大直径盾构隧道平行近接施工影响分析

赵 阳 张庆芸 张 迪 郭小青 王少锋

(1.江苏省交通工程建设局, 210001, 南京; 2.中铁第四勘察设计院集团有限公司, 430063, 武汉; 3.上海同岩土木工程科技股份有限公司, 200092, 上海; 4.上海地下基础设施安全检测与养护装备 工程技术研究中心, 200092, 上海∥第一作者, 正高级工程师)

城市轨道交通隧道工程受限于线位选择,常常以双孔、多孔平行或上下叠穿的形式出现。新建隧道近接施工会对周围土体产生扰动,引起地层发生位移及应力重分布,为既有隧道带来一定的安全风险。为了合理控制新建隧道近接施工对既有隧道的影响,有必要对隧道近接施工影响进行研究。

目前,已有不少学者围绕隧道平行近接施工对既有隧道的影响进行了研究。文献[1]采用FLAC3D软件研究武汉地铁平行侧穿区间隧道工程,研究结果表明既有隧道两侧水平变形呈现向新建隧道内凸的趋势。文献[2]采用FLAC3D软件和现场试验的方法,获得了由盾构施工引起的既有平行隧道附加内力及变形变化规律。文献[3]采用Plaxis软件研究了软土中不同隧道净距与角度工况下,盾构施工对既有地铁隧道变形和衬砌内力的影响规律,获得了软土地区近接分区影响范围。文献[4]采用模型试验和数值计算方法,研究分析了不同净距条件下,右线隧道开挖对左线隧道衬砌位移变化、衬砌内力变化的影响。文献[5]采用理论公式和Abaqus软件数值模拟的方法,研究了盾构施工引起的既有平行隧道的附加位移。文献[6]通过现场监测的方法,分析了苏州轨道交通4号线区间双线盾构隧道中,后行隧道施工引起先行隧道附加应力场的变化规律。文献[7]采用有限元刚度迁移法及现场实测数据,研究了地铁区间双线隧道后行隧道施工过程对先行平行隧道的影响,发现已建隧道的位移及内力都有较大程度的降低。文献[8]采用FLAC3D软件研究了盾构施工对既有平行隧道结构安全性的影响,并给出了近接影响分区。

综上可知,目前对于平行盾构隧道近接施工的研究主要集中于地铁隧道等小直径隧道,而对于大直径水下盾构隧道的研究较少,且缺少对于不同施工净距影响规律的研究。海太长江隧道工程采用公铁分建方式,后建铁路隧道平行近接施工会引起先建公路隧道周围土体的扰动,进而对先建隧道的应力和变形带来影响。鉴于此,本文依托海太长江隧道工程,通过建立三维地层-结构模型和三维精细化荷载-结构模型,研究不同施工净距下,后建铁路隧道施工过程对先建公路隧道的应力和变形影响规律。本文研究可为确定海太长江铁路隧道合理施工间距提供指导。

1 工程概况与分析方法

1.1 工程概况

海太长江隧道段全长11.185 km,采用盾构方案穿越长江,盾构隧道全长9.315 km,为双管六车道,隧道衬砌环外径为16.0 m,厚度为0.7 m,环宽为2.0 m,是目前穿越长江直径最大、距离最长的过江交通隧道。隧道穿越地质条件复杂,沿线穿越不均匀地层,主要为粉细砂、粉土、淤泥质粉质黏土等。公路隧道纵断面地质剖面图如图1所示。海太过江公路隧道下游侧为后期建设的如通苏湖城际铁路隧道,铁路隧道与公路隧道基本平行,二者的平面位置关系示意图如图2所示。后建铁路隧道为单洞隧道,隧道采用C60预制钢筋混凝土管片,衬砌环外径为14.5 m,厚度为0.6 m,环宽为2.0 m。

图1 公路隧道纵断面地质剖面图

1.2 分析方法

通过建立三维地层-结构模型,分析后建铁路隧道施工对公路隧道的受力变形特性影响。由于考虑管片分块拼装会显著增大模型的计算量,因此管片采用均质圆环等效模拟。针对收敛变形最大的隧道断面,建立考虑管片分块拼装的10环精细化荷载-结构模型,分析隧道结构的横向力学特性。

