趙向波,黎成慶,張思煬,李銘杰,劉軍生,董唯杰*

(1.新疆額爾齊斯河投資開發(fā)集團(tuán)有限公司,烏魯木齊 830000; 2.西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610031)

隨著人們對(duì)交通運(yùn)輸需求的日益增長(zhǎng),鐵路、公路、水利、市政等用途的隧道建設(shè)數(shù)量不斷增長(zhǎng),不可避免地將帶來新建隧道近接既有隧道或既有建筑的一系列問題。因此,針對(duì)隧道近接引起的對(duì)既有鄰近建筑的變形預(yù)測(cè)和控制、工程風(fēng)險(xiǎn)管控、結(jié)構(gòu)受力改變等技術(shù)難題的研究對(duì)隧道近接設(shè)計(jì)和施工具有重要的指導(dǎo)意義。

基于盾構(gòu)隧道近接施工力學(xué)行為等方面的難題和挑戰(zhàn),中外學(xué)者已開展了大量的研究工作。張俊儒等[1]針對(duì)泥質(zhì)粉砂巖地層,采用數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)的手段,研究盾構(gòu)隧道近接礦山法隧道施工的影響規(guī)律,并基于地表沉降準(zhǔn)則提出影響分區(qū);仇文革[2]系統(tǒng)提出了廣義地下工程近接分區(qū)、分區(qū)指標(biāo)表達(dá)式,給出研究近接施工問題的普遍方法;吳枋胤等[3]通過數(shù)值模擬探究了高地應(yīng)力偏壓軟巖小凈距隧道的施工間距和洞形,總結(jié)了先后行洞的相互影響規(guī)律;方勇[4]采用三維有限元方法對(duì)平行盾構(gòu)隧道施工進(jìn)行模擬,分析新隧道動(dòng)態(tài)掘進(jìn)時(shí)既有隧道位移、變形和內(nèi)力的變化規(guī)律。潘文韜等[5]借助有限元分析軟件模擬了三洞并行隧道中間鐵路隧道先行情況下,兩側(cè)公路隧道近接施工的施工順序、工法、步距等因素對(duì)既有隧道產(chǎn)生的影響,并對(duì)爆破施工提出針對(duì)性意見;聞毓民[6]借助ANSYS有限元分析軟件模擬隧道近接施工,結(jié)合結(jié)構(gòu)應(yīng)力準(zhǔn)則和地表位移準(zhǔn)則分析和總結(jié)得到兩孔平行盾構(gòu)隧道近接施工影響分區(qū);姚勇等[7]采用二維彈塑性數(shù)值計(jì)算方法,研究總結(jié)小近距隧道近接施工中加巖墻受力、變形特點(diǎn),為小近距隧道近接的開挖、支護(hù)、加固等提高施工指導(dǎo);張曉清等[8]構(gòu)建了考慮土體流變特性的盾構(gòu)近接施工應(yīng)力遷移模型分析和總結(jié)了新建盾構(gòu)隧道穿越近接既有隧道施工擾動(dòng)周邊土體的應(yīng)力遷移規(guī)律;崔光耀等[9]利用有限差分軟件FLAC3D模擬研究了管棚管幕預(yù)加固和改變施工順序兩種方案對(duì)小凈距隧道近接隧道群的變形控制效果;劉代國(guó)等[10]結(jié)合數(shù)值計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè),研究總結(jié)后行洞施工條件下引起的先行洞附加應(yīng)力及變形變化規(guī)律;汪洋等[11]將模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合,分析總結(jié)圍巖條件、隧道間距等多種因素影響下盾構(gòu)隧道正交下穿施工引起的既有隧道的變形和附加內(nèi)力的規(guī)律;丁智等[12]采用數(shù)值分析方法,針對(duì)軟土地質(zhì)條件下新建盾構(gòu)隧道近接既有地鐵的情況,研究總結(jié)得到不同隧道凈距和角度工況下地鐵變形和襯砌內(nèi)力變化規(guī)律以及近接分區(qū)范圍;吳冬[13]通過數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)研究了分岔隧道非對(duì)稱小凈距段施工力學(xué)行為,提出針對(duì)實(shí)際工程的施工技術(shù)和合理支護(hù)參數(shù);劉慶豐等[14]結(jié)合數(shù)值模擬以及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)等方法,研究近接施工對(duì)既有隧道以及周圍地層的影響規(guī)律,提出盾構(gòu)近接相關(guān)的施工控制技術(shù)。何永成[15]比選分析了兩隧道平行近接施工的影響判別準(zhǔn)則,并基于強(qiáng)度折減法提出平行近接隧道施工影響分區(qū)。

