城市隧道穿越既有支挡结构开挖顺序及加固支挡优化研究

2020-03-11皮小强

公路交通技术 2020年1期

皮小强，徐国

(1.招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆 400067； 2.重庆交通大学土建学院，重庆 400074)

随着城市地下空间的开发及利用，隧道近接或穿越既有建构筑物的现象日益突出，不少学者和工程技术人员都做了大量研究。张学富等[1]以重庆市南坪中心交通枢纽工程暗挖隧道为背景，研究了隧道穿越空箱挡墙桩基础的施工方案；刘向远[2]以贵阳市轨道交通1号线下麦西隧道下穿环城高速公路交通涵洞出口挡土墙为例，探讨了隧道穿越挡墙时采用全断面法和双侧壁导坑法的优劣；陈旭杭等[3]对软土隧道施工穿越桥梁桩基障碍物技术进行了研究；肖博等[4]采用荷载-结构法对隧道穿越既有支挡结构时采用不同支挡结构方案和不同嵌固条件下的支挡结构进行了研究。综上所述，目前国内研究主要集中在隧道穿越既有桩基或挡墙的施工方法、支护类型和隧道的支护参数优化上[5-11]，对隧道在进出洞口穿越既有结构时其开挖顺序方面的研究鲜有报道[12-15]。为此，本文以重庆曾家岩嘉陵江大桥南侧主线隧道洞口穿越既有支挡结构为背景，分析了不同开挖顺序条件下对既有支挡结构的影响，并提出了加固原设计的合理建议。

1 工程概况

曾家岩南侧主线隧道全长约1.92 km，双向4车道，连拱型式。隧道在穿越交通量密集的南区路既有高支挡结构处出洞，高度约18.8 m，如图1所示；洞口段位于人工填土层和强风化泥岩中，厚度约15 m。既有支挡结构型式采用桩板挡墙，1.6 m×1.8 m的方桩，间距6 m，支挡结构加固原设计方案采用双排抗滑桩+斜撑+预应力锚索，即在既有支挡结构背后设置2 m×3 m的2根抗滑桩+3根预应力抗滑桩，中部3根桩再采用斜撑+桩的型式联系，锚索长29 m，设计轴力300 kN，支挡结构加固前后如图2～图4所示。

图1 施工前实景

图2 施工后实景

单位：mm

该段隧道原设计施工顺序如图5所示：①中导洞Ⅰ先开挖，并及时施作中导洞初支；②完成中隔墙浇筑施工；③中隔墙顶部回填；④中隔墙横撑施作；⑤左洞左导坑上台阶Ⅱ开挖并及时施作初期、临时支护；⑥左洞左导坑下台阶Ⅲ开挖并及时施作初期、临时支护；⑦左洞右导坑上台阶Ⅳ开挖并及时施作初期支护；⑧左洞右导坑下台阶Ⅴ开挖并及时施作初期支护；⑨拆除左洞临支，施作左洞仰拱、二次衬砌；⑩右洞右导坑上台阶Ⅵ开挖并及时施作初期、临时支护；右洞右导坑下台阶Ⅶ开挖并及时施作初期、临时支护；右洞左导坑上台阶Ⅷ开挖并及时施作初期支护；右洞左导坑下台阶Ⅸ开挖并及时施作初期支护；拆除右洞临支，施作右洞仰拱、二次衬砌。完成后的隧道衬砌结构如图6所示。

单位：mm

2 地层-结构法计算模型

2.1 计算模型

2.1.1 计算假设和边界条件

1) 岩土体视为均质连续体，忽略实际岩体中的节理裂隙问题，在变形过程中各结构不产生相对滑动或脱离；2) 岩体初始应力场仅考虑汽车荷载作用和自重作用下的应力；3) 将岩土视为各向同性的理想弹性-塑性材料，并采用Drucker-Prager屈服准则，其余均视为弹性材料；4) 数值模拟中不模拟弹性压缩造成的锚索预应力损失；5) 不考虑地下水的作用；6) 水平施加X方向约束，底部边界施加Z方向约束。

2.1.2 三维模型及参数

建模时，隧道、围岩、既有支挡结构及二衬都采用六面体网格，初支和临支用壳单元，加固支挡都用三维梁单元。隧道每次开挖进尺3 m。模型尺寸按隧道跨度的3～5倍选取，如图7所示，围岩和支护的物理力学参数见表1。六面体单元同预应力锚索三维梁单元用“约束方程”连接，代替自由度耦合方式，约束方程是联系自由度的线性方程，公式如下：

(1)

式中：U(I)为自由度项；C(I)为自由度项U(I)的系数；N为方程中项的编号。

表1 围岩和支护物理力学参数

单位：m

图7模型网格

Fig.7 Mesh graph of model

2.2 隧道出洞开挖顺序模拟分析

2.2.1 隧道3种开挖顺序

既有支挡结构仍然为原设计方案，隧道洞口段采用3种开挖顺序：1) 隧道顺向开挖，即从隧道外向里开挖，如图8(a)所示；2) 隧道逆向开挖，即从隧道里往外开挖，如图8(b)所示；3) 隧道先顺后逆开挖，即先从隧道外向里开挖中导洞，后从隧道里向外开挖左右洞，如图8(c)所示。

