不同近接模式下隧道施工荷載分布規律研究

魯 彬, 曹興隆

(中鐵開發投資有限公司, 重慶 404100)

隨著我國城市化進程快速發展，城市空間利用更多的表現為地下空間的利用，地鐵、地下停車場、地下交通隧道和綜合管廊等的建設如火如荼。地下空間不斷拓展使隧道近接施工問題越發顯著。

國內外學者對于近接隧道襯砌荷載計算展開了相應的研究。Zhou Xiaojun[1]等通過大量的半圓拱直墻隧道模型研究了淺埋近接隧道寬開挖度及埋深對隧道圍巖壓力的影響；Wang Lichuan[2]等通過數值模擬得出了淺埋近接隧道圍巖壓力計算方法及破壞模式；Bai Zhe[3]等通過數值模擬得出了深河谷地形下的淺埋近接隧道的圍巖壓力計算理論；肖明清[4]對淺埋近接隧道圍巖壓力與分布進行了理論分析并提出了相應的計算方法；喻軍[5]基于雙坍落拱理論根據中夾巖壁下沉的大小深、淺埋近接隧的荷載模式；舒志樂[6]對偏壓近接隧道圍巖壓力進行了探討得出了圍巖壓力的理論計算公式；龔建伍[7]結合近接隧道的特點提出了淺埋隧道圍壓壓力的分析模型和計算方法等。但目前國內外對于兩近接隧道在不同位置不同凈距下的荷載影響及分布模式研究較少。

本文依托某地鐵區間隧道，以JTG D70-2004《公路隧道設計規范》[8]荷載設計方法為基礎，運用ANSYS軟件研究了不同位置及凈距下的荷載影響及分布模式，為相似工程提供設計參考。

1 工程背景

本研究依托工程(采用盾構施工，盾構單洞直徑5.7 m，兩洞間距13 m)先開挖完成一條隧道后開挖第二條隧道。隧道下穿既有軌道交通區間隧道(采用鉆爆法施工，鉆爆法隧道最大水平距離9.6 m，最大豎向距離6.9 m，初襯0.27 m，二次襯砌0.45 m)，下穿段結構豎向最小凈距2.57 m。

2 模型及地質參數

數值模擬采用ANSYS有限元軟件，圍巖采用摩爾-庫倫模型，鉆爆法隧道襯砌及管片均采用彈性模型。根據隧道開挖影響的一般規律，隧道開挖對圍巖左右水平的影響范圍為隧道直徑的4～5倍，對下部圍巖的影響范圍為隧道直徑的2～3倍，上部圍巖的影響范圍取到地表。綜上確定模型水平長90 m，豎向長50 m，為了方便研究，選擇一典型橫斷面地層為標準，固定鉆爆法隧道為地表之間的距離，縱向取1.5 m(一環管片縱向距離)，如圖1所示。既有隧道襯砌厚度450 mm，取等效直徑為10 m。復合式盾構雙洞隧道位于鉆爆法隧道下方，直徑為5.7 m，兩隧道間距13 m。圍巖及襯砌參數見表1。

圖1 典型橫截面

表1 圍巖及襯砌參數

3 深埋近接隧道荷載影響及分布模式研究

3.1 規范法圍巖壓力計算方法

既有線隧道主要影響段埋深為18～30 m，圍巖主要為砂質泥巖。取圍巖等級為Ⅳ級，荷載高度Hq=0.45×24-1×[1+0.1×(6.6-5)]= 4.176m；主要影響段頂部以上巖層厚度大于2.5Hq，判定為深埋洞室。

JTG D70/2-2004《公路隧道設計規范》規定，計算深埋隧道襯砌時，圍巖壓力按松散壓力考慮，其垂直及水平勻布壓力：頂部圍巖壓力q= 91.1kPa；水平均布壓力系數取0.15，e=0.15q=13.7kPa。

3.2 水平情況下荷載分布情況

通過ANSYA地層結構模型(圖2)，建立管片與地層接觸面分析水平平行情況下，隧道間凈距分別為0.3D、0.4D和0.5D三種工況。

圖2 水平平行模型

當只開挖盾構隧道時，提取接觸面法向應力，隧道拱頂接觸面應力如圖3所示。拱頂法向應力為91.8 kPa，與隧規計算值91.1 kPa誤差極小，表明了模型及接觸面的合理性。