綜上所述,現(xiàn)有隧道近接研究大多是針對(duì)施工工法、支護(hù)參數(shù)、地質(zhì)條件等因素改變下近接施工隧道在變形和受力的分析和研究,而對(duì)采用兩種不同施工工法進(jìn)行非平行近接的分岔隧道的研究較少,如分岔隧道中后行隧道近接先行隧道產(chǎn)生穩(wěn)定性影響的最小安全凈距、交叉段最佳支護(hù)參數(shù)和開挖工法選擇等問題亟待解決。

基于此,現(xiàn)依托新疆YEGS二期工程,以盾構(gòu)法隧洞近接礦山法隧洞為研究對(duì)象,采用數(shù)值計(jì)算與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)相結(jié)合的方式,針對(duì)軟巖地層下的關(guān)鍵近接斷面,分析不同凈距條件盾構(gòu)隧洞近接鉆爆隧洞引起的附加變形和內(nèi)力影響規(guī)律,得到最合理安全的近接施工凈距,對(duì)交叉段提供施工和支護(hù)建議,以期為類似工程的設(shè)計(jì)和施工提供一定的參考。

1 工程背景

在建的YEGS二期工程線路全長(zhǎng)約為540 km,受地形、蒸發(fā)、生態(tài)環(huán)境等多因素的影響,其建設(shè)主要以隧洞為主。沿線隧洞主要由XE隧洞、KS隧洞和SS隧洞組成,總長(zhǎng)度約為515 km。其中SS隧洞全長(zhǎng)92.35 km,為無壓洞,隧洞軸線縱坡1/5 000,隧洞位于中低山區(qū),全線平均埋深156 m,呈兩端高,中間淺的凹槽地形。

針對(duì)6號(hào)隧洞主支洞分叉段近接施工問題進(jìn)行分析研究,其隧址區(qū)圍巖以侏羅系和白堊系泥巖砂巖為主,遇水后易泥化、軟化,因此施工時(shí)地質(zhì)情況采用分段分區(qū)、鉆爆與盾構(gòu)相結(jié)合的手段進(jìn)行建設(shè)。施工方案布置并非采用主洞與曲線段相切的直線連接方式,而是通過局部調(diào)整主洞軸線,通道布置上將主洞側(cè)裁直取彎,再將主支洞交叉洞室做成“卜”形叉與轉(zhuǎn)彎段相接,如圖1所示。為了確保水流平順,轉(zhuǎn)彎半徑應(yīng)不小于5倍洞徑,盡量不改變主洞橫斷面寬度,與下游側(cè)管片襯砌連接時(shí)漸變段圓錐角不大于10°。

圖1 6號(hào)隧洞近接施工示意圖

“卜”形叉洞室交角為37°,由鉆爆段及盾構(gòu)段共同構(gòu)成,施工時(shí)先進(jìn)行鉆爆段開挖(圖2),鉆爆完成后,后續(xù)盾構(gòu)進(jìn)行掘進(jìn)(圖2),當(dāng)二者近接到一定程度后,將按照連拱隧洞采用鉆爆法逐步擴(kuò)挖,然后拆除管片接合成。為方便車輛調(diào)頭,主支洞交叉洞室采用城門洞形橫斷面,毛洞寬6.2 m,高6.25 m。轉(zhuǎn)彎段長(zhǎng)17.9 m,轉(zhuǎn)彎半徑40 m,轉(zhuǎn)角22°,橫斷面與交叉洞室一致。該方案洞室體型不大,施工方法采用常規(guī)的上下導(dǎo)洞開挖支護(hù)、以及逐環(huán)拆管片擴(kuò)挖即可,現(xiàn)階段主支洞交叉段施工如圖3所示。

