城市道路隧道平行上穿既有隧道施工方法數(shù)值模擬分析

張 玥，曹 偉

(內蒙古科技大學，內蒙古 包頭 014010)

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城市道路隧道平行上穿既有隧道施工方法數(shù)值模擬分析

張 玥，曹 偉

(內蒙古科技大學，內蒙古 包頭 014010)

某城市道路小凈距隧道平行上穿既有地鐵隧道，施工圖紙顯示該新建隧道的施工方法為上下短臺階法。文章運用有限元分析軟件MIDAS/GTS進行數(shù)值模擬分析，比較新建隧道采用不同開挖臺階長度施工時對既有隧道的變形及內力的影響，評價既有隧道的安全性。模擬分析結果表明，新建隧道施工可以采用長臺階法開挖施工，能夠保證既有隧道安全并可加快施工進度。

新建隧道；既有隧道；小凈距隧道；數(shù)值模擬；臺階法

0 引言

隨著我國城鎮(zhèn)化進程的加快，地下工程基礎設施建設投資日益增多，地下市政道路、地下軌道交通等工程設施大量建設，難免會產(chǎn)生新建隧道與既有隧道近接施工[1，2]，由于新建和既有隧道之間距離較近，在施工過程中，產(chǎn)生互相干擾，造成既有隧道的結構變形與內力大小改變，進而影響既有隧道的安全性[3]。

近年來，有關新建隧道與既有隧道近接施工對既有隧道產(chǎn)生影響的研究較多，大部分是對新建隧道與既有隧道之間以平行或下穿方式的研究，而對新建隧道以不同角度上跨既有隧道的施工影響研究較少[4，5]。本文以某城市道路小凈距隧道平行上穿既有地鐵隧道為工程背景，利用MIDAS/GTS軟件模擬分析臺階法施工時，不同臺階長度對既有隧道結構產(chǎn)生的位移變形和內力的影響，總結合理的施工臺階長度，以期為此類工程提供借鑒。

1 工程概況

某市政道路隧道工程為小凈距隧道，隧道最大埋深為35 m，圍巖等級為IV級，隧道洞身處于淺埋段，拱頂距地面最近只有5 m。施工方法采用超前支護，上下短臺階法。新建隧道與既有地鐵隧道在空間上平行上穿，兩者之間的空間位置關系如圖1所示，在縱斷面上城市道路隧道底板位于既有地鐵區(qū)間隧道拱頂上方，兩者間距為2.5～5 m。

圖1 新建隧道與既有隧道空間位置關系圖

2 開挖方法

目前臺階法施工通常按照不同的臺階長度分為以下三種方法[6]。

(1)超短臺階法

臺階長度一般超前3～5 m，施工需交替作業(yè)，進度緩慢，且互相干擾大，但由于初次支護閉合的時間更短，利于對圍巖變形的控制。

(2)短臺階法

可以減少支護結構閉合時間，改善初次支護受力條件，有利于控制隧道收斂速度，在I～V級圍巖中都可以適用。但相對長臺階法，其上下臺階長度不長，施工互相干擾大，工期可能受影響。

(3)長臺階法

有足夠的工作空間，施工速度可以加快，上下臺階之間相互干擾小，相對于全斷面法，長臺階法一次開挖的斷面和高度比較小，對圍巖的穩(wěn)定有利。在圍巖不能自穩(wěn)，且因圍巖堅硬而不能拱頂和拱底封閉斷面時，可以采用長臺階法施工。

本文進行數(shù)值模擬時，采用以下臺階長度：長臺階法，上臺階長度為50 m；短臺階法，上臺階長度為12.5 m；超短臺階法，上臺階長度為2.5 m。

3 計算模型及巖土支護材料參數(shù)