為更加清楚地分析不同工況下盾構隧道受到的圍巖壓力的大小和分布規律，將隧道受到的圍巖荷載分為六個區域進行對比分析，如圖4所示。

圖3 接觸應力云圖

圖4 圍巖荷載分區

既有隧道開挖前后，各工況下接觸面應力值變化如表2。

從表2可以看出：

(1)隨著凈距的增大，各部位荷載附加值呈減小趨勢，即隨著凈距的增大，荷載附加值逐漸減小。

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表2 不同工況下圍巖壓力變化值結果 kPa

(2)水平近接影響情況下，靠近既有隧道一側豎向荷載與水平荷載附加值明顯大于遠離既有隧道一側豎向荷載與水平荷載附加值。

(3)豎向荷載區域，左半部荷載附加值遠小于右半部荷載附加值。水平荷載區域上部水平荷載附加值均在一定程度上強于下部水平荷載附加值。

對于水平近接情況荷載，根據各部分荷載增加值情況，可將上部與左部荷載增加值等效為一個三角附加荷載，將右部分水平荷載等效為一個均布附加荷載，見圖5。

圖5 水平情況下荷載分布示意

將總荷載按上述分布模式分別分布到各部位可得表3(式中e、q為規范計算下荷載取值，下同)。

表3 各部分隧道設計值

3.3 斜交45 °情況下荷載分布情況

通過ANSYA地層結構模型，通過建立管片與地層接觸面分析斜交45 °情況下，隧道間凈距分別為0.3D、0.4D和0.5D三種工況。如圖6所示。

圖6 斜交45°模型

當只開挖盾構隧道時，提取接觸面法向應力，其拱頂法向應力為90.8 kPa，與隧規計算值91.1 kPa誤差極小，表明了模型及接觸面的合理性。

同上節相似，既有隧道開挖前后，各工況下各部分接觸面應力值變化如表4所示。

表4 不同工況下圍巖壓力變化值結果 kPa

從表4可以看出：

(2)受既有隧道開挖影響，靠近既有隧道一側水平荷載附加值明顯小于遠離既有隧道一側水平荷載附加值。靠近既有隧道一側拱頂豎向荷載附加值大于遠離既有隧道一側豎向荷載附加值。

(3)豎向荷載區域，左半部荷載增量大于右半部荷載增量。左部水平荷載區域上部水平荷載增量遠小于下部水平荷載增量，右部水平荷載區域上部附加值小于下部水平荷載附加值。

對于斜交45 °情況荷載，根據各部分荷載增加值情況，可將上部與左部荷載增加值等效為一個三角附加荷載，將右部分水平荷載等效為一個均布附加荷載，見圖7。

圖7 斜交情況下荷載分布示意

將總荷載按上述分布模式分別分布到各部位如表5所示。

表5 不同工況下圍巖壓力變化值結果 kPa

3.4 上下重疊情況

通過ANSYA地層結構模型，通過建立管片與地層接觸面分析上下重疊，隧道間凈距分別為0.3D、0.4D和0.5D三種工況。如圖8所示。

圖8 斜交45°模型

當只開挖盾構隧道時，提取接觸面法向應力，其中拱頂法向應力為91.3 kPa，與隧規計算值91.1 kPa誤差極小，表明了模型及接觸面的合理性。既有隧道開挖前后，各工況下各部分接觸面應力值變化如表6所示。

表6 不同工況下圍巖壓力變化值結果 kPa

從表6可以看出：

(1)由于上部既有隧道開挖，各部分附加荷載都為負值，隨著凈距的增大，附加荷載的大小逐漸降低。

(2)由于既有隧道位于正上方，豎向附加荷載與水平附加荷載呈對稱分布。且下部水平附加荷載大于上部水平附加荷載。

(3)豎向荷載附加值明顯大于水平荷載的附加值，表明拱頂受開挖影響更大。

對于上下重疊情況荷載，根據各部分荷載增加值情況，可將左部與右部水平荷載附加值等效為一個三角附加荷載，將豎直附加荷載等效為一個均布附加荷載，見圖9。

圖9 斜交情況下荷載分布示意

由于所有附加荷載都為負值，保守起見，可采用規范荷載作為隧道設計荷載。

4 應用實例

依托工程區間隧道左右線與既有線隧道凈距及位置不斷變化，按照近接分區結果將近接隧道沿線路縱向進行分段，相應的設計按表7所示。

表7 近接影響區段

5 結論

本文基于依托工程地質與埋深情況，通過數值模擬分析了不同凈距及位置下的荷載附加值，并基于荷載變化情況給出了相應的荷載分布模式。

(1)水平平行及斜交45°情況下，隨著凈距的增大，各部位荷載附加值呈減小趨勢，即隨著凈距的增大，荷載附加值逐漸減小。受既有隧道開挖影響，靠近既有隧道一側水平荷載附加值明顯小于遠離既有隧道一側水平荷載附加值。靠近既有隧道一側拱頂豎向荷載附加值大于遠離既有隧道一側豎向荷載附加值。

(2)上下垂直情況下，由于上部既有隧道開挖，各部分附加荷載都為負值，隨著凈距的增大，附加荷載的大小逐漸降低。豎向附加荷載與水平附加荷載呈對稱分布，且下部水平附加荷載大于上部水平附加荷載。