小間距立體交叉隧道上穿施工結(jié)構變形分析

陳濤

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司湖北武漢430063)

1 前言

隨著我國經(jīng)濟迅猛發(fā)展，軌道交通的建設進入了高速、高質(zhì)量的發(fā)展階段。而在各類城市軌道交通中地鐵交通以其運量大、安全環(huán)保等優(yōu)點備受青睞。而已建地鐵隧道線路交錯發(fā)達以及城市群的高密集度，使得在隧道修建過程中，既有建筑物對新建隧道的影響不可忽視。因此在空間位置上新建隧道與既有隧道相互疊落的概率逐漸增高，小間距隧道施工受到廣泛關注。而小間距立體交叉隧道的修建對周圍土體造成擾動，引起地表沉降以及對既有隧道襯砌的影響不可忽視。因此，對隧道施工進行風險評估的重要性不言而喻。

關于城市地鐵隧道穿越施工對既有線造成的影響，相關學者已經(jīng)進行了一些研究。Peck[1]在1969年針對地表沉降問題，提出了地層損失的概念，并認為隧道開挖造成的沉降槽符合高斯分布；Mindlin[2]基于彈性理論，得到了半無限體空間內(nèi)任一點受力時產(chǎn)生位移、應力的解析解；許有俊[3]等運用Mindlin解得到了等效矩形荷載四角點下某點處的應力解，同時運用疊加原理推出地層任一點在隧道穿越施工時豎向應力解；Loganathan和 Poulos[4]推出了隧道開挖引起黏土地層地表位移的解析解；Dias和Kastner[5]采用數(shù)值模擬的方法，分析了盾構掘進時地層應力及位移的變化情況，再對比監(jiān)測結(jié)果，使得模型的有效性得以驗證；房明[6]等基于廣州地鐵某工程，對新建隧道下穿既有線的施工過程進行模擬，并對隧道在不同條件下對既有隧道位移與應力的影響進行了分析；牛雪凱[7]等對小間距隧道施工控制問題展開研究并提出了系統(tǒng)可行的方案；王明年[8]等通過模型試驗、數(shù)值模擬等方法對小間距平行淺埋隧道力學特性進行分析，探討了不同施工方法對隧道施工的影響；王振田[9]等采用數(shù)值模擬方法，對成都地鐵5號線超小凈距隧道地表沉降及土體應力狀況進行了分析。

本文結(jié)合深圳地鐵8號線工程，采用層次分析法對小間距立體交叉隧道施工影響因素進行評價；另外采用兩階段應力法，基于Mindlin解求解新建隧道產(chǎn)生的附加應力場，繼而求得附加應力場作用對既有隧道襯砌的影響。

2 小間距立體交叉隧道施工及安全性評價

2.1 工程概況

深圳市地鐵8號線擬建停車場出入線區(qū)段位于深圳市鹽田區(qū)沙頭角，本文所選斷面為望基湖出場線與鹽深區(qū)間疊落段，如圖1所示。望基湖出場線與鹽深區(qū)間埋深約為25 m。根據(jù)勘察數(shù)據(jù)，地表主要為微風化凝灰?guī)r(W1)，圍巖級別為Ⅱ級。

2.2 安全性評價過程及結(jié)果分析

圖1 出場線與鹽深區(qū)間疊落段位置關系剖面(單位：mm)

在確定評價指標時選用綜合分析法，先指定最初一級的評判指標，然后對評價指標進一步劃分。針對小間距立體交叉隧道的自身特點，將第一層劃分為3個方面進行研究。考慮新建隧道施工對既有結(jié)構影響，以及施工因素、水文地質(zhì)條件等的影響，確定準則層。最后將準則層繼續(xù)細分，確定具體影響指標，分別用C1～C9表示，如圖2所示。

圖2 隧道工程施工階段風險多級層次結(jié)構模型

2.2.1 構造風險判斷矩陣及計算權重并檢驗

(1)水文地質(zhì)與工程地質(zhì)條件(B1)

