上方路基开挖对既有隧道的影响研究

黄文杰

(中铁十八局集团 第二工程有限公司,河北 唐山 130200)

近年来,随着地面建筑及交通建设趋于饱和,现有的交通设施超负荷运转,满足不了发展的需要,严重阻碍了国家和地区经济发展。为缓解巨大的交通压力,隧道及地下结构的修建已迫在眉睫。在现有隧道工程中,铁路隧道所占比例已呈现跨越式增长趋势。隧道修建后因围岩应力的改变,导致隧道运营安全受到影响。目前隧道下穿既有隧道、上跨既有隧道等形式已十分常见,其中新建桥梁桩基或路基等建筑物对既有隧道的影响需要认真对待,防止上部建筑施工影响既有隧道安全[1-2]。

国内外就路基开挖对既有隧道造成的影响开展了大量研究,其中不少专家学者通过数值模拟软件对路基开挖造成的隧道影响进行分析。王晓星等[3]通过数值模拟研究路基不同开挖方法对既有隧道的影响,结合衬砌结构内力及位移等指标,得出机械法开挖路基对既有隧道影响较小,但遇到硬岩时,可在中间穿插使用爆破法的结论;史世波等[4]采用二维和三维有限元法针对路基开挖与回填等工况进行模拟,分析既有盾构隧道衬砌结构的受力与变形情况,得出新建路基换填采用轻质泡沫土的处理方式安全可行;彭智勇等[5]通过数值模拟对邻近盾构区间上部路基开挖方案进行分析,确定路基卸荷对盾构区间变形的影响规律,并得到路基开挖施工优化方案。也有部分专家学者结合设计规范采用相关方法进行验算,叶道奎[6]采用破损阶段法和容许应力法对路基施工下隧道结构受力进行分析,从强度、应力等方面出发对路基施工及运营两阶段隧道结构进行检算,得到路基施工两阶段对既有隧道的影响;何达[7]针对铁路路基上跨在建公路隧道进行研究,通过计算分析确定城市小净距构筑物之间受力情况。以上研究考虑公路路基开挖对既有隧道造成的影响,但研究重点多侧重于开挖方式的优化。

笔者依托京藏公路路基上跨六盘山隧道施工工程,通过FLAC3D数值模拟软件对各开挖工序进行模拟,结合路基施工对既有隧道位移及应力等指标的影响展开研究,同时依托监测断面得到的沉降数据,计算不同开挖方式对既有隧道的影响程度,从而确定合理的路基施工方案,并为类似上跨路基工程施工提供参考。

1 工程概述

1.1 隧道简况

京藏公路路基上跨六盘山隧道全长2 190 m,最大埋深约205 m,进口里程DK282+475,出口里程DK284+665,单线隧道,设计为-5‰的单面下坡,全隧道除DK282+483.314—DK283+345.206段位于半径R=1 200 m的左偏曲线上外,其余地段均为直线,隧道进口接路基工程,出口接中桥。隧道各连接工程平面如图1所示,横断面如图2所示。

图1 隧道各连接工程平面图( 单位:m)

图2 隧道各连接工程横断面图(单位:m)

全隧环境作用等级为H2。两隧道交叉段洞身标为DK283+651—DK283+687,洞身围岩级别为Ⅳ级,衬砌类型为Ⅳa型,隧道二次衬砌为C40混凝土,厚度为45 cm。

1.2 地质条件

该深挖方路堑段地形相对起伏较大,局部横坡较陡,路线穿越坡面山脊,挖方路段280 m ,中桩最大挖深17.43 m,右侧挖深较大,路线走向42°。地形自然坡度一般为15°～30°,坡度较缓。深挖路堑段范围内地表水主要为季节性坡面汇流水,勘察期间属旱季。深挖路堑段岩体较破碎,属不均匀地基,故挖方区划分为对建筑抗震不利地段,场地类别为Ⅱ类。