3.1 計算模型

根據(jù)工程實際情況，采用三維實體模型，圍巖等級為IV級，模型寬度為80 m，高度為60 m，縱向長度取100 m，兩新建隧道之間凈距為5 m，底邊至既有隧道拱頂之間豎向距離為3 m。新建隧道采用三心圓斷面即曲墻加半圓拱形式，拱半徑為4.95 m，曲墻半徑為8.5 m；既有隧道為三心圓曲墻加仰拱斷面形式，拱半徑為6 m，曲墻半徑為6 m，仰拱半徑為9 m。

三維網(wǎng)格模型如圖2所示。

圖2 隧道三維網(wǎng)格模型圖

3.2 巖土及支護材料參數(shù)

隧道圍巖為IV級，其巖土和支護參數(shù)參考該工程地質詳細勘察報告，如表1～2所示。

表1 巖土參數(shù)表

表2 支護材料參數(shù)表

表2中新建隧道單個截面錨桿數(shù)量為15根，長度為3.5 m，弧長為1.5 m。既有隧道初期支護采用C25噴射混凝土，二次襯砌采用C40混凝土，將初期支護中鋼架采取等效剛度法進行折算。

3.3 施工過程

臺階法施工順序見圖3。

圖3 臺階法施工順序圖

臺階開挖過程如圖3所示，其中：(1)左洞上臺階開挖，II左洞上臺階初期支護；(2)左洞下臺階開挖，IV左洞下臺階初期支護，V左洞二次襯砌澆注；(3)右洞上臺階開挖，VII右洞上臺階初期支護；(4)右洞下臺階開挖，IX右洞下臺階初期支護，X右洞二次襯砌澆注。新建隧道采取左右隧道交叉施工的方法，左隧道洞口先開挖，洞身上臺階完成50 m時，右隧道洞口開始開挖。

4 模擬計算結果及分析

4.1 新建隧道施工模擬

在數(shù)值模擬計算中，嚴格按照前述三種不同臺階長度及施工方法和施工步驟進行，通過計算分別得出各施工階段的既有隧道支護結構位移和應力值，通過圖表加以對比分析。既有隧道位移值和應力取值點位置如圖4所示。

圖4 既有隧道位移和應力取值點示意圖(cm)

注：既有隧道二次襯砌位移取值點為：1—拱頂，2—拱底，3—左拱腰，4—右拱腰；既有隧道二次襯砌應力取值點為：a—左拱肩，b—右拱肩，c—左仰拱，d—右仰拱

通過數(shù)值模擬施工過程，按照圖4所示取值點位置提取其中以下各施工步序所對應的既有隧道二次襯砌的位移和應力，施工步序1：既有隧道完工；施工步序2：新建隧道左洞上臺階開挖結束；施工步序3：左洞下臺階開挖結束；施工步序4：右洞上臺階開挖結束；施工步序5：右洞下臺階開挖結束。

4.2 計算結果分析

采用不同臺階長度開挖施工時，既有隧道二次襯砌的位移變化曲線見圖5～7，應力變化曲線見下頁圖8～10，位移和應力的最大值見下頁表3。

圖5 長臺階法施工時既有隧道二次襯砌位移變化曲線圖

圖6 短臺階法施工時既有隧道二次襯砌位移變化曲線圖

圖7 超短臺階法施工時既有隧道二次襯砌位移變化曲線圖

圖8 長臺階法施工時既有隧道二次襯砌應力變化曲線圖

圖9 短臺階法施工時既有隧道二次襯砌應力變化曲線圖

圖10 超短臺階法施工時既有隧道二次襯砌應力變化曲線圖

項目長臺階法短臺階法超短臺階法豎向位移(mm)0.6270.4620.316水平位移(mm)0.4180.3960.301拱肩應力(kPa)-1242-1105-943仰拱應力(kPa)-959-787-665

注：“—”表示壓應力

由位移曲線可見，隨著新建隧道的開挖施工，既有隧道拱頂和拱底均向上隆起，而拱頂?shù)穆∑鹬蹈笠恍@是由于上方新建隧道開挖卸荷作用引起的。左右拱腰分別發(fā)生向外側的水平位移，其值相差不大。