圖2 鉆爆隧洞和盾構(gòu)隧洞施工圖

圖3 主支洞交叉段施工圖

在此施工過程中,盾構(gòu)隧洞的施工將會(huì)影響到既有鉆爆隧洞的穩(wěn)定性,若不分析兩隧洞最小安全凈距直接對(duì)接分叉段,容易導(dǎo)致隧洞坍塌、先行隧洞支護(hù)失效等嚴(yán)重事故。因此,在進(jìn)行施工前研究不同近接度下盾構(gòu)隧洞對(duì)鉆爆隧洞的穩(wěn)定性影響至關(guān)重要。

2 計(jì)算模型

2.1 計(jì)算模型與計(jì)算工況

為探究不同近接度下盾構(gòu)施工對(duì)鉆爆隧洞的穩(wěn)定性影響,以YEGS二期工程SS段隧洞為背景,采用ABAQUS前處理建立模型,后續(xù)導(dǎo)入有限差分軟件FLAC3D中進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)設(shè)計(jì)資料,鉆爆隧洞水平跨度5.40 m,豎向跨度5.35 m,盾構(gòu)隧洞直徑5.20 m,根據(jù)圣維南原理,為降低模型邊界條件的影響,考慮隧洞至模型邊界處的距離應(yīng)不小于5倍的洞徑,同時(shí)為提高計(jì)算效率將模型簡(jiǎn)化平面模型,取模型尺寸為110 m×80 m×2 m。鉆爆隧洞初期支護(hù)厚度為0.15 m,二次襯砌厚度為0.45 m,盾構(gòu)隧洞管片厚度為0.35 m,兩隧洞邊墻凈距為B,計(jì)算模型如圖4所示。

圖4 數(shù)值計(jì)算模型

本文計(jì)算模型數(shù)值模擬流程為:初始地應(yīng)力平衡→模型位移清零→鉆爆法隧洞開挖(空單元模擬、控制應(yīng)力釋放)→激活初支和錨桿(下一階段應(yīng)力釋放)→激活二次襯砌→求解平衡→盾構(gòu)法隧洞開挖(空單元模擬、控制應(yīng)力釋放)→激活管片→求解平衡。此外,因?yàn)殂@爆法隧洞開挖支護(hù)時(shí)間較長(zhǎng),盾構(gòu)隧洞頂進(jìn)安裝管片時(shí)間較短,二者的開挖支護(hù)模擬通過控制調(diào)節(jié)圍巖應(yīng)力釋放率來實(shí)現(xiàn)。

此外,為研究盾構(gòu)隧洞近接鉆爆隧洞的影響和最合理凈距,設(shè)置了8種工況進(jìn)行計(jì)算分析,如表1所示。此外,結(jié)合前期工程地質(zhì)資料及巖石力學(xué)試驗(yàn)及相關(guān)試驗(yàn),各材料的物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表1 計(jì)算工況

表2 材料物理力學(xué)參數(shù)取值表

2.2 模型驗(yàn)證

為了保證盾構(gòu)近接鉆爆隧洞模擬結(jié)果相對(duì)較為合理,以及模型選參的可靠性,在模型中設(shè)置3個(gè)錨桿應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)如圖5所示,獲取數(shù)值計(jì)算得到的錨桿軸向應(yīng)力結(jié)果。最后選取SD57+190斷面實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(圖6)與數(shù)值模擬結(jié)果(圖7)進(jìn)行對(duì)比。分析計(jì)算A、B、C三個(gè)位置的錨桿應(yīng)力數(shù)值模擬與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的誤差依次為:28.57%、34.43%、23.19%?？梢缘贸鼋Y(jié)論:數(shù)值計(jì)算得到的隧洞鉆爆達(dá)到穩(wěn)定時(shí)錨桿應(yīng)力結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果較為吻合,可以認(rèn)為模型選參較為合理,可以利用該模型接著進(jìn)行盾構(gòu)近接鉆爆隧洞的數(shù)值模擬。