水文地質(zhì)與工程地質(zhì)條件中不良地質(zhì)對小間距立體交叉隧道施工安全的影響最大，權重占水文地質(zhì)與工程地質(zhì)條件因素的70.1%；其次為圍巖級別，占全部因素的19.3%；最后為地下水位，權重占全部因素的10.6%。

(2)對既有結(jié)構影響(B2)

對既有結(jié)構影響是小間距立體交叉隧道施工風險的致險因子，主要包括圍巖位移、襯砌應力和地表沉降3方面。

施工風險評估中，根據(jù)勘察設計報告，結(jié)合特有工作斷面，通過理論分析與實例統(tǒng)計研究，得到了如下層次判斷矩陣:

對既有結(jié)構影響各要素中，圍巖位移對小間距立體交叉隧道施工安全的影響最大，權重占對既有結(jié)構影響因素的63.5%；其次為襯砌應力，占全部因素的28.7%；最后為地表沉降，權重占全部因素的7.8%。

(3)施工因素(B3)

施工因素是小間距立體交叉隧道施工風險的致險因子，主要包括開挖支護方法、地層預加固法、監(jiān)控量測3方面。

由于開挖支護方案與工法不適于隧道施工地質(zhì)情況，人員技術熟練程度低、欠缺有效的施工組織管理、支護不及時和強度不夠等而產(chǎn)生施工事故，這些均是風險事故的致險因子[10]。施工風險評估中，從開挖支護方法、地層預加固法、監(jiān)控量測均從方案、人員、設備與管理四方面建立層次結(jié)構模型，得到如下判斷矩陣:

權向量ωB3-C＝[0.500 0.250 0.250]，CI＝-4.441×10-16，CR＝ -7.657 ×10-16＜0.1，λmax＝3.000，滿足一致性條件。

開挖支護方法、地層預加固法和監(jiān)控量測所占權重分別為50.0%、25.0%、25.0%。統(tǒng)計研究表明合理、必要的開挖支護方案是降低小間距立體交叉隧道施工風險的關鍵，所占權重均在50%以上；地層預加固法和監(jiān)控量測也直接影響小間距立體交叉隧道施工的安全性，所占權重均為25%。

2.2.2 因素總排序與權值分析

如圖3所示，總排序權向量ωA1st-C＝[0.3650.194 0.069 0.178 0.080 0.022 0.047 0.023 0.023]，一致性檢驗與權值分析如前所述，權值由大到小依次為ωC1＞ωC2＞ωC4＞ωC5＞ωC3＞ωC7＞ωC8＝ωC9＞ωC6。 不良地質(zhì)、地下水位和圍巖位移對小間距立體交叉隧道施工風險的影響最大，權重之和高達73.6%；圍巖級別、襯砌應力和開挖支護方法，權重之和為19.6%；地表沉降、地層預加固法、監(jiān)控量測，三者之和占權重6.8%。

圖3 斷面評估模型因素權重柱狀圖(C層)

3 新建隧道上穿對既有線的影響分析

對疊交穿越問題本文采用兩階段應力法分析。先計算新建隧道施工作用于既有隧道的附加位移場或者自由應力場；第二階段則把第一階段得到的應力場或者位移場施加給既有隧道，采用有限差分、彈性理論法或彈性地基梁模型來分析既有隧道的內(nèi)力以及縱向變形的變化情況[11]。

3.1 兩階段應力法

由于新建隧道的施工，使既有隧道上部土體卸荷，產(chǎn)生豎向附加應力，可將既有隧道等效為施有附加分布荷載的彈性地基無限長梁。第二階段基于彈性地基梁模型，將第一階段所得到的土體位移或應力作用到彈性地基梁模型，得到如下控制方程:

式中，EI為隧道等效抗彎剛度；W(x)為隧道開挖引起既有線的附加位移；P(x)為隧道開挖引起既有線的附加荷載；D為隧道外徑；k為基床系數(shù)；σ為新建隧道開挖作用到既有隧道上的附加位移。