既有隧道二次襯砌混凝土為C40，其抗壓強度設計值為21.5 MPa，抗拉強度設計值為1.8 MPa。隨著新建隧道開挖，仰拱由受拉轉變?yōu)槭軌籂顟B(tài)，這是由上方新建隧道開挖卸荷，致使應力發(fā)生變化。拱肩始終受壓，左拱肩壓應力大于右拱肩，其主要原因是既有隧道離新建隧道左幅相對右幅近些，引起應力分布不均勻。無論是拉應力還是壓應力，均未超過二襯混凝土強度設計值。

右洞上下臺階開挖先后完成后，最終二次襯砌的位移和應力值趨于不變，圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)。

計算結果表明，三種不同臺階長度開挖施工過程中，長臺階法施工時對既有隧道影響最大，短臺階次之，超短臺階最小，但三種施工方法對既有隧道的運營安全均不存在不利影響。

5 結語

通過數(shù)值模擬對比分析，三種不同臺階長度的施工方法對既有隧道的安全運營均不產(chǎn)生影響，從工程技術角度來看，都能滿足規(guī)范和施工技術要求，綜合考慮施工進度、難易程度和施工費用等方面的因素，同時結合市政工程的實際情況，為了實現(xiàn)城市道路隧道及早通行、緩解城市交通壓力，推薦新建隧道采用長臺階法施工。

在施工過程中，要做好監(jiān)控量測，隨時掌握圍巖動態(tài)，并提前做好預支護，采用小導管注漿和管棚等措施[7]，保證圍巖的穩(wěn)定，上下臺階開挖后及時噴射混凝土和打設錨桿，做好初期支護，按照“少擾動，早噴錨，勤量測，緊封閉”的施工原則[8]，做好施工每一環(huán)節(jié)，在新建隧道施工穩(wěn)定的情況下確保既有隧道運營安全。

[1]仇文革.地下工程近接施工力學原理與對策研究[D].成都：西南交通大學，2003.

[2]畢 強，吳金剛，馬 杰.新建隧道近距離上穿既有隧道的力學分析及工程處理[J].鐵道建筑，2009(8)：262-268.

[3]劉新榮，郭子紅，裴 麗.交錯既有隧道次生力學效應三維模型試驗[J].巖土力學，2011，32(9)：2609-2616.

[4]萬 飛，譚忠盛，陳 巖.新建隧道近距離上跨既有線施工方案研究[J].北京交通大學學報，2013，37(1)：40-45.

[5]龔 倫.上下交叉隧道近接施工力學原理及對策研究[D].成都：西南交通大學，2007.

[6]陳志敏，歐爾峰，馬麗娜.隧道及地下工程[M].北京：清華大學出版社，2014.

[7]洪開榮.山區(qū)高速公路隧道施工關鍵技術.[M].北京：人民交通出版社，2011.

[8]關寶樹.隧道工程施工要點集[M].北京：人民交通出版社，2003.

Numerical Simulation Analysis on Urban Road Tunnel Construction Methods Parallel Crossing Above Existing Tunnel

ZHANG Yue，CAO Wei

(Inner Mongolia University of Science and Technology，Baotou，Inner Mongolia，014010)

An urban road small-interval tunnel is parallel crossing above the existing subway tunnel，the construction drawings show that the construction method of this new tunnel is the upper and lower short-step method.Through finite element analysis software MIDAS/GTS，this article conducted the numerical simulation analysis，compared the impact of new tunnel construction by using the different excavation step length on the deformation and internal forces of existing tunnel，and evaluated the safety of existing tunnel.Simulation analysis results showed that the new tunnel construction can adopt the long step method for the excavation，which can both ensure the safety of existing tunnel and speed up the construction progress.

New tunnel；Existing tunnels；Small-interval tunnel；Numerical simulation；Step method

U

A

10.13282/j.cnki.wccst.2016.10.017

1673-4874(2016)10-0061-05

2016-09-02

張 玥(1968—)，副教授，碩士生導師，研究方向：橋梁與隧道工程；

曹 偉(1988—)，碩士研究生，研究方向：橋梁與隧道工程。