近距離交疊隧道變形分析

近距離交疊隧道變形分析

近年來，隨著高速鐵路的快速發(fā)展，地下空間的開發(fā)利用程度也不斷擴大。在一些地區(qū)，由于現(xiàn)有建筑（建筑工地）的限制和地下空間綜合開發(fā)利用的需要，新隧道和其他建筑工地附近穿越既有隧道和其他建筑工地的現(xiàn)象越來越多。例如，漳（州）泉州鐵路瑞峰隧道（州）通過324國道公路隧道，泉州（州）廈海公路大陸隧道（州），福川公路大陸隧道（州），日本托薩尼鐵路和吉森縣航道在四個落實的交叉連接上。這種型式的隧道,新建隧道的開挖是在既有隧道已襯砌完畢的情況下進行的,地層剛度條件已發(fā)生變化,施工時將再次擾動這一地層,引起復(fù)雜的應(yīng)力重分布,對既有隧道圍巖及襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響,其變形規(guī)律不同于單孔隧道,也不同于水平平行隧道。目前,國內(nèi)外對此類隧道的研究較少,大多是針對水平平行隧道或重疊隧道,并取得很多成果,而對于近距離交疊隧道,由于隧道間形成受力非常不利的空間交叉結(jié)構(gòu)形式,使之在理論上的研究存在較大難度,因而其研究多局限于半經(jīng)驗半解析解,施工上較水平平行隧道也更難于控制。日本在此方面作了較多研究,1987年出版的《近接隧道施工的設(shè)計與指南》給出了隧道結(jié)構(gòu)相互影響的基本條件、影響范圍的分類及劃定、影響預(yù)測和施工對策等。由于近接隧道施工的相互影響問題,如何控制近距離交疊隧道施工所引起的地層位移,以確保既有隧道的正常運營和施工的順利進行是本項目實施中必須解決的關(guān)鍵問題。為準確評價近距離交疊隧道施工影響的空間變化規(guī)律,本文應(yīng)用ANSYS有限元程序?qū)δ承陆ㄋ淼篱_挖引起的既有隧道結(jié)構(gòu)的位移及受力狀態(tài)變化進行了三維有限元計算,分析了其穩(wěn)定性,得到了一些有益的結(jié)論,可為工程設(shè)計提供參考。1速公路既有隧道洞身保護設(shè)計新建溫州至福州鐵路為目前國內(nèi)建成的設(shè)計速度200km/h,預(yù)留提速250km/h且通過雙層集裝箱的高速鐵路之一,該線琯頭嶺隧道位于福建省連江縣境內(nèi),全長4103m。本隧道在DK280+950~DK281+100段下穿同(江)三(亞)高速公路既有琯頭嶺隧道左右線,新建隧道拱頂距既有高速公路隧道基礎(chǔ)底面約3.24m,平面交角約54°。此段地質(zhì)狀況為:J3nb晶屑凝灰?guī)r、凝灰熔巖,弱風(fēng)化,巖體較完整,巖石質(zhì)地較堅硬,基巖裂隙水不發(fā)育。既有高速公路隧道為兩車道上下行分離式隧道,線間距中至中45m,隧道凈高7m,凈寬10.8m,交叉段洞身初期支護為噴錨支護,噴射混凝土強度等級為C25,厚12cm,Φ8@200mm×200mm鋼筋網(wǎng),拱部組合式注漿錨桿,邊墻φ22砂漿錨桿,L=2.0m,間距1.2m×1.2m(縱向×環(huán)向),梅花型布置;模筑襯砌混凝土強度等級為C25,厚35cm,底板為C25鋼筋混凝土。由于兩隧道線間距中至中大于4倍洞徑(4×10.8m=43.2m),在圍巖條件較好的情況下,初步判定兩交叉點的應(yīng)力互不疊加,分析一個交叉點即可。2計算模型2.1支護結(jié)構(gòu)的粘聚力計算方法為了研究施工過程中的空間效應(yīng),計算中采用三維有限元模型,分析采用ANSYS有限元程序。圍巖采用等參20節(jié)點三維實體單元模擬,襯砌及底板采用等參8節(jié)點板殼單元模擬,為了減小邊界效應(yīng)的影響,模型沿新建隧道縱向取120m,橫向取80m,隧道上方按實際埋深考慮,新建隧道下方取30m計算范圍。模型上邊界取為自由邊界,下邊界約束y方向的位移,左右邊界約束x方向的位移,前后邊界約束z方向的位移。