既有人防工程對隧道建設(shè)的影響研究

劉 婷

(江西贛北公路工程有限公司 九江市 332000)

0 引言

隧道建設(shè)時常常會遇到地下基坑、地下工程及人防工程等,當新建的隧道工程穿越或與這些既有建筑物鄰近建設(shè)時,二者之間會相互影響,對新建工程和既有工程都存在安全隱患,有必要對既有工程和新建隧道工程的應(yīng)力、位移等變化規(guī)律進行研究。Soliman等[1]基于有限元法進行研究,結(jié)果發(fā)現(xiàn)雙洞的變形可以通過單洞隧道結(jié)果的疊加而得到;陳亮等[2]基于現(xiàn)場的實測數(shù)據(jù)研究發(fā)現(xiàn)新建的隧道近距離上穿對既有隧道的影響,并總結(jié)表明新建隧道所引起的縱向變形的作用過程和機理;徐源等[3]通過研究地鐵隧道下穿既有高鐵橋梁基礎(chǔ)時候的變形控制,提出控制高鐵橋墩基礎(chǔ)的變形的有效措施;李圍等[4]通過對實際的工程進行研究,結(jié)果表明在施工時對施工參數(shù)進行合理的設(shè)置,對由于施工導(dǎo)致的既有隧道圍巖土體的影響能起到有效的控制;劉毅[5]通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場測量的手段對隧道開挖既有建筑的沉降進行研究,提出隧道開挖的影響范圍及建筑物安全控制的標準;周奎等[6]通過研究隧道下穿既有人防工程時隧道底板的位移及圍巖的壓力,提出具體的安全施工方案;趙志民[7]通過鏡像理論對隧道施工引起土體的位移與應(yīng)力進行研究,結(jié)果表明鏡像方法計算得到的結(jié)果能對地表建筑物的破壞進行預(yù)估。

在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上,基于實際工程,借助FLAC3D有限元軟件對在既有人防工程附近新建隧道進行研究分析。

1 工程概況

工程一共包括兩條隧道,兩處人防洞室,建設(shè)場地所處的地質(zhì)為場地巖體裂隙較發(fā)育并且層面裂隙及軟弱夾層均不發(fā)育,在場地范圍內(nèi)無地表水。其中左隧道線的樁號為K0+316.7～K0+734.5,右隧道線的樁號為K0+320～K0+794.5,1號人防洞室與擬新建的隧道未相交,位于擬新建隧道的下方,2號人防洞室與擬新建的隧道相交,處于相同平面相交關(guān)系,其中1號人防洞室未出現(xiàn)變形并且處于穩(wěn)定的狀態(tài),洞內(nèi)無積水,2號洞室也未出現(xiàn)變形并且處于穩(wěn)定的狀態(tài),洞內(nèi)有積水。關(guān)于兩人防洞室的具體情況如表1所示。

表1 既有人防洞室的工程概況

2 FLAC3D有限元模擬

FLAC3D是利用有限差分法建立代數(shù)方程組來進行求解,主要根據(jù)其離散方法的思想進行計算,采用六面體單元的區(qū)域離散,計算時為兩對不同的四面體,在四面體子元中各點的應(yīng)變、應(yīng)力及應(yīng)變的速率均相同,不隨位置的變化而變化,只會隨時間的變化而發(fā)生變化。模擬過程中,對施工掘進的長度和速率要進行控制,若掘進的速率過快,則會導(dǎo)致隧道襯砌結(jié)構(gòu)實際的受荷較小,若掘進長度過大,會導(dǎo)致初噴和支護結(jié)構(gòu)設(shè)置推遲,導(dǎo)致襯砌荷載增大,因此在模擬時要及時的對噴射混凝土進行模擬封底,減小襯砌的變形。模擬時首先考慮初始應(yīng)力的影響,模擬開挖后,土體被挖除,使模型體系中的有關(guān)單元“消失”,將這些“消失”的單元設(shè)置為空單元,不考慮空單元的相互作用,隨后逐步計算隧道開挖之后的地層應(yīng)力與應(yīng)變,在開挖的瞬間,重力密度、自重、內(nèi)摩擦角、粘聚力及彈性模量等參數(shù)均設(shè)置為各自的初始值,隨著隧道的開挖逐漸減小。同樣通過對單元賦予相應(yīng)的材料性質(zhì),可以模擬不同的“回填”情況,如襯砌結(jié)構(gòu)的模擬。

2.1 模擬的建立

在模擬中對隧道圍巖的模擬模型采用Mohro-Coulomb彈塑性本構(gòu)模型,對2號洞室和隧道模型采用shell單元,考慮自重應(yīng)力,隧道的開挖寬度為12.76m,在模型中隧道的模型總尺寸為155m×150m×100m,對隧道圍巖的支護采用錨噴支護結(jié)構(gòu),錨桿長設(shè)置為3.5m,直徑為22cm,噴射混凝土強度等級為C25,噴射厚度為20cm,錨桿采用cable結(jié)構(gòu)單元模擬,將單元節(jié)點與圍巖實體單元節(jié)點設(shè)置為剛接,與圍巖一起變形,隧道模型如圖1所示,圖1中的紅色表示右隧道,綠色表示左隧道。模擬計算時跟實際的工程一樣先進行左隧道開挖再進行右隧道開挖。模型中的相關(guān)參數(shù)設(shè)置如表2所示。

