基于PFC3D的新建下穿隧道對(duì)既有隧道的影響分析

黃春峰，趙蘇文，孫淼軍，邱烈望

(1.上海鐵路樞紐建設(shè)指揮部，上海 200071；2.中國電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 311122；3.浙江華東建設(shè)工程有限公司，浙江 杭州 310010；4.新疆大學(xué)建筑工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830046)

0 引 言

近年來，隨著城市的不斷發(fā)展，交通壓力不斷增大，促使城市地下交通網(wǎng)絡(luò)不斷發(fā)展和完善，越來越多的隧道之間的交叉穿越工程不斷增多。既有運(yùn)營隧道在施工時(shí)已經(jīng)對(duì)周圍的土體產(chǎn)生了一定范圍的擾動(dòng)，破壞了土體原有的平衡狀態(tài)。因此，研究新建隧道下穿既有隧道施工時(shí)對(duì)既有隧道的影響是十分重要的。

對(duì)于新建下穿隧道施工對(duì)既有隧道影響的研究，一般采用實(shí)測(cè)分析、數(shù)值模擬、模型試驗(yàn)和理論計(jì)算[1- 4]等方法。楊福麟等[5]運(yùn)用有限元數(shù)值模擬軟件MIDAS/GTS，對(duì)隧道開挖引起的沉降進(jìn)行了模擬研究。李鵬等[6]應(yīng)用三維有限元數(shù)值方法，研究了新建盾構(gòu)隧道施工引起既有越江隧道的變形及其內(nèi)力變化規(guī)律。王堅(jiān)[7]采用數(shù)值分析和有限元仿真數(shù)值模擬，對(duì)地鐵隧道開挖引起的沉降和既有隧道結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行了研究。Zhang等[8]采用模型試驗(yàn)和有限元軟件模擬新建隧道對(duì)現(xiàn)有隧道的影響，揭示了結(jié)構(gòu)內(nèi)力、土體應(yīng)力的變化規(guī)律。甘曉露等[9]采用Pasternak 彈性地基梁模型和Loganathan-Polous解，提出雙線隧道下穿作用下既有隧道縱向變形的簡化計(jì)算方法，利用指數(shù)曲線公式量化雙線隧道開挖引發(fā)土體損失之間的差異。Zhao等[10]基于Midas數(shù)值模型評(píng)價(jià)了左線和右線開挖方案對(duì)新開挖和既有隧道變形特性的影響，確定了左線優(yōu)先開挖的優(yōu)勢(shì)，采用施工監(jiān)測(cè)方法，分析了既有隧道的沉降和水平變形特征。此外，還有許多學(xué)者在地鐵隧道開挖穩(wěn)定性分析中采用理論和數(shù)值模擬等方法進(jìn)行了相關(guān)研究[11-12]。

新建隧道下穿既有隧道有平行、斜交、正交下穿等方式。本文采用離散元PFC3D，以烏魯木齊地鐵河南路段區(qū)間工程為例，模擬分析新建地鐵隧道正交下穿時(shí)對(duì)既有隧道的影響，計(jì)算分析新建地鐵隧道在開挖過程中周圍土體的位移、應(yīng)力變化，以及既有隧道在新建隧道開挖過程中的位移和應(yīng)力變化。

1 工程概況

烏魯木齊地鐵河南路段區(qū)間建設(shè)中3號(hào)線與4號(hào)線形成交叉穿越隧道，其中3號(hào)線在該區(qū)間為既有隧道，隧道半徑為2.8 m。既有隧道頂端上覆土層厚度為11 m，在地表處有較薄雜填土層，新建隧道頂端到既有隧道底部距離為11 m。既有隧道與新建隧道位置關(guān)系見圖1。既有隧道和新建隧道主要處在粉質(zhì)黏土地層中。新建隧道與既有隧道外徑均為5.6 m，管片厚度為0.35 m，每環(huán)管片擬采用長度為1.2 m。不考慮地下水對(duì)隧道施工的影響。