1.2.1 纵向分析模型

考虑到数值模型的边界效应,模型边界x向距隧道不小于3D(D为公路隧道外径),y向距隧道不小于2D,z向总长度不小于6D,模型尺寸(x×y×z)为195 m×87 m×96 m。计算模型示意图如图3所示。

图3 计算模型示意图

隧道管片均采用塑性损伤本构模型(模型参数:膨胀角为30°,流动势偏移量为0.1,双轴受压与单轴受压极限强度比为1.16,不变量应力比为0.667,黏滞系数为0.000 5)模拟,土体采用摩尔-库伦模型模拟;钢筋和螺栓采用梁单元模拟,为理想弹塑性材料。管片与土体之间、管片环间均采用摩擦接触,摩擦因数取0.3,钢筋与螺栓嵌入管片混凝土。口子件与管片之间采用绑定约束;口子件横向之间采用绑定进行约束,环间设置摩擦接触,摩擦因数取0.3。模型四周约束水平向位移,底部约束竖向位移,顶面为自由面。

通过进行均质圆环及分块管片单环模型试算,确定公路隧道均质圆环的管片弹性模量折减系数取为0.85。土层物理力学参数及隧道材料参数如表1和表2所示。

表1 土层物理力学参数

表2 隧道材料参数

1.2.2 横向分析模型

公路隧道管片采用“9+1”分块方式,横向分析模型示意图如图4所示。管片及内部结构采用塑性损伤本构模型模拟,土体采用摩尔-库伦模型模拟;钢筋和螺栓采用梁单元模拟。管片分块之间、环间均采用摩擦接触,钢筋、螺栓嵌入管片混凝土中。管片外侧分别与法向、切向接地弹簧相连接,根据地勘报告计算可得,径向弹簧系数为1.36×107N/m、切向弹簧系数为1.36×106N/m。管片两端面约束沿隧道轴向方向位移。将地层-结构模型中的最大收敛变形施加于荷载结构模型上,能够获得隧道结构横向力学响应。

图4 公路隧道横向分析模型示意图

1.3 计算工况

计算工况如表3所示。

表3 计算工况

1.4 盾构施工过程模拟

后建铁路隧道每次推进距离为管片环宽2 m。铁路隧道施工过程模拟流程为:①通过“生死单元”功能实现隧道、管片衬砌和注浆部位土体的开挖,同时在前方开挖面上施加均布土舱压力;②在盾尾生成管片单元,并施加径向均布注浆压力,盾构机每推进一环,将盾尾后一环材料改设为硬化后的注浆材料。根据新建盾构隧道上覆土层地质条件和朗肯土压力理论,盾构隧道中轴线处的侧向静止土压力为0.79 MPa,浮动压力取为0.02 MPa,则模型中土舱压力取为0.81 MPa,注浆压力取为0.20 MPa。

2 先建公路隧道结构的力学响应分析

首先,对施工净距为48 m(3D)时的公路隧道力学响应特点进行分析。

2.1 管片变形

铁路隧道开挖前后,先建公路隧道的管片横断面变形示意图如图5所示。由图5可知:①铁路隧道开挖前,先建公路隧道由于自身开挖引起的拱顶沉降约为8.7 mm,拱底上浮约为19.7 mm,竖向收敛变形约为28.4 mm;铁路隧道开挖后,公路隧道拱顶沉降变为8.0 mm,拱底上浮约为19.6 mm,竖向收敛变形约为27.6 mm。由此可知,铁路隧道的开挖对先建公路隧道的竖向收敛变形影响较小,公路隧道的拱顶沉降和拱底上浮程度略有减小。②铁路隧道开挖前,先建公路隧道开挖完成时的最大水平位移约为11.8 mm,水平收敛变形约为23.4 mm;铁路隧道开挖后,公路隧道左拱腰(远离铁路隧道侧)的水平位移相比铁路隧道开挖前有了明显的增加(约为13.5 mm),而右拱腰(靠近铁路隧道侧)的水平位移则显著减小(约为9.0 mm),水平收敛变形减小为22.5 mm。由此可知,铁路隧道的开挖对先建公路隧道的水平变形影响较为明显,先建公路隧道朝着背离铁路隧道的方向发生刚体位移。