A、B、C為錨桿軸向應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn);其他數(shù)字為位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)

圖6 SD57+190斷面錨桿應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)圖

圖7 錨桿監(jiān)測(cè)點(diǎn)軸向應(yīng)力時(shí)程曲線

3 計(jì)算結(jié)果

3.1 鉆爆隧洞開挖力學(xué)分析

由于各個(gè)工況下兩隧洞凈距改變導(dǎo)致模型稍微改變,鉆爆隧洞單洞開挖求解得到的位移、錨桿軸向應(yīng)力稍有不同,本文取各個(gè)工況模型鉆爆單洞開挖的位移、錨桿軸向應(yīng)力平均值作為鉆爆隧洞開挖結(jié)果,分別如表3和表4所示。

表3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移結(jié)果表

表4 單洞鉆爆錨桿測(cè)點(diǎn)軸向應(yīng)力表

由表3可知,單洞鉆爆開挖后,在及時(shí)施作錨桿、初支和二襯的情況下,最大豎向位移出現(xiàn)在拱頂和底面中心處,最大水平位移出現(xiàn)在兩側(cè)邊墻中心處(測(cè)點(diǎn)4和8)。拱頂最大沉降值為2.318 8 mm,底面中心最大隆起值為4.249 1 mm,兩側(cè)邊墻中心處基本無豎向位移。兩側(cè)邊墻中心左右側(cè)水平位移分別為1.707 3和1.718 8 mm,拱頂和底面中心處基本無水平位移。

由表4可知,單洞鉆爆開挖下,錨桿測(cè)點(diǎn)得到的軸向應(yīng)力在兩側(cè)邊墻中心的錨桿取得最大值,分別為19.262 MPa和19.295 MPa,其次是拱頂?shù)腻^桿,約為4.626 MPa,最小的是左右拱肩的錨桿,分別為1.860 MPa和1.954 MPa。

從上述鉆爆隧洞單洞開挖支護(hù)后的位移、錨桿軸向應(yīng)力的結(jié)果整體上來看,隧洞中心線左右兩側(cè)對(duì)稱位置的位移和錨桿應(yīng)力結(jié)果差異很小,基本滿足沿隧洞中心線左右對(duì)稱分布,符合單洞隧洞開挖的一般規(guī)律和力學(xué)行為特征。

由鉆爆隧洞初支及二襯大小主應(yīng)力云圖8和圖9知,單洞鉆爆開挖和支護(hù)后,初支和二襯上最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力分別為1.398 MPa和0.523 MPa,未達(dá)到初支或二襯抗拉或抗壓強(qiáng)度極限值,所以未發(fā)生強(qiáng)度破壞。此外,對(duì)比初支與二襯的大小主應(yīng)力云圖可知初支應(yīng)力較大、二襯應(yīng)力極小,說明圍巖壓力主要由初支承擔(dān),而二襯主要用于作為安全儲(chǔ)備。

圖8 鉆爆隧洞最大主應(yīng)力云圖

圖9 鉆爆隧洞最小主應(yīng)力云圖

3.2 近接度影響效應(yīng)分析

3.2.1 位移影響分析

在開挖盾構(gòu)隧洞前,對(duì)鉆爆模擬得到的位移場(chǎng)進(jìn)行清零,后續(xù)開挖模擬結(jié)果即為盾構(gòu)隧洞對(duì)既有隧洞的影響。數(shù)值計(jì)算得到的各近接度下既有鉆爆隧洞的附加豎向位移云圖和附加水平位移云圖分別如圖10和圖11所示。

