規(guī)律進(jìn)行研究。Soliman等[1]基于有限元法進(jìn)行研究,結(jié)果發(fā)現(xiàn)雙洞的變形可以通過單洞隧道結(jié)果的疊加而得到;陳亮等[2]基于現(xiàn)場的實(shí)測數(shù)據(jù)研究發(fā)現(xiàn)新建的隧道近距離上穿對既有隧道的影響,并總結(jié)表明新建隧道所引起的縱向變形的作用過程和機(jī)理;徐源等[3]通過研究地鐵隧道下穿既有高鐵橋梁基礎(chǔ)時(shí)候的變形控制,提出控制高鐵橋墩基礎(chǔ)的變形的有效措施;李圍等[4]通過對實(shí)際的工程進(jìn)行研究,結(jié)果表明在施工時(shí)對施工參數(shù)進(jìn)行合理的設(shè)置,對由于施工導(dǎo)致的既有隧道圍巖土體的影響能起到有效的控制;劉毅[5]通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場測量的手段對隧道開挖既有建筑的沉降進(jìn)行研究,提出隧道開挖的影響范圍及建筑物安全控制的標(biāo)準(zhǔn);周奎等[6]通過研究隧道下穿既有人防工程時(shí)隧道底板的位移及圍巖的壓力,提出具體的安全施工方案;趙志民[7]通過鏡像理論對隧道施工引起土體的位移與應(yīng)力進(jìn)行研究,結(jié)果表明鏡像方法計(jì)算得到的結(jié)果能對地表建筑物的破壞進(jìn)行預(yù)估。

在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上,基于實(shí)際工程,借助FLAC3D有限元軟件對在既有人防工程附近新建隧道進(jìn)行研究分析。

1 工程概況

工程一共包括兩條隧道,兩處人防洞室,建設(shè)場地所處的地質(zhì)為場地巖體裂隙較發(fā)育并且層面裂隙及軟弱夾層均不發(fā)育,在場地范圍內(nèi)無地表水。其中左隧道線的樁號為K0+316.7～K0+734.5,右隧道線的樁號為K0+320～K0+794.5,1號人防洞室與擬新建的隧道未相交,位于擬新建隧道的下方,2號人防洞室與擬新建的隧道相交,處于相同平面相交關(guān)系,其中1號人防洞室未出現(xiàn)變形并且處于穩(wěn)定的狀態(tài),洞內(nèi)無積水,2號洞室也未出現(xiàn)變形并且處于穩(wěn)定的狀態(tài),洞內(nèi)有積水。關(guān)于兩人防洞室的具體情況如表1所示。

表1 既有人防洞室的工程概況

2 FLAC3D有限元模擬

FLAC3D是利用有限差分法建立代數(shù)方程組來進(jìn)行求解,主要根據(jù)其離散方法的思想進(jìn)行計(jì)算,采用六面體單元的區(qū)域離散,計(jì)算時(shí)為兩對不同的四面體,在四面體子元中各點(diǎn)的應(yīng)變、應(yīng)力及應(yīng)變的速率均相同,不隨位置的變化而變化,只會(huì)隨時(shí)間的變化而發(fā)生變化。模擬過程中,對施工掘進(jìn)的長度和速率要進(jìn)行控制,若掘進(jìn)的速率過快,則會(huì)導(dǎo)致隧道襯砌結(jié)構(gòu)實(shí)際的受荷較小,若掘進(jìn)長度過大,會(huì)導(dǎo)致初噴和支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)置推遲,導(dǎo)致襯砌荷載增大,因此在模擬時(shí)要及時(shí)的對噴射混凝土進(jìn)行模擬封底,減小襯砌的變形。模擬時(shí)首先考慮初始應(yīng)力的影響,模擬開挖后,土體被挖除,使模型體系中的有關(guān)單元“消失”,將這些“消失”的單元設(shè)置為空單元,不考慮空單元的相互作用,隨后逐步計(jì)算隧道開挖之后的地層應(yīng)力與應(yīng)變,在開挖的瞬間,重力密度、自重、內(nèi)摩擦角、粘聚力及彈性模量等參數(shù)均設(shè)置為各自的初始值,隨著隧道的開挖逐漸減小。同樣通過對單元賦予相應(yīng)的材料性質(zhì),可以模擬不同的“回填”情況,如襯砌結(jié)構(gòu)的模擬。

2.1 模擬的建立

在模擬中對隧道圍巖的模擬模型采用Mohro-Coulomb彈塑性本構(gòu)模型,對2號洞室和隧道模型采用shell單元,考慮自重應(yīng)力,隧道的開挖寬度為12.76m,在模型中隧道的模型總尺寸為155m×150m×100m,對隧道圍巖的支護(hù)采用錨噴支護(hù)結(jié)構(gòu),錨桿長設(shè)置為3.5m,直徑為22cm,噴射混凝土強(qiáng)度等級為C25,噴射厚度為20cm,錨桿采用cable結(jié)構(gòu)單元模擬,將單元節(jié)點(diǎn)與圍巖實(shí)體單元節(jié)點(diǎn)設(shè)置為剛接,與圍巖一起變形,隧道模型如圖1所示,圖1中的紅色表示右隧道,綠色表示左隧道。模擬計(jì)算時(shí)跟實(shí)際的工程一樣先進(jìn)行左隧道開挖再進(jìn)行右隧道開挖。模型中的相關(guān)參數(shù)設(shè)置如表2所示。

