某近接運營地鐵隧道的盾構隧道開挖穩定性分析

2018-03-08 07:13:02代勇

四川建筑 2018年1期

關鍵詞：施工

代勇

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100000)

[定稿日期]2018-01-02

地下工程對開挖比較敏感,易受擾動。當相鄰隧道比較接近時,如果不采取專門對策,則新建隧道的施工將會對既有隧道產生不利影響。如承載能力下降、甚至破壞變形過大以至于侵入凈空不均勻沉降造成相鄰隧道破損或不能正常使用等。以往對于此問題的研究相對單一,研究得還不夠充分和深入,對于現在出現的新型問題還無法解決,設計和施工還無規范、標準可循,對各類近接施工的力學機理還沒有系統的闡述。因此,目前遇到這類工程的處理結果是要么采取過于保守的對策,造成很大的浪費,要么采取過于冒險或盲目的對策,造成安全問題。因此,對相鄰隧道的近接施工問題的研究顯得尤為重要。

本文以某在建地鐵隧道作為工程依托，對近接問題進行相關的探討和分析。

1 工程概況

某軌道交通線工程，下穿既有線路盾構隧道。新建隧道與既有隧道位置分布如圖1、圖2所示，根據地質條件和線路埋設深度采用盾構法施工。隧道主要穿越強風化砂巖。兩條線路的隧道埋深分別為12.25m和22.50m。

圖1 新建隧道與既有軌道線位置示意

圖2 兩近接隧道關系

2 分析方法原理

強度折減法是通過對圍巖的剪切強度代表值進行不斷的折減直至圍巖達到極限破壞狀態為止。下面以服從摩爾—庫侖準則的材料為例來闡述強度折減法的基本原理。

令w為強度安全系數，折減后的圍巖強度可以表示如下：

根據以上的式子可以得出：

式中：c、c′分別為初始粘聚力和極限粘聚力；φ、φ′分別為初始內摩擦角和極限內摩擦角修正值。

強度折減法的主要優點有:(1)不需要假定破壞面；(2)通過分析可以比較直觀地反映圍巖的實際破壞面。

3 數值計算

3.1 計算模型

計算采用平面應變計算模型(圖3)。其中計算模型橫向取84m(左邊界距新建隧道左線30m、右邊界距既有隧道右線30m)，豎向取隧道下方25m，隧道上方取20m，縱向拉伸40m。到下土體依次為人工填土、強風化砂巖。采用實體單元，一共建立了102 640個單元來進行數值模擬。模型服從摩爾-庫倫屈服準則。應力場按自重應力場考慮。

圖3 計算模型

3.2 計算參數

結合地勘資料、《鐵路隧道設計規范》和相關文獻，進行圍巖、初支、二襯等的物理力學參數選取，具體如表1所示。

表1 圍巖、鐵軌和道床物理力學參數

3.3 整體穩定性分析

分別對只開挖既有軌道線、只開挖既有軌道線+新建左線隧道、只開挖既有軌道線+新建左線隧道+上管片、只開挖既有軌道線+新建左、右隧道等五種情況進行分析考慮。通過對其達到極限狀態下的等效塑性應變和特征點位移突變來進行綜合分析。

(1)既有運營線路開挖穩定性分析。數值模擬既有軌道線全斷面開挖且無支護條件下，隧道豎向(z方向)位移如圖4所示。通過強度折減得到的拱頂地表位移與折減系數的關系曲線圖5可知，既有軌道線隧道開挖完后的整體安全系數為1.79，處于安全狀態，地表最大沉降、拱頂最大沉降分別為1.03mm、2.61m。同時得到等效塑性應變云圖如圖6、圖7所示。由圖6可知，在K=1.89的情況下，既有軌道左、右線均形成了剪切滑移面，此時等效塑性應變從隧道拱頂到地表貫通。同時當折減系數K=1.79時。位移發生突變，由此可知開挖既有軌道線的安全系數為1.79。

圖4 右線開挖的豎向位移云圖

圖5 拱頂沉降與折減系數關系曲線

K=1.79

K=1.89圖6 等效塑性應變云圖

(2)新建隧道開挖工序分析。先開挖左線再開挖右線。在既有軌道線施作完成后，新建隧道進行施工。數值模擬求得，通過對同時開挖左右線隧道和先開挖左線再開挖右線隧道進行數值模擬，得到隧道豎向(z方向)位移如圖7～圖9所示。

圖7 新建隧道只開挖左線的豎向位移云圖

圖8 左線施作完成開挖右線的豎向位移云圖

圖9 右線開挖的豎向位移云圖

通過對地表布設監測點，得到在這兩種開挖順序下地表沉降如表2所示。

表2 隧道拱頂地表沉降匯總 mm

由表2可知，只開挖左線、開挖左線完成，施作右線、同時開挖左右線的拱頂地表位移均處于控制標準以內，開挖左線完成，施作右線和同時開挖左右線的拱頂地表沉降差值僅為0.1mm，為了加快施工建議左右線同時開挖。

開挖完成后施做支護結構如圖10所示，通過分析可知，在施作支護結構以后，支護結構的位移很小，所受的最大彎矩都很小，說明結構處于安全狀態。

圖10 右線開挖的豎向位移云圖

(3)開挖新建隧道穩定性分析。數值模擬既有軌道線開挖完成，新建隧道全斷面開挖且無支護條件下通過強度折減得到的拱頂地表位移與折減系數的關系曲線圖11可知，既有軌道線隧道開挖完后的整體安全系數為1.41，處于安全狀態，地表最大沉降、拱頂最大沉降分別為3.73mm、 5.91mm。由等效塑性應變云圖12可知，在K=1.55的情況下，既有軌道右線形成了剪切滑移面，此時等效塑性應變從隧道拱頂到地表貫通。同時新建隧道左線的等效塑性應變逐漸向地表發展。同時當折減系數K=1.41時。位移發生突變。