將開挖前進行的圍巖超前加固措施如錨桿、小導(dǎo)管按提高圍巖力學(xué)參數(shù)的等效原則來考慮,即提高圍巖的粘聚力和摩擦角來替代其作用,由于摩擦角改變較小,本文不予考慮,而加固區(qū)圍巖的粘聚力可由下式給出:c=c0(1+η9.8τSmab×104)(1)c=c0(1+η9.8τSmab×104)(1)式中:c0為未加固圍巖的粘聚力;c為加固后圍巖的粘聚力;τ為錨桿或小導(dǎo)管的最大抗剪應(yīng)力;Sm為錨桿或小導(dǎo)管的截面面積;a、b分別為錨桿或小導(dǎo)管的縱、橫向間距;η為經(jīng)驗系數(shù)。工字鋼的作用也采用等效原則予以考慮,即將工字鋼彈性模量折算到噴射混凝土上,其計算方法為:E=E0+SgEgSc(2)E=E0+SgEgSc(2)式中:E為折算為混凝土彈模;E0為原混凝土彈模;Sg為工字鋼截面面積;Eg為鋼材彈模;Sc為混凝土截面面積。分析時,圍巖材料按彈塑性考慮,屈服準則采用Drucker-Prager準則。在整個模擬過程中,有限元模型共劃分為43560個單元,其網(wǎng)格劃分如圖1、2所示。2.2隧道襯砌結(jié)構(gòu)考慮根據(jù)琯頭嶺隧道工程地質(zhì)勘察報告,本文研究范圍內(nèi)的隧道圍巖主要為Ⅱ~Ⅲ級,加固區(qū)圍巖按提高圍巖力學(xué)參數(shù)的方法簡化模擬,對于既有隧道襯砌結(jié)構(gòu),由于已建成通車多年,計算中只考慮其二次襯砌的影響,未考慮噴混凝土的支護作用,即拱墻二次襯砌采用C25混凝土,底板采用C25鋼筋混凝土,而對于新建隧道,從偏于安全的角度,僅考慮其初期支護,即25cm厚C25噴射混凝土。圍巖及混凝土材料的物理力學(xué)參數(shù)指標列于表1。3火炬分開挖計算荷載主要考慮地層的自重應(yīng)力場、混凝土襯砌的重力及既有高速公路隧道的路面活載。對隧道的開挖及襯砌的施作通過ANSYS程序提供的單元的“生”與“死”的功能來實現(xiàn)。施工過程模擬時,進行了簡化處理,既有高速公路隧道采用全斷面法一次開挖成洞,并施作襯砌,計算時其路面活載按20kN/m2考慮;新建隧道采用三臺階臨時仰拱法施工,各臺階縱向間距15m開挖后荷載釋放30%,施作初襯時再釋放30%,圍巖與支護體系共同承受剩余40%荷載。計算中主要考察新建隧道開挖對既有高速公路隧道產(chǎn)生的影響,為了說明上下隧道組成的空間交叉結(jié)構(gòu)的復(fù)雜受力特征,利用ANSYS程序的荷載步(loadstep)功能,模擬以下分部開挖:(1)新建隧道上臺階一次性開挖至交叉點前15m距離,并施作初襯。(2)新建隧道上臺階開挖至交叉點,中臺階一次性開挖至交叉點前15m,并施作初襯。(3)新建隧道上臺階開挖至交叉點后15m,中臺階開挖至交叉點,下臺階一次性開挖至交叉點前15m,并施作初襯。(4)新建隧道上臺階開挖完成,中臺階開挖至交叉點后15m,下臺階開挖至交叉點,并施作初襯。(5)新建隧道中臺階開挖完成,下臺階開挖至交叉點后15m,并施作初襯。(6)新建隧道下臺階開挖完成,并施作初襯。4交叉點變形及受力特性選取既有高速公路隧道的3個斷面為例來說明既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)的變形及受力特征,即交叉點前10m斷面(斷面1)、交叉點斷面(斷面2)、交叉點后10m斷面(斷面3),主要考察拱頂、拱腰及墻腳處豎向位移及襯砌內(nèi)力隨新建隧道施工推進的發(fā)展變化規(guī)律。4.1全封建區(qū)底板沉降隨著新建隧道的施工推進,交叉部空間結(jié)構(gòu)變形特征主要表現(xiàn)為:不對稱變形→局部區(qū)域顯著變形(受應(yīng)力集中影響)→近似對稱變形,既有隧道將產(chǎn)生不均勻沉降、不均勻側(cè)移和扭轉(zhuǎn),在交叉點斷面附近,既有隧道將產(chǎn)生最大位移,同時,在縱向上產(chǎn)生最大曲率變形。圖4給出了三個斷面中既有隧道底板結(jié)點豎向位移隨新建隧道施工推進過程的變化情況?？傮w來看,在整個施工過程中,斷面二中底板結(jié)點的沉降總是最大,斷面一次之,斷面三最小。在前4步開挖中,新建隧道掌子面及施工部位離既有隧道較近,引起的沉降也較大,前4步引起的沉降約占總沉降的70%,后兩步施工時,既有隧道底板沉降顯著減小,反映出新建隧道上、中臺階施工對地層的沉降影響較大,而下臺階施工對地層沉降的影響不十分明顯。