3.2 Mindlin解求附加應力場

本文采用Mindlin應力解求解既有隧道的卸荷附加應力。隧道上穿卸載模型如圖4所示，既有地鐵隧道卸荷附加應力計算模型如圖5所示。

圖4 隧道上穿卸載模型

圖5 既有地鐵隧道卸荷附加應力計算模型

新建隧道的卸荷力在既有隧道上的某點(x，0，Z)處(既有地鐵隧道上的點y坐標為0)產(chǎn)生的卸荷附加應力[12]為:

式中，Γ為積分區(qū)域；R1為卸荷力作用點到影響點的距離；R2為卸荷力作用點關于ξoη平面內(nèi)的對稱點與影響點的距離。

各參數(shù)取值根據(jù)現(xiàn)場實際工況、詳勘資料、相關規(guī)范等確定。綜上，以上情況下所取參數(shù)分別為ξ＝19.2 m，η＝6.4 m，μ＝0.17，Z1＝118.421 m，h1＝109.404 m，p＝26.8 kN·m3，既有隧道直徑D＝6.4 m，基床系數(shù)k＝5×104kN/m3，E＝3.45×107kPa，I＝82.355 m4。由MATLAB求解結(jié)果繪制卸荷附加應力與其到既有隧道中心距離關系曲線，見圖6。

圖6 斷面卸荷附加應力與其到既有隧道中心距離關系曲線

由圖6可知，新建隧道的修建導致既有隧道附近產(chǎn)生的附加應力整體大致呈高斯分布，至距離疊落點大約兩倍洞距時，遞減速率放緩，逐漸趨于零。因此新建隧道對既有隧道的卸荷作用影響主要集中于交叉疊落點正下方兩倍洞距的既有隧道區(qū)域。

4 數(shù)值計算分析

4.1 計算模型

隧道模型空間位置如圖7所示，出場線與鹽深區(qū)間左線的疊落段最小凈距為3 m。隧道一次開挖進尺默認為4 m，且均為上下臺階法開挖。從上往下巖層劃分為素填土、強風化凝灰?guī)r、中風化凝灰?guī)r、微風化凝灰?guī)r。模型底部為固定邊界，四周為滑動邊界，頂部為自由邊界。

圖7 隧道線路空間位置關系

4.2 數(shù)值模擬與理論計算對比

將通過Midas GTS建模分析得到的結(jié)果與兩階段應力法求得的既有隧道位移進行對比，如圖8所示。

圖8 理論計算值與模型計算值對比曲線

4.3 結(jié)果分析

模型的沉降變形云圖見圖9。由圖9可知，出場線隧道在交叉段施工對既有隧道的沉降影響有限，最大沉降量為2.73 mm，位于出場線的拱頂；最大隆起位置位于鹽深區(qū)間的拱底，為1.93 mm。最大沉降和隆起位置相距較近，均位于距離上下交叉段約11 m處。

圖9 模型沉降變形云圖

5 結(jié)論

本文運用層次分析法對小間距隧道施工中新建隧道上穿對既有隧道結(jié)構進行了風險評價，得出小間距立體交叉隧道施工風險最大影響因素為不良地質(zhì)、地下水位和圍巖位移。通過兩階段位移法及數(shù)值模擬，求取新建隧道誘導既有隧道產(chǎn)生的位移，并進行對比分析，得到以下結(jié)論:

(1)通過層次分析法分析，得出不良地質(zhì)、地下水位和圍巖位移對小間距立體交叉隧道施工風險影響最大的結(jié)論，權重之和高達73.6%。

(2)當新建隧道穿越后，既有隧道卸荷附加應力沿隧道縱向服從高斯分布，由兩隧道疊交點向既有隧道兩側(cè)衰減，超過兩倍洞距范圍后衰減速度變緩，大約40 m處之后趨于穩(wěn)定。因此新建隧道對既有隧道的卸荷作用影響主要集中于交叉疊落點正下方兩倍洞距的既有隧道區(qū)域。

(3)計算結(jié)果表明，新建隧道在交叉段施工引起既有隧道沉降最大值為2.73 mm，位于既有隧道的拱頂位置；隆起最大值為1.93 mm，位于既有隧道的拱底。最大沉降和隆起位置相距較近，均位于距離上下交叉段約11 m處。