圖11 各近接度下鉆爆隧洞附加水平位移云圖

由圖10和圖11可知,受盾構(gòu)隧洞近接施工的影響,既有鉆爆法隧洞附加豎向位移和水平位移都為負(fù)數(shù),即整體向左下側(cè)沉降。同時(shí),從附加位移最大數(shù)值極其出現(xiàn)位置上來看,豎向附加位移最大值稍大于水平附加位移,豎向附加位移最大值出現(xiàn)的位置隨凈距的減小從拱底變化到拱頂。且隨著盾構(gòu)隧洞和鉆爆隧洞凈距的增大,隧洞初支和二襯的附加最大豎向位移和最大水平位移值逐漸減小,盾構(gòu)隧洞對(duì)既有鉆爆隧洞的影響逐漸變小。

對(duì)前文得到的最大附加豎向和水平位移值與兩隧洞凈距的關(guān)系進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合(圖12)可以看出,兩隧洞凈距大于10 m時(shí),附加位移變化曲線逐漸趨于平緩,而凈距小于10 m時(shí),曲線曲率快速變大,附加位移增量顯著增大,即兩隧洞凈距越小,盾構(gòu)隧洞施工對(duì)既有鉆爆隧洞的影響越顯著,凈距10～12 m可認(rèn)為是對(duì)位移影響的臨界轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

圖12 隧洞凈距與最大附加位移關(guān)系擬合曲線

3.2.2 應(yīng)力影響分析

評(píng)估近接施工對(duì)既有建筑的結(jié)構(gòu)的應(yīng)力影響是至關(guān)重要的,若新建盾構(gòu)隧洞近接既有鉆爆隧洞導(dǎo)致后者結(jié)構(gòu)受力改變嚴(yán)重,甚至超過極限強(qiáng)度發(fā)生破壞,就會(huì)給工程安全帶來巨大隱患。

由圖13和圖14可知,既有鉆爆隧洞初支及二襯最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力隨著兩隧洞凈距B的增大而逐漸減小。表明:兩隧洞凈距越大,后行盾構(gòu)隧洞施工對(duì)先行鉆爆隧洞產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響越小。

同時(shí),新建盾構(gòu)隧洞的施工改變了既有鉆爆隧洞單洞開挖支護(hù)下應(yīng)力對(duì)稱的情況,使既有鉆爆隧洞結(jié)構(gòu)的內(nèi)力變得左右兩側(cè)不對(duì)稱,在兩隧洞凈距在6 m以內(nèi)時(shí)[圖13(a)、圖13(b)和圖14(a)、圖14(b)],明顯觀察到先行鉆爆隧洞結(jié)構(gòu)靠近后行盾構(gòu)隧洞一側(cè),初支壓應(yīng)力加強(qiáng),二襯應(yīng)力由拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力。

在B=4 m的工況下,既有鉆爆隧洞右側(cè)墻的初支應(yīng)力值為15.077 MPa,超過C30混凝土的抗壓強(qiáng)度值,二襯底部中心抗拉強(qiáng)度為2.975 MPa,超過混凝土抗拉強(qiáng)度,均出現(xiàn)破壞情況。在B=6 m的工況下,既有隧洞右側(cè)墻的初支為15.252 MPa,也發(fā)生破壞,但二次襯砌未出現(xiàn)受拉破壞。在其他工況下,初支和二襯受力改變未超過承受范圍,均可保持良好的工作狀態(tài),不發(fā)生強(qiáng)度破壞。

3.2.3 塑性區(qū)影響分析

根據(jù)模型數(shù)值計(jì)算結(jié)果得到各工況下隧洞塑性區(qū),如圖15所示。由圖15可知,隨著兩隧洞凈距的增大,塑性區(qū)逐漸從連通過渡到分離,塑性區(qū)范圍逐漸減小。

shear-n shear-p為單元當(dāng)前和過去均發(fā)生剪切破壞;shear-n shear-p tension-p為單元當(dāng)前和過去均發(fā)生剪切破壞且過去還有拉伸破壞;shear-p為單元僅過去發(fā)生剪切破壞;shear-p tension-p為單元過去發(fā)生剪切破壞和拉伸破壞