单位:mm

由于数值模拟未考虑盾构施工过程中地层损失的影响,因此,铁路隧道施工对公路隧道的影响主要表现为侧向挤压作用,使得先建隧道原来的“横鸭蛋”变形有一定程度的减小。

2.2 管片应力

铁路隧道开挖前后,公路隧道管片的最大主应力和最小主应力分布云图如图6所示。由图6可知:①铁路隧道开挖前,公路隧道开挖完成时的管片最大主应力约为1.91 MPa,位于拱底内侧;公路隧道管片最小主应力约为12.70 MPa,位于拱腰内侧。②铁路隧道开挖完成后,公路隧道管片最大主应力约为1.84 MPa,位于拱底内侧;公路隧道管片最小主应力约为12.20 MPa,位于拱腰内侧。在铁路隧道开挖后,公路隧道管片的最大主应力和最小主应力均有所减小,这是由于铁路隧道结构变形对公路隧道产生的侧向挤压作用造成的。

a) 铁路隧道开挖前的最大主应力

2.3 环向钢筋应力

铁路隧道开挖前,公路隧道开挖完成时的管片钢筋最大主应力约为18.00 MPa,位于拱底位置。

铁路隧道开挖完成后,先建公路隧道管片钢筋最大主应力变为17.30 MPa,数值略有减小。管片钢筋应力水平较低,未发生屈服现象。

2.4 管片连接螺栓应力

铁路隧道开挖前,公路隧道开挖完成时的纵向螺栓最大主应力约为38.40 MPa。铁路隧道开挖后,先建公路隧道的管片纵向螺栓最大主应力变为37.80 MPa,数值略有减小。公路隧道纵向螺栓应力处于弹性状态。铁路隧道开挖前后,公路隧道环向螺栓最大主应力均约为55.60 MPa,无明显变化。公路隧道环向螺栓应力处于弹性状态。

3 不同施工净距对公路隧道影响的对比分析

不同施工净距下,铁路隧道开挖对先建公路隧道变形的影响如表4所示。由表4可知:不同施工净距下,铁路隧道开挖对公路隧道的变形影响规律基本一致,均表现为相对于铁路隧道开挖前拱顶沉降、右拱腰位移减小、竖向收敛和水平收敛变形减小及左拱腰位移增加,公路隧道往背离后建隧道方向发生水平刚体位移;随着施工净距的增加,铁路隧道开挖后,公路隧道变形变化幅值基本呈减小的趋势。

表4 不同施工净距下铁路隧道开挖对公路隧道变形影响

不同施工净距下,铁路隧道开挖对公路隧道应力的影响如表5所示。由表5可知:不同施工净距下,铁路隧道开挖对公路隧道的应力影响规律基本一致,相对于铁路开挖前,公路隧道的管片应力、钢筋应力及螺栓应力均有所减小,这是由于后建铁路隧道结构变形对侧向土体产生挤压作用引起的;随着施工净距的增大,公路隧道的管片应力、钢筋应力及螺栓应力的减小幅度呈减小趋势。

表5 不同施工净距下铁路隧道开挖对公路隧道应力影响

4 结论

1) 铁路隧道开挖对先建公路隧道的应力和变形均产生了一定程度的影响。总体而言,铁路隧道开挖对公路隧道的水平变形影响较竖向变形更为明显。铁路隧道开挖后,公路隧道的拱顶沉降、竖向收敛及水平收敛变形均有所减小,隧道整体发生背离后建隧道的刚体位移。公路隧道管片应力、钢筋应力及螺栓应力均有所减小,后建铁路隧道施工对先建公路隧道产生了侧向挤压的作用。

2) 不同施工净距下,铁路隧道施工对先建公路隧道的受力变形性能的影响规律基本一致。随着施工净距的增大,铁路隧道开挖对公路隧道的影响程度逐渐减小,公路隧道变形及应力变化幅值基本呈减小的趋势。

3) 本文模拟的工况为假定地层损失率为0的理想情况,实际施工过程中,需要考虑盾尾空隙、施工时效等因素造成的地层损失,后续研究应增加考虑铁路隧道施工过程中地层损失对公路隧道的影响分析。