近距離下穿大直徑隧道擾動(dòng)效應(yīng)分析

李軍發(fā)

（山西省交通科技研發(fā)有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

隨地下空間發(fā)展，隧道施工會(huì)對(duì)近距離既有隧道產(chǎn)生擾動(dòng)。相關(guān)研究認(rèn)為[1]，近距離下穿施工對(duì)既有隧道擾動(dòng)影響較大，施工風(fēng)險(xiǎn)較高。為確保既有隧道安全，需進(jìn)行理論分析并制定嚴(yán)密施工控制方案。

隧道下穿既有線路施工安全分析已有相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，朱紅霞等[2]基于武漢地鐵3號(hào)線斜交下穿地鐵2號(hào)線工程，提出了對(duì)既有線路的加固體系；祝思然等[3]以北京地鐵某區(qū)間盾構(gòu)斜交下穿既有隧道工程為背景，對(duì)盾構(gòu)近距離下穿既有線路的整個(gè)過(guò)程進(jìn)行了調(diào)查、研究與分析；袁金秀等[4]結(jié)合北京6號(hào)線斜交下穿既有盾構(gòu)區(qū)間的礦山法隧道施工實(shí)例，從隧道支護(hù)機(jī)理出發(fā)，介紹了該隧道施工方案；靳曉光等[5]結(jié)合重慶市渝中區(qū)朝天門大型互通式地下下穿工程，對(duì)下穿平交（15°）和上下正交兩種情況鉆爆法動(dòng)態(tài)施工力學(xué)進(jìn)行研究；方勇等[6]采用三維有限元方法對(duì)正交下穿盾構(gòu)隧道施工進(jìn)行數(shù)值模擬，分析新隧道動(dòng)態(tài)掘進(jìn)對(duì)既有隧道位移、變形和內(nèi)力的影響。隨地下空間發(fā)展及空間利用率提升，近距離下穿工程數(shù)量將增加。因此，針對(duì)隧道下穿情況，亟待開(kāi)展近距離雙線下穿對(duì)既有隧道及地表擾動(dòng)機(jī)理研究。

基于此，以某下穿隧道施工工程為例，采用FLAC 3D軟件對(duì)隧道近距離下穿既有線進(jìn)行三維建模仿真，對(duì)比數(shù)值模擬與實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果來(lái)驗(yàn)證模型合理性，分析下穿線路施工對(duì)地表沉降、既有線路沉降及襯砌應(yīng)力擾動(dòng)效應(yīng)。研究成果可為近距離隧道下穿既有線工程施工安全及優(yōu)化施工控制措施提供理論參考。

1 工程概況

1.1 下穿工程

某既有隧道（以下稱1號(hào)隧道）左線長(zhǎng)715 m，右線長(zhǎng)690 m；新建隧道（以下稱2號(hào)隧道）左線長(zhǎng)483 m，右線長(zhǎng)493 m。重疊區(qū)域2號(hào)隧道和1號(hào)隧道左線隧道的相對(duì)關(guān)系具體為1號(hào)隧道左線與2號(hào)隧道左右線斜交，最后2號(hào)隧道下穿1號(hào)隧道，1號(hào)隧道位于上方，下穿段長(zhǎng)度約為120 m，2號(hào)隧道左右線最小間距為3.0 m，最小埋深為16.6 m，1號(hào)隧道左右線最小間距為8.45 m，最小埋深為9.7 m。1號(hào)隧道左線與2號(hào)隧道左線段隧道間最小凈距僅4.2 m，1號(hào)隧道右線與2號(hào)隧道右線段隧道間最小凈距僅為3.578 m。

1.2 工程地質(zhì)與水文條件

工程場(chǎng)地內(nèi)地下水主要為：上層滯水、第四系松散巖類孔隙潛水，埋深在2.0～11.0 m的范圍內(nèi)，接受側(cè)向徑流補(bǔ)給，水量較為豐富，隧道所處黏土層，土體滲透性較差，可認(rèn)為不透水。

依據(jù)地質(zhì)勘察資料及設(shè)計(jì)資料，場(chǎng)址范圍內(nèi)地巖層及主要物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 地層物理力學(xué)參數(shù)