圖1 既有隧道與新建隧道位置關(guān)系(單位：m)

2 離散元數(shù)值建模

2.1 理論基礎(chǔ)

顆粒流(PFC)計(jì)算方法[13]是一種離散元計(jì)算方法。在PFC中顆粒與顆粒之間遵循牛頓第二定律和力-位移定律，可直接模擬圓形顆粒的運(yùn)動(dòng)和互相作用問題，同時(shí)可以有效模擬大變形問題。在離散元PFC3D中提供了多種接觸模型，本文采用線性平行粘結(jié)接觸模型，該模型在顆粒間接觸點(diǎn)處具有恒定的法向剛度和切向剛度，并允許在接觸間產(chǎn)生張力。根據(jù)力-位移定律，接觸力和彎矩計(jì)算公式為

(1)

(2)

2.2 模型建立

本文采用離散元軟件PFC3D建立三維數(shù)值模型，建立的模型尺寸為45 m×44 m×48 m。為提高計(jì)算效率，建立模型時(shí)對(duì)顆粒尺寸按一定比例進(jìn)行放大。模型生成33 762個(gè)顆粒。離散元模型見圖2。計(jì)算模型土層及襯砌物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 土層及襯砌物理力學(xué)參數(shù)

圖2 離散元初始三維模型

為分析新建下穿隧道對(duì)既有隧道的影響，在模型周圍設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，用于監(jiān)測(cè)新建隧道開挖過程中隧道周圍位移和應(yīng)力變化。共設(shè)置52個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置及編號(hào)見圖3。其中，監(jiān)測(cè)點(diǎn)1、16距既有隧道軸線(Y方向)17.75 m，監(jiān)測(cè)點(diǎn)1～8、9～16之間間隔2 m。監(jiān)測(cè)點(diǎn)21在既有隧道上方(Z方向)15.65 m處，監(jiān)測(cè)點(diǎn)17～21之間間隔2 m。監(jiān)測(cè)點(diǎn)22位于既有隧道下方(Z方向)1.9 m處，監(jiān)測(cè)點(diǎn)22～26之間間隔為2 m。監(jiān)測(cè)點(diǎn)27、42距新建隧道軸線(X方向)17.75 m，監(jiān)測(cè)點(diǎn)27～34、35～42之間間隔為2 m。監(jiān)測(cè)點(diǎn)43在新建隧道底部(Z方向)-3.9 m處，監(jiān)測(cè)點(diǎn)43～52之間間隔為2 m。

圖3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

3 模擬結(jié)果

3.1 位移分析

既有隧道不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移見圖4。從圖4可知，新建隧道開挖完成后，在既有隧道上方豎向位移總體呈增加趨勢(shì)，在監(jiān)測(cè)點(diǎn)21(上方Z方向15.65 m處)豎向位移值較小，而在近地表處豎向位移值最大。既有隧道Y方向在監(jiān)測(cè)點(diǎn)1～8(-17.75～-3.75 m范圍內(nèi))豎向位移較監(jiān)測(cè)點(diǎn)9～16(3.75～17.75 m范圍內(nèi))變化值較大，而在開挖步達(dá)到1即開挖到既有隧道下方時(shí)，在監(jiān)測(cè)點(diǎn)9～16(3.75～17.75 m范圍內(nèi))豎向位移產(chǎn)生突變，位移增加。

圖4 既有隧道不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移

新建隧道不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移見圖5。從圖5可知，新建隧道底部不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)豎向位移總體呈增加趨勢(shì)，而開挖步達(dá)到1即開挖到既有隧道下方區(qū)域時(shí)在監(jiān)測(cè)點(diǎn)45(-9.9 m處)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)44(-7.9 m處)豎向位移產(chǎn)生較大變化，而其他監(jiān)測(cè)點(diǎn)豎向位移未產(chǎn)生突變。新建隧道左右兩側(cè)在監(jiān)測(cè)點(diǎn)34(-3.75 m處)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)35(3.75 m處)豎向位移產(chǎn)生較大變化，而其他監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移變化較小。