圖1 模擬模型圖

表2 模擬模型中的參數(shù)設(shè)置

2.2 模擬結(jié)果分析

模擬是在人防工程已經(jīng)建設(shè)完成的情況下進(jìn)行的,主要模擬當(dāng)隧道穿越人防工程及隧道與人防工程相鄰時(shí)兩種情形下隧道變形、地面沉降、人防洞室變形及錨桿受力情況。

2.2.1隧道穿越人防工程

在模擬過程中,先進(jìn)行左隧道挖掘,后進(jìn)行右隧道施工,并且左右兩隧道均采用上下臺(tái)階法進(jìn)行開挖,開挖時(shí)保證掌子面間距為10m,此時(shí)左隧道先完全穿越人防洞室,而右隧道后完全穿越人防的主洞,對左右隧道應(yīng)力云圖及位移云圖進(jìn)行分析匯總,具體結(jié)果見表3。

表3 模擬結(jié)果表

從表3中可以看出,左隧道先完全穿越人防洞室,右隧道后完全穿越人防主洞時(shí),左隧道錨桿承受了更大的拉力作用;左隧道拱頂豎向位移下沉值約為8.95mm,初期襯砌的支護(hù)結(jié)構(gòu)下沉值約為7.63mm,地面沉降值約為3.75mm,人防洞室洞頂?shù)呢Q向位移值約為8.92mm,均比右隧道小,主要是由于左隧道的錨桿承擔(dān)了拉力,因此左隧道的變形較小,同時(shí)由于左隧道先施工,當(dāng)右隧道進(jìn)行施工時(shí),將會(huì)對后施工的右隧道產(chǎn)生影響。

2.2.2隧道鄰近人防工程

在模擬過程中,先進(jìn)行左隧道的挖掘,后進(jìn)行右隧道的施工,并且左右兩隧道均采用上下臺(tái)階法進(jìn)行開挖,開挖時(shí)保證掌子面直徑的間距為10m,此時(shí)的左隧道完全穿越人防洞室,而右隧道正好穿越人防的主洞,對左右隧道的應(yīng)力云圖及位移云圖進(jìn)行分析匯總,具體的結(jié)果如表4所示。

表4 模擬結(jié)果表

從表4中可以看出,當(dāng)左隧道完全穿越人防洞室,而右隧道正好穿越人防的主洞時(shí),左隧道的隧道拱頂豎向位移約為8.12mm,初期襯砌的支護(hù)結(jié)構(gòu)下沉值約為6.58mm,地面的沉降值約為3.10mm,人防洞室洞頂?shù)呢Q向位移值約為6.32mm,均比右隧道小,這主要是由于左隧道是先施工,圍巖先進(jìn)入平衡狀態(tài)。

對比表3與表4可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)隧道穿越人防工程時(shí),表4中左右隧道的數(shù)據(jù)均比表3小,說明當(dāng)隧道越靠近人防工程時(shí),對隧道的影響越大。

2.2.3隧道距人防工程10m模擬

在模擬過程中,先進(jìn)行左隧道的挖掘,后進(jìn)行右隧道的施工,并且左右兩隧道均采用上下臺(tái)階法進(jìn)行開挖,開挖時(shí)保證掌子面直徑的間距為10m,此時(shí)的左隧道和右隧道距離人防洞室的距離為10m,對左右隧道的應(yīng)力云圖及位移云圖進(jìn)行分析匯總,具體的結(jié)果如表5所示。

表5 模擬結(jié)果表

從表5中可以看出,當(dāng)左隧道和右隧道與人防洞室相距10m時(shí),左隧道的變形及右隧道的變形均較小,左隧道的隧道拱頂豎向位移約為4.65mm,初期襯砌的支護(hù)結(jié)構(gòu)下沉值約為4.45mm,地面的沉降值約為1.86mm,人防洞室洞頂?shù)呢Q向位移值約為3.88mm;右隧道的隧道拱頂豎向位移約為5.01mm,初期襯砌的支護(hù)結(jié)構(gòu)下沉值約為5.94mm,地面的沉降值約為2.93mm,人防洞室洞頂?shù)呢Q向位移值約為4.88mm,均比右隧道小,這主要是由于左隧道是先施工,圍巖先進(jìn)入平衡狀態(tài),并且將會(huì)對后施工的右隧道產(chǎn)生影響。

對比表3、表4與表5可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)隧道與人防工程相距10m的情形下,表5中左右隧道的隧道變形值均比表4和表3小,主要是因?yàn)樽笏淼罌]有穿越人防的洞室,由于距離的影響導(dǎo)致這一結(jié)果,說明當(dāng)新建隧道距離既有的人防工程越遠(yuǎn),隧道受既有人防工程的影響將會(huì)越小。

3 結(jié)論

基于實(shí)際工程,借助FLAC3D有限元軟件對在既有人防工程附近新建隧道進(jìn)行研究分析,研究結(jié)果表明:當(dāng)工程為雙線隧道時(shí),左右兩隧道的施工順序?qū)λ淼赖淖冃斡幸欢ǖ挠绊?對于既有的人防工程,當(dāng)隧道離人防工程距離越近,其對隧道的變形影響越大,因此在進(jìn)行工程建設(shè)時(shí),應(yīng)主要控制隧道與既有建筑物的安全距離。