圖1 模擬模型圖

表2 模擬模型中的參數(shù)設(shè)置

2.2 模擬結(jié)果分析

模擬是在人防工程已經(jīng)建設(shè)完成的情況下進行的,主要模擬當隧道穿越人防工程及隧道與人防工程相鄰時兩種情形下隧道變形、地面沉降、人防洞室變形及錨桿受力情況。

2.2.1隧道穿越人防工程

在模擬過程中,先進行左隧道挖掘,后進行右隧道施工,并且左右兩隧道均采用上下臺階法進行開挖,開挖時保證掌子面間距為10m,此時左隧道先完全穿越人防洞室,而右隧道后完全穿越人防的主洞,對左右隧道應(yīng)力云圖及位移云圖進行分析匯總,具體結(jié)果見表3。

表3 模擬結(jié)果表

從表3中可以看出,左隧道先完全穿越人防洞室,右隧道后完全穿越人防主洞時,左隧道錨桿承受了更大的拉力作用;左隧道拱頂豎向位移下沉值約為8.95mm,初期襯砌的支護結(jié)構(gòu)下沉值約為7.63mm,地面沉降值約為3.75mm,人防洞室洞頂?shù)呢Q向位移值約為8.92mm,均比右隧道小,主要是由于左隧道的錨桿承擔(dān)了拉力,因此左隧道的變形較小,同時由于左隧道先施工,當右隧道進行施工時,將會對后施工的右隧道產(chǎn)生影響。

2.2.2隧道鄰近人防工程

在模擬過程中,先進行左隧道的挖掘,后進行右隧道的施工,并且左右兩隧道均采用上下臺階法進行開挖,開挖時保證掌子面直徑的間距為10m,此時的左隧道完全穿越人防洞室,而右隧道正好穿越人防的主洞,對左右隧道的應(yīng)力云圖及位移云圖進行分析匯總,具體的結(jié)果如表4所示。

表4 模擬結(jié)果表

從表4中可以看出,當左隧道完全穿越人防洞室,而右隧道正好穿越人防的主洞時,左隧道的隧道拱頂豎向位移約為8.12mm,初期襯砌的支護結(jié)構(gòu)下沉值約為6.58mm,地面的沉降值約為3.10mm,人防洞室洞頂?shù)呢Q向位移值約為6.32mm,均比右隧道小,這主要是由于左隧道是先施工,圍巖先進入平衡狀態(tài)。

對比表3與表4可以發(fā)現(xiàn),當隧道穿越人防工程時,表4中左右隧道的數(shù)據(jù)均比表3小,說明當隧道越靠近人防工程時,對隧道的影響越大。

2.2.3隧道距人防工程10m模擬

在模擬過程中,先進行左隧道的挖掘,后進行右隧道的施工,并且左右兩隧道均采用上下臺階法進行開挖,開挖時保證掌子面直徑的間距為10m,此時的左隧道和右隧道距離人防洞室的距離為10m,對左右隧道的應(yīng)力云圖及位移云圖進行分析匯總,具體的結(jié)果如表5所示。

表5 模擬結(jié)果表

從表5中可以看出,當左隧道和右隧道與人防洞室相距10m時,左隧道的變形及右隧道的變形均較小,左隧道的隧道拱頂豎向位移約為4.65mm,初期襯砌的支護結(jié)構(gòu)下沉值約為4.45mm,地面的沉降值約為1.86mm,人防洞室洞頂?shù)呢Q向位移值約為3.88mm;右隧道的隧道拱頂豎向位移約為5.01mm,初期襯砌的支護結(jié)構(gòu)下沉值約為5.94mm,地面的沉降值約為2.93mm,人防洞室洞頂?shù)呢Q向位移值約為4.88mm,均比右隧道小,這主要是由于左隧道是先施工,圍巖先進入平衡狀態(tài),并且將會對后施工的右隧道產(chǎn)生影響。

對比表3、表4與表5可以發(fā)現(xiàn),當隧道與人防工程相距10m的情形下,表5中左右隧道的隧道變形值均比表4和表3小,主要是因為左隧道沒有穿越人防的洞室,由于距離的影響導(dǎo)致這一結(jié)果,說明當新建隧道距離既有的人防工程越遠,隧道受既有人防工程的影響將會越小。

3 結(jié)論

基于實際工程,借助FLAC3D有限元軟件對在既有人防工程附近新建隧道進行研究分析,研究結(jié)果表明:當工程為雙線隧道時,左右兩隧道的施工順序?qū)λ淼赖淖冃斡幸欢ǖ挠绊?對于既有的人防工程,當隧道離人防工程距離越近,其對隧道的變形影響越大,因此在進行工程建設(shè)時,應(yīng)主要控制隧道與既有建筑物的安全距離。