2 三維建模

2.1 三維模型

采用FLAC 3D軟件建立三維有限差分模型，本構(gòu)模型為Mohr-Coulomb模型，隧道襯砌采用實(shí)體線彈性模型構(gòu)建。模型尺寸參數(shù)為：底部（Z向）距2號(hào)隧道中心線28 m，頂部距離2號(hào)隧道中心線高度20 m，左右兩側(cè)離2號(hào)隧道中心線為42 m，為了與實(shí)際工程對(duì)應(yīng)，模型縱向（Y向）取120 m；1號(hào)及2號(hào)隧道內(nèi)徑分別為11.4 m和9.8 m，襯砌厚度為0.3 m，模擬簡(jiǎn)化為圓形襯砌。模型約束條件為：底面（Z=-30），限制其Z方向位移；側(cè)面（X=-45,45 m），限制其X方向位移；表面（Z=51）為地表，為自由邊界；網(wǎng)格劃分的原則是距離隧道開(kāi)挖部分較近的地方網(wǎng)格劃分較密，距離隧道開(kāi)挖部分較遠(yuǎn)的地方網(wǎng)格劃分較疏。隧道下穿模型見(jiàn)圖1。

圖1 計(jì)算模型

2.2 參數(shù)選取

構(gòu)建計(jì)算模型時(shí)，土層物理力學(xué)參數(shù)根據(jù)表1中參數(shù)選取。根據(jù)大量統(tǒng)計(jì)資料，認(rèn)為地層加固數(shù)值模擬時(shí)，加固區(qū)材料的黏聚力值、內(nèi)摩擦角和彈性模量可相應(yīng)提高20%，本模型對(duì)地層加固區(qū)域參數(shù)選取采用此原則。隧道襯砌參數(shù)根據(jù)實(shí)際工程的襯砌參數(shù)取值，1號(hào)和2號(hào)隧道襯砌采用C35鋼筋混凝土，襯砌參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 隧道襯砌參數(shù)

2.3 模擬工況

工程施工階段，先開(kāi)挖2號(hào)隧道右線，待右線貫通后再開(kāi)挖2號(hào)隧道左線，隧道施工速度不變。計(jì)算模型中隧道左右線施工共分為120個(gè)工況步模擬，每個(gè)工況步進(jìn)尺2 m。2號(hào)隧道右線開(kāi)挖步60個(gè)，開(kāi)挖120 m；左線開(kāi)挖步60個(gè)，開(kāi)挖120 m；并施作襯砌結(jié)構(gòu)，開(kāi)挖后土體采用軟件自帶的null單元模擬。

3 結(jié)果與分析

3.1 拱頂沉降數(shù)值分析

數(shù)值模型中，在1號(hào)隧道左線拱頂分別設(shè)置ZGD-01～ZGD-09共9個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的拱頂沉降模擬計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖2和圖3。

圖2 開(kāi)挖階段1號(hào)隧道左線沉降曲線

圖3 開(kāi)挖階段1號(hào)隧道右線沉降曲線

從圖2和圖3可看出，通過(guò)FLAC 3D計(jì)算所得的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位沉降曲線發(fā)展趨勢(shì)與實(shí)際監(jiān)測(cè)中監(jiān)測(cè)點(diǎn)位沉降曲線發(fā)展趨勢(shì)接近。數(shù)值模擬的各點(diǎn)沉降最大值與實(shí)際監(jiān)測(cè)沉降最大值誤差在5%內(nèi)，驗(yàn)證了數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性。

3.2 地表沉降分析

圖4 地表沉降曲線圖

地表橫向沉降曲線如圖4，呈“U型槽”狀。從圖4中可看出，2號(hào)隧道右線貫通后，地表沉降最大值為2.9 mm，地表沉降最大點(diǎn)位靠近2號(hào)隧道右線上方；2號(hào)隧道雙線貫通后，地表沉降最大值為3.8 mm，沉降最大點(diǎn)位靠近2號(hào)隧道左線上方。雙線貫通后，地表沉降值較小，說(shuō)明注漿措施能有效控制地層損失率，減小地表的沉降。