2 建模和开挖方案

2.1 建模方针

基于平面应变假定的二维数值仿真方法,因其耗时少,对计算机硬件要求低,可在较短时间内对多种施工工艺、施工顺序、施工效率、相关参数、工期、安全性等进行科学分析,在单一洞室的仿真分析研究中应用较为普遍。二维数值仿真方法因为无法得到施工全过程中围岩和支护结构的纵向力学效应,且不能全面考虑时间和空间效应,所以存在着某些限制,无法解决近接隧道类施工问题。

尽管三维数值仿真需要花费较长时间,对计算机硬件具有一定硬性要求,但它可以比较完整地对施工全过程中围岩与支护结构的纵向受力效应进行有效重现,同时也能完整地模拟各个建筑物间的相互作用,因此笔者拟采用三维有限差分数值模拟软件进行精细化建模,对既有隧道因路基开挖而产生的变形进行分析,并对其影响进行全过程模拟。

2.2 计算模型及参数

按照工程情况对隧道埋深和公路路基开挖进行有效模拟,整个模拟计算选取FLAC3D有限差分元相关通用程序。范围界定是按照工况顺着路基沿横向取120 m(对应隧道DK283+610—DK283+733),顺着路基纵向取140m(K1+840—K1+980),深度取隧道仰拱下方50 m。模型具体约束情况依次是前后、左右方向受到水平的制约,顶面是自由表面,而垂直方向底面受到竖向的制约。在模拟计算中,岩体和隧道衬砌都通过弹塑性实体单元进行有效模拟。本文主要考虑公路路基开挖对既有隧道造成的影响,整个计算模型网格数量相对较大。为得到精确的计算结果,提高计算效率,下部岩体和衬砌采用六面体单元映射划分,对隧道周围网格进行加密。由于上部路基呈曲线型分布,为保证网格耦合,减少计算模型网格数量,上部地表部分选取四面体自由化分,建立的模型共410 870个节点,564 041个单元。三维模型及网格划分如图3所示,隧道与路基交互关系透视如图4所示。

图3 三维模型及网格划分

图4 隧道与路基交互关系透视

计算参数取值参照地勘资料所建议的地层参数进行选取,混凝土参数根据《公路工程技术标准》(JTG B01—2014)[8]设置,相关参数如表1所示。

表1 相关计算参数

2.3 荷载确定

高速公路运营期间公路I级荷载根据《公路工程技术标准》(JTG B01—2014)[8]选取,轴重力单位为kN,尺寸单位为m。车辆荷载布置如图5所示。

图5 车辆荷载布置图

假设双向四车道路面宽24.0 m,考虑最不利的情况(双向堵车、汽车满载),再考虑超载系数2,则汽车均布荷载换算为

qk=q1×1×2/s

(1)

式(1)中:q1为道路总荷载,kN,道路为双向四车道,q1=4q,q为单车道总荷载,kN;s为道路面积,m2;由于汽车为动荷载,考虑汽车动荷载冲击,取冲击系数为2,故本次计算汽车均布荷载取qk=24.4 kN/m。

2.4 开挖过程

笔者研究重点主要在于路基开挖对既有隧道的影响,因此,隧道采用一次性全断面开挖,不涉及相关工法及工序的转换。在隧道开挖完成后,进行位移清零,然后按下列步骤进行路基开挖:路基分为上中下三层,其中路基上层为图6(a)白色框、中层为图6(b)白色框、下层为图6(c)白色框,每层路基循环开挖,且开挖顺序为由上到下,循环开挖进尺长度为10 m。路基开挖至隧道正上方过程示意如图6所示。

图6 路基开挖至隧道正上方过程示意

3 计算结果分析

不同的开挖路基方式对隧道结构的影响也有一定差异,对上述开挖方式下的计算结果进行提取,得到该开挖形式下既有隧道位移及应力的云图(图7)。

图7 开挖完成时既有隧道云图

路基开挖完成后既有隧道竖向位移最大值为0.32 mm,发生在隧道拱顶部位,而隧道最小主应力的最大值为-3.53 MPa。根据拉正压负原则,表明隧道最小主应力最大值为压应力,隧道最大主应力的最大值为-0.41 MPa,同样以压应力为主。隧道最大主应力与最小主应力的最大值均发生在隧道两侧墙脚处,表明在隧道施工时,为避免上部建筑物对既有隧道带来的影响,应加强隧道墙脚部位的监测,适当对隧道墙脚处进行加强,防止该部位开裂影响运营安全。