從圖5可以看出,隨著新建隧道施工的推進,既有隧道交叉點斷面拱頂、拱腰及墻腳處沉降逐漸產(chǎn)生,當(dāng)新建隧道上臺階推進至交叉點前15m距離后,左、右拱腳由于離開挖掌子面較近,其沉降首先迅速增大,其它各處沉降也開始產(chǎn)生,及時施作初襯后,沉降變緩,施工繼續(xù)推進時,沉降又開始加速。當(dāng)新建隧道上臺階通過交叉點后,左、右墻腳沉降速率達到最大,施工繼續(xù)往前推進后,拱頂及左拱腰沉降迅速增大,直至新建隧道中臺階通過交叉點后15m后,沉降變化速率逐漸變小。其中最大沉降量為2.882mm,發(fā)生在底板的左墻腳處。圖6為新建隧道修建完成之后既有隧道底板中點縱向沉降槽曲線,可以發(fā)現(xiàn)既有隧道最大沉降發(fā)生在交叉點斷面附近,最大沉降量為2.662mm,當(dāng)施工掌子面距離交叉點斷面大于2.5~3倍洞徑時,沉降趨于平穩(wěn)。4.2既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力重分布分析表2、表3及表4給出了既有隧道三個斷面上拱頂、拱腰及墻腳處襯砌內(nèi)力及安全系數(shù)隨新建隧道施工推進的變化情況。從表中可知,隨著新建隧道的開挖,既有隧道襯砌內(nèi)力都有一定的調(diào)整。就總的趨勢而言,各斷面結(jié)點軸力均為增大,而彎矩變化較為復(fù)雜,其安全系數(shù)均有所降低,降低相對較多的部位為既有隧道交叉點斷面上靠近新建隧道掘進方向一側(cè)的左邊墻。從總體上看,由于新建隧道的施工推進,對既有隧道周邊巖體進行了擾動,產(chǎn)生了復(fù)雜的應(yīng)力重分布,使得既有隧道周邊巖體從原來的三次應(yīng)力場演變到五次應(yīng)力場,正是這種應(yīng)力場的演變導(dǎo)致既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力產(chǎn)生變異,影響最大的部位是底板的左、右墻腳處,但由于該段圍巖情況較好,而且上部隧道襯砌結(jié)構(gòu)雖然為構(gòu)造襯砌,但仍有一定的安全儲備,所以,在加以相應(yīng)的輔助施工措施和地層加固措施之后,下部隧道開挖應(yīng)力重分布作用不會對上部隧道襯砌構(gòu)成安全威脅,而且從分析結(jié)果來看,下部隧道的開挖對上部隧道交叉點斷面附近襯砌結(jié)構(gòu)影響較大,相距20m以后影響減弱。為了更全面地了解與分析新建隧道開挖對既有隧道穩(wěn)定性的影響,將新建隧道開挖及施作初襯全部完成后既有隧道襯砌及底板最大及最小主應(yīng)力分布云圖列出,如圖7、圖8所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn),既有隧道拱頂及拱腰主要受壓,極小范圍內(nèi)出現(xiàn)受拉的現(xiàn)象,且拉應(yīng)力很低。最大壓應(yīng)力和最大拉應(yīng)力都發(fā)生在底板上墻腳附近,最大壓應(yīng)力為11.6MPa,局部最大拉應(yīng)力為9.4MPa,且分布范圍極小,并可通過鋼筋的受力來改善,施工中應(yīng)重點觀察此部位混凝土的裂紋發(fā)展趨勢而進行加強。4.3隧道運營中出現(xiàn)的一些難題和病害交疊隧道的關(guān)鍵部位是兩隧道之間的巖層,也正是由于兩隧道之間巖層的垂直厚度較小,才導(dǎo)致新建隧道在施工中及既有隧道運營中出現(xiàn)的種種難題和病害。圖9給出了新建隧道施工完成后交叉段兩隧道之間巖層的塑性區(qū)分布,從圖中可以看出,由于兩隧道交叉段所處圍巖彈模及c、φ值相對較高,新建隧道開挖后圍巖中應(yīng)力大部分處于彈性狀態(tài),僅是在新建隧道拱頂及既有隧道底板左右墻腳處出現(xiàn)小范圍的塑性區(qū),塑性區(qū)深度約為0.3~0.5m。5鞏固上臺階后,隧道洞身距交叉點距離較大,這也從2通過對琯頭嶺隧道下穿既有高速公路隧道施工過程的三維彈塑性有限元分析,得出以下結(jié)論。(1)在三維狀態(tài)下,近距離交疊隧道開挖存在空間效應(yīng),隨著新建隧道開挖的進行,對既有隧道的影響逐漸由小變大,而后又慢慢變小,當(dāng)掌子面至交叉點距離大于3倍洞徑后,影響幾乎不存在。(2)由于