基于PFC3D的新建下穿隧道对既有隧道的影响分析

2022-06-21黄春峰赵苏文孙淼军邱烈望

水力发电 2022年3期

黄春峰，赵苏文，孙淼军，邱烈望

(1.上海铁路枢纽建设指挥部，上海 200071；2.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州 311122；3.浙江华东建设工程有限公司，浙江杭州 310010；4.新疆大学建筑工程学院，新疆乌鲁木齐 830046)

0 引言

近年来，随着城市的不断发展，交通压力不断增大，促使城市地下交通网络不断发展和完善，越来越多的隧道之间的交叉穿越工程不断增多。既有运营隧道在施工时已经对周围的土体产生了一定范围的扰动，破坏了土体原有的平衡状态。因此，研究新建隧道下穿既有隧道施工时对既有隧道的影响是十分重要的。

对于新建下穿隧道施工对既有隧道影响的研究，一般采用实测分析、数值模拟、模型试验和理论计算[1- 4]等方法。杨福麟等[5]运用有限元数值模拟软件MIDAS/GTS，对隧道开挖引起的沉降进行了模拟研究。李鹏等[6]应用三维有限元数值方法，研究了新建盾构隧道施工引起既有越江隧道的变形及其内力变化规律。王坚[7]采用数值分析和有限元仿真数值模拟，对地铁隧道开挖引起的沉降和既有隧道结构变形进行了研究。Zhang等[8]采用模型试验和有限元软件模拟新建隧道对现有隧道的影响，揭示了结构内力、土体应力的变化规律。甘晓露等[9]采用Pasternak 弹性地基梁模型和Loganathan-Polous解，提出双线隧道下穿作用下既有隧道纵向变形的简化计算方法，利用指数曲线公式量化双线隧道开挖引发土体损失之间的差异。Zhao等[10]基于Midas数值模型评价了左线和右线开挖方案对新开挖和既有隧道变形特性的影响，确定了左线优先开挖的优势，采用施工监测方法，分析了既有隧道的沉降和水平变形特征。此外，还有许多学者在地铁隧道开挖稳定性分析中采用理论和数值模拟等方法进行了相关研究[11-12]。

新建隧道下穿既有隧道有平行、斜交、正交下穿等方式。本文采用离散元PFC3D，以乌鲁木齐地铁河南路段区间工程为例，模拟分析新建地铁隧道正交下穿时对既有隧道的影响，计算分析新建地铁隧道在开挖过程中周围土体的位移、应力变化，以及既有隧道在新建隧道开挖过程中的位移和应力变化。

1 工程概况

乌鲁木齐地铁河南路段区间建设中3号线与4号线形成交叉穿越隧道，其中3号线在该区间为既有隧道，隧道半径为2.8 m。既有隧道顶端上覆土层厚度为11 m，在地表处有较薄杂填土层，新建隧道顶端到既有隧道底部距离为11 m。既有隧道与新建隧道位置关系见图1。既有隧道和新建隧道主要处在粉质黏土地层中。新建隧道与既有隧道外径均为5.6 m，管片厚度为0.35 m，每环管片拟采用长度为1.2 m。不考虑地下水对隧道施工的影响。

图1 既有隧道与新建隧道位置关系(单位：m)

2 离散元数值建模

2.1 理论基础

颗粒流(PFC)计算方法[13]是一种离散元计算方法。在PFC中颗粒与颗粒之间遵循牛顿第二定律和力-位移定律，可直接模拟圆形颗粒的运动和互相作用问题，同时可以有效模拟大变形问题。在离散元PFC3D中提供了多种接触模型，本文采用线性平行粘结接触模型，该模型在颗粒间接触点处具有恒定的法向刚度和切向刚度，并允许在接触间产生张力。根据力-位移定律，接触力和弯矩计算公式为

(1)

(2)

2.2 模型建立

本文采用离散元软件PFC3D建立三维数值模型，建立的模型尺寸为45 m×44 m×48 m。为提高计算效率，建立模型时对颗粒尺寸按一定比例进行放大。模型生成33 762个颗粒。离散元模型见图2。计算模型土层及衬砌物理力学参数见表1。

表1 土层及衬砌物理力学参数

图2 离散元初始三维模型

为分析新建下穿隧道对既有隧道的影响，在模型周围设置监测点，用于监测新建隧道开挖过程中隧道周围位移和应力变化。共设置52个监测点。监测点布置及编号见图3。其中，监测点1、16距既有隧道轴线(Y方向)17.75 m，监测点1～8、9～16之间间隔2 m。监测点21在既有隧道上方(Z方向)15.65 m处，监测点17～21之间间隔2 m。监测点22位于既有隧道下方(Z方向)1.9 m处，监测点22～26之间间隔为2 m。监测点27、42距新建隧道轴线(X方向)17.75 m，监测点27～34、35～42之间间隔为2 m。监测点43在新建隧道底部(Z方向)-3.9 m处，监测点43～52之间间隔为2 m。

图3 监测点布置

3 模拟结果

3.1 位移分析

既有隧道不同监测点位移见图4。从图4可知，新建隧道开挖完成后，在既有隧道上方竖向位移总体呈增加趋势，在监测点21(上方Z方向15.65 m处)竖向位移值较小，而在近地表处竖向位移值最大。既有隧道Y方向在监测点1～8(-17.75～-3.75 m范围内)竖向位移较监测点9～16(3.75～17.75 m范围内)变化值较大，而在开挖步达到1即开挖到既有隧道下方时，在监测点9～16(3.75～17.75 m范围内)竖向位移产生突变，位移增加。

图4 既有隧道不同监测点位移

新建隧道不同监测点位移见图5。从图5可知，新建隧道底部不同监测点竖向位移总体呈增加趋势，而开挖步达到1即开挖到既有隧道下方区域时在监测点45(-9.9 m处)和监测点44(-7.9 m处)竖向位移产生较大变化，而其他监测点竖向位移未产生突变。新建隧道左右两侧在监测点34(-3.75 m处)和监测点35(3.75 m处)竖向位移产生较大变化，而其他监测点位移变化较小。

图5 新建隧道不同监测点位移

新建隧道与既有隧道间监测点位移见图6。从图6可知，在新建隧道与既有隧道之间竖向位移在监测点22(1.9 m处)和监测点23(3.9 m处)位移值变化较大，新建下穿隧道开挖对既有隧道下方位移影响较大。

图6 新建隧道与既有隧道间监测点位移

3.2 应力分析

既有隧道不同监测点应力见图7。从图7可知，既有隧道上方不同监测点竖向应力变化较小，即新建下穿隧道开挖对既有隧道上方应力影响较小。而在既有隧道两侧在监测点8(-3.75 m处)和监测点9(3.75 m处)水平应力具有较大变化值，且随着开挖的进行水平应力呈减小趋势，在此范围内对既有隧道水平方向影响较大。而其他监测点水平应力变化较不显著，影响较小。

图7 既有隧道不同监测点应力

新建隧道不同监测点应力见图8。从图8可知，新建隧道左右两侧水平应力在监测点34(-3.75 m处)和监测点35(3.75 m处)且开挖步达到0.5时有较大变化值，而在监测点33(-5.75 m处)和监测点36(5.75 m处)水平应力变化值较小，其他监测点水平应力变化较不显著，影响较小。新建隧道底部竖向应力在监测点44(-5.9 m处)变化值较大，在开挖到既有隧道下方时有较大的应力降低，其他监测点应力变化较不显著。