圖5 新建隧道不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移

新建隧道與既有隧道間監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移見圖6。從圖6可知，在新建隧道與既有隧道之間豎向位移在監(jiān)測(cè)點(diǎn)22(1.9 m處)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)23(3.9 m處)位移值變化較大，新建下穿隧道開挖對(duì)既有隧道下方位移影響較大。

圖6 新建隧道與既有隧道間監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移

3.2 應(yīng)力分析

既有隧道不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力見圖7。從圖7可知，既有隧道上方不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)豎向應(yīng)力變化較小，即新建下穿隧道開挖對(duì)既有隧道上方應(yīng)力影響較小。而在既有隧道兩側(cè)在監(jiān)測(cè)點(diǎn)8(-3.75 m處)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)9(3.75 m處)水平應(yīng)力具有較大變化值，且隨著開挖的進(jìn)行水平應(yīng)力呈減小趨勢(shì)，在此范圍內(nèi)對(duì)既有隧道水平方向影響較大。而其他監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平應(yīng)力變化較不顯著，影響較小。

圖7 既有隧道不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力

新建隧道不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力見圖8。從圖8可知，新建隧道左右兩側(cè)水平應(yīng)力在監(jiān)測(cè)點(diǎn)34(-3.75 m處)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)35(3.75 m處)且開挖步達(dá)到0.5時(shí)有較大變化值，而在監(jiān)測(cè)點(diǎn)33(-5.75 m處)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)36(5.75 m處)水平應(yīng)力變化值較小，其他監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平應(yīng)力變化較不顯著，影響較小。新建隧道底部豎向應(yīng)力在監(jiān)測(cè)點(diǎn)44(-5.9 m處)變化值較大，在開挖到既有隧道下方時(shí)有較大的應(yīng)力降低，其他監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力變化較不顯著。

圖8 新建隧道不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力

新建隧道與既有隧道之間不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力見圖9。從圖9可知，在監(jiān)測(cè)點(diǎn)22(Z向1.9 m處)且開挖步在0.5～3.0時(shí)豎向應(yīng)力呈先減小后增加的趨勢(shì)，而監(jiān)測(cè)點(diǎn)26(Z向9.9 m處)豎向應(yīng)力變化較不顯著且逐漸減小。整個(gè)開挖過程對(duì)既有隧道底部應(yīng)力影響較大。

圖9 新建隧道與既有隧道之間監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力

4 結(jié) 語

本文通過建立離散元模型，對(duì)烏魯木齊地鐵河南路段區(qū)間建設(shè)中3號(hào)線與4號(hào)線交叉穿越隧道進(jìn)行模擬計(jì)算，分析不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移和應(yīng)力，得出以下結(jié)論：

(1)新建下穿隧道開挖導(dǎo)致既有隧道上方豎向位移發(fā)生變化，未造成位移突變。既有隧道左右兩側(cè)豎向位移在-3.75 m和3.75 m處產(chǎn)生突變，其他監(jiān)測(cè)點(diǎn)豎向位移變化較小。既有隧道上方豎向應(yīng)力在不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)變化不顯著，而既有隧道左右兩側(cè)水平應(yīng)力在-3.75 m和3.75 m處應(yīng)力較大且呈減小趨勢(shì)。

(2)新建隧道與既有隧道之間，在新建隧道開挖到既有隧道下方時(shí)，豎向位移和豎向應(yīng)力在近既有隧道側(cè)1.9 m和3.9 m處產(chǎn)生突變，而在新建隧道側(cè)位移和應(yīng)力變化較小。

(3)在開挖到既有隧道下方時(shí)，新建隧道底部豎向位移-5.9 m和-7.9 m處位移產(chǎn)生突變，而豎向應(yīng)力在-5.9 m和-7.9 m處產(chǎn)生較大變化。新建隧道左右兩側(cè)豎向位移和水平應(yīng)力在-3.75 m和3.75 m處產(chǎn)生突變。