3.3 隧道襯砌沉降分析

1號(hào)隧道左右線拱腰及拱底沉降曲線如圖5～圖10所示。

圖5 2號(hào)隧道施工階段1號(hào)隧道右線左拱腰沉降

圖6 2號(hào)隧道施工階段1號(hào)隧道右線右拱腰沉降

圖7 2號(hào)隧道施工階段1號(hào)隧道右線仰拱底沉降

圖8 2號(hào)隧道施工階段1號(hào)隧道左線右拱腰沉降

圖9 2號(hào)隧道施工階段1號(hào)隧道左線左拱腰沉降

圖10 2號(hào)隧道施工階段1號(hào)隧道左線仰拱底沉降

從圖5、圖6、圖8和圖9中可看出，2號(hào)隧道右線貫通后，1號(hào)隧道右線的沉降比1號(hào)隧道左線沉降大，1號(hào)隧道右線最大沉降為4.14 mm，最大沉降位置為1號(hào)隧道右線左側(cè)拱腰處，1號(hào)隧道右線左右拱腰的最大沉降差為3.12 mm，1號(hào)隧道左線最大沉降為2.10 mm，左右拱腰的最大沉降差為1.28 mm；雙線貫通后，1號(hào)隧道左右線最大沉降差較小，1號(hào)隧道右線最大沉降值為7.75 mm，最大沉降位置為左側(cè)拱腰，左右拱腰最大沉降差為6.48 mm；1號(hào)隧道左線最大沉降為7.68 mm，左右拱腰最大沉降差為6.4 mm；從圖7和圖10中可看出，仰拱底的沉降相對(duì)較小，且受開(kāi)挖位置的影響較大。

3.4 隧道襯砌應(yīng)力分析

2號(hào)隧道未施工時(shí)，1號(hào)隧道襯砌最大應(yīng)力為7.798×105Pa，位置為靠近拱頂兩側(cè)位置；2號(hào)隧道右線貫通后，1號(hào)隧道襯砌最大應(yīng)力為9.314×105Pa，相比開(kāi)挖前，增加19%，最大應(yīng)力位置在靠近拱頂兩側(cè)處；靠近2號(hào)隧道的一側(cè)仰拱底附近應(yīng)力增大最為顯著，應(yīng)力增加80%，且最大應(yīng)力位置有向靠近2號(hào)隧道一側(cè)仰拱底位置發(fā)展的趨勢(shì)。2號(hào)隧道雙線貫通后，1號(hào)隧道襯砌最大應(yīng)力為1.124×106Pa，相比開(kāi)挖前，最大應(yīng)力增加44%；拱頂應(yīng)力為1.036×106Pa，相比開(kāi)挖前，拱頂應(yīng)力增加32%，此時(shí)最大應(yīng)力位置靠近2號(hào)隧道一側(cè)仰拱底附近。開(kāi)挖前和開(kāi)挖后應(yīng)力位置和大小變化都比較明顯。因此，施工過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)既有線隧道襯砌的應(yīng)力監(jiān)測(cè)，防止既有線隧道襯砌受損。

4 結(jié)論

a）基于FLAC 3D構(gòu)建了施工隧道下穿既有線三維數(shù)值模型，模擬計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際監(jiān)控結(jié)果較吻合，說(shuō)明所建數(shù)值模型及采用的相關(guān)參數(shù)合理可靠，對(duì)實(shí)際工程有參考價(jià)值。

b）下穿既有線施工過(guò)程中，既有線拱腰位置處沉降最大，且兩側(cè)拱腰沉降差較大，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)既有線拱腰位置監(jiān)測(cè)，必要時(shí)應(yīng)對(duì)土層進(jìn)行超前注漿加固處理。

c）下穿施工過(guò)程中對(duì)既有線隧道襯砌應(yīng)力影響較大，襯砌最大應(yīng)力增幅達(dá)80%。為保護(hù)既有線隧道結(jié)構(gòu)安全，新建隧道施工時(shí)，應(yīng)監(jiān)測(cè)既有線隧道襯砌應(yīng)力，防止其受施工影響變化過(guò)大。