雙層重疊涉水隧道凈間距對變形影響分析

任 睿

(新疆伊犁河流域開發(fā)建設(shè)管理局，新疆 伊寧 835000)

1 概 述

涉水隧道施工過程中，由于涉及巖土體的開挖，會破壞巖土體原有的應(yīng)力平衡，導(dǎo)致應(yīng)力的重分布，引起隧道自身及周邊建構(gòu)筑物的變形，進(jìn)而引發(fā)一系列的工程問題，因此涉水隧道建設(shè)過程中的變形問題一直受到密切關(guān)注。江杰[1]等提出了一種基坑開挖引起隧道變形的簡化計算方法。劉士海[2]等提出了既有盾構(gòu)隧道沉降計算理論公式。姚宏波[3]等提出了一種可以考慮空間尺寸效應(yīng)影響的卸荷比模型。孫捷城[4]等基于Mindlin解，推導(dǎo)了小半徑曲線盾構(gòu)隧道掘進(jìn)施工地表變形計算公式。黃大維[5]等提出了既有盾構(gòu)隧道附加土壓力與隧道變形的解析計算方法。劉波[6]等建立了考慮隧道不均勻收斂變形的地表沉降預(yù)測模型。本文通過建立有限元模型，分析雙層重疊涉水隧道施工過程中隧道凈間距對隧道變形的影響，為隧道工程設(shè)計和施工提供借鑒和參考。

2 工程概況

某雙層重疊涉水隧道，隧道間距為8 m，上層隧道埋深為9.7 m。按隧道垂直面上巖土分層情況，自上至下依次為素填土2.6 m、粉土4.5 m、圓礫土11.9 m、粉砂17 m，地下水埋深2.4 m。勘察期間，本場地地下水水量不大，分布不均勻，受大氣降水和地表補(bǔ)給，水位季節(jié)性變化，穩(wěn)定水位埋深為1.8～3.0 m。根據(jù)水質(zhì)分析結(jié)果，場地地下水不具有腐蝕性。

3 數(shù)值模擬

本文采用15節(jié)點高精度三角形單元的離散模型和中等粗糙程度的網(wǎng)格進(jìn)行模擬，并將隧道開挖過程中對周圍土體的擾動計算到模型中。建模時，橫斷面隧道外緣保證寬3D，隧道洞徑D=6.2 m，襯砌厚度為0.35 m，因此模型寬度為43.4 m，高度為36 m，地下水位取2.4 m。土層及襯砌材料參數(shù)見表1和表2，數(shù)值模型見圖1。

表1 土層參數(shù)

表2 初襯及二襯材料參數(shù)

圖1 數(shù)值模型示意圖

4 數(shù)值模擬分析

4.1 沉降模擬概述

由于設(shè)計時上下隧道垂直面上相互重疊，且上層隧道底面和下層隧道頂面之間土層厚度僅為1.8 m，凈間距過小，在地下水位保持不變時，下層隧道開挖后可能對上層隧道的開挖和地表沉降產(chǎn)生不利的影響。本文通過數(shù)值模擬，探討涉水隧道凈間距對地表和下層隧道洞頂沉降的影響。為此，結(jié)合實際地層特點，采用隧道凈間距1.8、2.5、3.0、3.5和4.0 m，模擬下層隧道開挖后對上層隧道和地表位移沉降的影響。由于該部分?jǐn)?shù)值模擬主要是了解不同凈間距下，底層隧道開挖后對上層隧道和地表位移沉降的影響，故各監(jiān)測點的相對位置保持不變。因此，在模擬過程中，地表監(jiān)測點A位于隧道圓心在地表的投影，點B、點C分別位于上層隧道頂面和底面，點D、點E分別位于下層隧道頂面和底面，各監(jiān)測點相對位置關(guān)系見圖2。

圖2 隧道各監(jiān)測點相對位置關(guān)系圖

4.2 不同隧道凈間距模擬結(jié)果

1) 隧道凈間距為1.8 m時，模擬結(jié)果見圖3、圖4。

圖3 凈間距1.8 m時隧道垂直位移

圖4 凈間距1.8 m時各監(jiān)測點沉降

2) 隧道凈間距為2.5 m時，模擬結(jié)果見圖5、圖6。

圖5 凈間距2.5 m時隧道垂直位移

圖6 凈間距2.5 m時各監(jiān)測點沉降

3) 隧道凈間距為3.0 m時，模擬結(jié)果見圖7、圖8。

圖7 凈間距3.0 m時隧道垂直位移

圖8 凈間距為3.0 m時各監(jiān)測點沉降

4) 隧道凈間距為3.5 m時，模擬結(jié)果見圖9、圖10。

圖9 凈間距3.5 m時隧道垂直位移

圖10 凈間距3.5 m時各監(jiān)測點沉降

5) 隧道凈間距為4.0 m時，模擬結(jié)果見圖11、圖12。

圖11 凈間距4.0 m時隧道垂直位移

圖12 凈間距4.0 m時各監(jiān)測點沉降

4.3 模擬結(jié)果分析

4.3.1 總體沉降分析

由圖3-圖12可知，隧道凈間距的變化，對土層及隧道監(jiān)測點的總體沉降變化趨勢影響甚微。底層隧道開挖后，上層土體均產(chǎn)生了沉降，但上層隧道開挖后均出現(xiàn)不同程度的反彈，說明原有固結(jié)地層在重力作用下積蓄了大量彈性勢能，上層土體重力勢能減小后，土體彈性勢能釋放克服部分重力勢能，產(chǎn)生回彈。

4.3.2 地表監(jiān)測點沉降結(jié)果分析

隧道凈間距分別為1.8、2.5、3.0、3.5和4.0 m時，地表監(jiān)測點(點A)沉降結(jié)果見圖13。上層隧道開挖后，地表反彈量分別為-0.174、-0.194、-0.215、-0.241和-0.262 mm，反彈量雖隨凈間距的增大而不斷增大，但地表反彈量數(shù)值均較小。

圖13 不同凈間距下地表監(jiān)測點沉降

4.3.3 底層隧道洞頂監(jiān)測點沉降結(jié)果分析

隧道凈間距分別為1.8、2.5、3.0、3.5和4.0 m時，底層隧道洞頂監(jiān)測點(點D)沉降結(jié)果見圖14。上層隧道開挖后，洞頂反彈量分別為+0.39(沉降)、-0.147、-0.243、-0.292和-0.558 mm，反彈量雖隨凈間距的增大而不斷增大，但底層隧道洞頂反彈量數(shù)值均較小。

圖14 不同凈間距下底層隧道洞頂監(jiān)測點沉降

5 結(jié) 論

1) 地下水位保持不變時，隧道凈間距的變化，對土層及隧道監(jiān)測點的總體沉降變化趨勢影響甚微。

2) 隨著隧道凈間距的增大，地表監(jiān)測點(點A)及底層隧道洞頂監(jiān)測點(點D)反彈量不斷增大，但數(shù)值均較小。

3) 底層隧道開挖后，上層土體均產(chǎn)生了沉降，但上層隧道開挖后均出現(xiàn)不同程度的反彈。說明原有固結(jié)地層在重力作用下積蓄了大量彈性勢能，上層土體重力勢能減小后，土體彈性勢能釋放克服部分重力勢能，產(chǎn)生回彈。