既有隧洞塑性區(qū)在兩隧洞凈距B>12 m時(shí),沿隧洞中軸線基本呈對(duì)稱狀態(tài),兩隧洞塑性區(qū)尚未貫通,相互影響不顯著,既有隧洞不會(huì)出現(xiàn)新的剪切塑性區(qū),圖15(e)～圖15(h)所示。

當(dāng)兩者間距B<12 m時(shí)[圖15(a)～圖15(d)],兩隧洞施工所產(chǎn)生的塑性區(qū)開始逐漸貫通,塑性區(qū)不再沿隧洞中軸線對(duì)稱,新建隧洞對(duì)先行隧洞的影響隨凈距的減小而顯著增大。在間距B≤8 m時(shí)[圖15(a)～圖15(c)],新建盾構(gòu)隧洞施工會(huì)引起既有鉆爆隧洞右側(cè)拱肩和右側(cè)拱腳處巖體出現(xiàn)新的剪切破壞,此時(shí)既有隧洞右側(cè)受到的附加應(yīng)力和位移影響程度相較于左側(cè)應(yīng)該更大,也就印證了前文對(duì)位移和應(yīng)力的分析。

4 結(jié)論

通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和數(shù)值計(jì)算,對(duì)不同凈距條件下新建盾構(gòu)隧洞平行近接既有鉆爆隧洞所引起的既有鉆爆隧洞的附加位移、應(yīng)力變化、塑性區(qū)分布等規(guī)律進(jìn)行分析和研究,得出如下結(jié)論。

(1)綜合對(duì)比現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與數(shù)值模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn),數(shù)值計(jì)算得到的單洞鉆爆條件下錨桿軸向應(yīng)力結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)得到的錨桿軸向應(yīng)力結(jié)果較為相符,驗(yàn)證了模型的可行性,保證了后續(xù)進(jìn)行盾構(gòu)隧洞近接既有鉆爆隧洞的合理性。

(2)結(jié)合各個(gè)工況下數(shù)值模擬得到的位移云圖發(fā)現(xiàn),盾構(gòu)隧洞施工后既有鉆爆隧洞整體向左下側(cè)沉降,且兩隧洞凈距越小,后行隧洞對(duì)先行隧洞的位移影響越顯著,10～12 m可認(rèn)為是顯著影響位移的臨界凈距。

(3)對(duì)比既有鉆爆隧洞結(jié)構(gòu)大小主應(yīng)力云圖結(jié)果發(fā)現(xiàn),受新建盾構(gòu)隧洞影響結(jié)構(gòu)應(yīng)力非均勻分布,且凈距越小影響越顯著。在凈距較小時(shí)(如B=4 m或B=6 m),靠近新建盾構(gòu)隧洞一側(cè)的初期支護(hù)受壓破壞,二襯受拉破壞。

(4)塑性區(qū)云圖顯示,隨著凈距的減小,兩隧洞的塑性區(qū)逐漸貫通,塑性區(qū)面積變大,當(dāng)凈距小于10 m時(shí),在靠近新建盾構(gòu)隧洞一側(cè)的拱肩和拱腳處出現(xiàn)新的剪切破壞,繼而產(chǎn)生不利于既有隧洞穩(wěn)定性的附加位移和附加應(yīng)力,更容易引起既有隧洞結(jié)構(gòu)破壞。

(5)綜合位移、應(yīng)力、塑性區(qū)研究結(jié)果,建議工程中兩隧洞平行近接的最小凈距大于10 m,在兩隧洞凈距小于10 m的匯交段應(yīng)采取加強(qiáng)隧洞支護(hù)和監(jiān)控量測(cè)的措施,嚴(yán)格控制隧洞變形,減小后行隧洞對(duì)先行隧洞產(chǎn)生的影響。