(a) 顺向开挖示意

(b) 逆向开挖示意

图8隧道不同开挖顺序

Fig.8 Orders of tunnel excavation

2.2.2 隧道3种开挖顺序计算结果分析

隧道顺向开挖，既有支挡和加固支挡结构变形和受力云图如图9～图12所示，3种开挖顺序对既有支挡和加固支挡结构的变形及受力结果见表2、表3。

单位：m

单位：N

单位：N·m

1) 位移分析

通过数值模拟隧道不同开挖顺序出洞对结构的位移进行计算，得到既有支挡和加固支挡各不利位置随开挖顺序的位移变化曲线，如图13、图14所示。

分析图13、图14可知，支挡结构的水平位移大小为：顺向开挖>先顺后逆开挖>逆向开挖，计算位移值亦与现场监控量测值发展趋势一致，说明隧道采用逆向开挖为最安全的情况。由表2、表3可知，先顺后逆开挖产生的位移值约占顺向开挖的73%，逆向开挖位移值约占顺向开挖的63%，先顺后逆开挖虽然大于逆向开挖位移值，但其数值与逆向开挖数值差仅占顺向开挖的10%，说明先顺后逆开挖虽然在安全性上不如隧道逆向开挖，但由于先顺后逆施工空间大，施工管理协调更高效，可在保证安全的前提下节省工期，提高经济效益。

表2 隧道不同开挖顺序下各结构的位移值 mm

表3 隧道不同开挖顺序下各结构的弯矩和对应轴力值

图13 既有支挡水平位移对比

图14 加固支挡位移对比

2) 受力分析

受力分析针对加固支挡抗滑桩、地连梁、斜撑和既有支挡的最大弯矩值及其最大弯矩值对应的轴力值进行统计，得到支挡结构不利位置处的弯矩和轴力随开挖顺序变化的曲线，如图15、图16所示。

图15 加固支挡轴力对比

由图15、图16可知，在隧道逆向开挖时的最大弯矩都小于另外2种开挖方式，同时其对应轴力也大于另外2种开挖方式。其中隧道逆向开挖对应的弯矩和轴力与先顺后逆对应轴力值相差8%左右，说明隧道出洞开挖顺序对既有支挡受力影响较小。

图16 加固支挡弯矩对比

综上分析，偏安全的开挖顺序是隧道逆向开挖；保证安全的前提下偏经济的开挖顺序是先顺后逆开挖，说明原设计采用先顺后逆的开挖顺序是合理的。

2.3 加固支挡结构设计优化分析

2.3.1 加固支挡结构优化工况

加固支挡斜撑体系在现场现浇施工时风险较大，斜撑施工不便，同时根据模拟计算结果，隧道出洞开挖时，对既有支挡内侧进行了卸载，主要风险为拱顶下沉和路面沉降，而对既有支挡及加固支挡影响相对较小，原设计保守，存在优化空间。为了确立一个经济、安全、合理的出洞方案，本文提出2种典型优化工况，与原设计共3种工况，如图17所示。

(a) 工况

(b) 工况2

工况1为原加固设计，采用双排抗滑桩(含冠梁、横梁、地连梁、肋柱)+斜撑+预应力锚索加固体系，如图17(a)所示；工况2为在原加固设计基础上，取消预应力锚索，如图17(b)所示；工况3为在原加固设计基础上取消斜撑、外侧地连梁及外排抗滑桩，如图17(c)所示。

2.3.2 加固支挡结构设计优化

结构设计优化通过固定隧道开挖方式，单一改变其结构优化形式，两两对比结构内力、位移的变化，从而分析不同加固方案的优劣，下面对3种工况下优化进行对比分析。

1) 位移分析

通过地层-结构法计算加固支挡结构3种优化工况，得到既有支挡与加固支挡不同位置处的最大位移值，如表4所示。

表4 既有支挡与加固支挡位移统计 mm

从表4工况2、工况3和原设计工况1两两对比可得：工况3在既有支挡顶部位移值均小于工况2和原设计工况1，说明工况3(抗滑桩加锚索结构)对减小墙顶水平位移效果较好。原设计工况1和工况2在隧道拱顶部位水平位移值相差不大，但这2个工况的隧道拱部位置的水平位移都小于工况3(无斜撑)，说明斜撑对减小既有支挡墙身隧道部位位移效果较好。因结构主要风险为墙顶水平位移，单从位移分析看，工况3墙顶水平位移最小，原设计工况1的结构兼得工况2和工况3的综合优势，但墙顶位移大于工况3。

2) 受力分析

通过受力分析可知结构的安全性，计算统计的既有支挡与加固支挡不同位置最大弯矩值及其最大弯矩对应的轴力如表5所示。

从表5最大弯矩值可以看出，采用工况3和工况2优化方式的最大弯矩都比原设计的最大弯矩值要大，其中工况2最大弯矩值比原设计提高了约18.32%，而工况3的最大弯矩值比原设计提高了约42%；从表5最大轴力值可以看出，3种工况的轴力值相差在5%以内，总体相差不大，说明不同的加固方案对既有支挡最大弯矩值的影响较大，对轴力值影响较小。通过配筋验算，3种方案都是安全的，其中工况3的弯矩最大。