为准确分析路基开挖对既有隧道的影响,计算分析时选取既有隧道三个监测断面进行位移监测,其中三个监测断面的里程分别位于既有线里程中的DK283+639,DK283+669,DK283+699处,监测断面布置如图8所示,其中监测断面主要关注既有隧道的6个部位的位移沉降,监测部位如图9所示。

图8 既有隧道监测断面布置图

图9 既有隧道位移沉降监测部位

选取路基上层开挖至隧道相交点正上方及路基开挖完成时云图进行分析,剩余两层路基开挖完成后的云图不再展示。表2是对计算完成后的各项数据进行的统计。

表2 既有隧道监测点在不同开挖里程下的最大位移 单位:mm

上层路基开挖过程中,隧道二衬竖向位移云图及应力云图如图10—图11所示,其中纵向坐标按照从隧道小里程往大里程方向进行标注,里程单位为m。

图10 上层路基开挖各阶段二衬竖向位移

图11 上层路基开挖各阶段监测点位移沿里程分布图

1) 既有隧道受影响程度

由表2表知,隧道开挖过程对既有隧道主要产生向上的位移,位移最大值(0.32 mm)在拱顶,小于控制标准4.5 mm,隧道结构安全。

2) 既有隧道受影响范围

各工序拱顶位移沿隧道纵向分布曲线如图12所示,里程单位为m。

图12 各开挖时段拱顶位移沿里程分布图

由图12可知,由于隧道开挖对既有隧道影响较小,选取了变化位移为最大位移的30%(其值为0.1 mm)的里程段作为重点观测区。通过对距离路基与隧道中线相交点45 m处及埋深较大里程段需要重点进行观测后,建议在既有隧道的DK283+643—DK283+733里程段进行施工控制,加强对既有隧道的监控。完成路基开挖后,既有隧道的位移达到最大值,位于既有隧道的拱顶位置,位移为0.32 mm;下层路基开挖产生位移0.15 mm,约占总位移的46.8%,在该层开挖时需要重点进行监测。

3) 影响既有隧道的路基施工范围

3个监测断面在不同开挖步下的结构位移沉降曲线如图13所示,其中每个开挖步的开挖长度为10 m。

图13 不同开挖步下不同监测断面各部位位移沉降曲线

由图13可以看出,随着路基的逐渐开挖,隧道二衬位移表现为隆起,且竖向位移逐渐增大。由计算结果可知,由于路基开挖造成隧道的二次衬砌最大位移位于监测断面3上,其值为0.26 mm。结合《公路隧道监控量测技术规程》(DB13/T 2177—2015 ),位移值小于控制标准值4.5 mm,符合结构安全标准。根据地形图(图2)可知,此里程范围地势较高,隧道埋深较大,可能是路基开挖岩体过多导致压力释放过大所致。选取下层开挖时,变化位移为变化量30%(其值为0.06 mm)的里程段作为重点观测区,当开挖路基距离既有隧道中线距离为40 m处隧道受到较大影响,建议施工开挖在路基开挖距离既有隧道中线距离为40 m处(路基开挖里程为K1+870— K1+950),需要控制施工,加强对既有隧道的监控。

4 结 论

依托京藏公路路基上跨六盘山隧道工程,结合路基施工对既有隧道位移及应力等指标的影响开展研究,并确定合理的路基施工方案。

1) 隧道最小主应力和最大主应力均为压应力,且最小与最大主应力最大值均发生在隧道两侧墙脚处,主应力最大值小于混凝土抗压强度标准值,表明该开挖方案适用于本工程。

2) 从施工过程来看,隧道开挖过程对既有隧道主要产生向上的位移,位移最大值(0.32 mm)在拱顶,小于控制标准4.5 mm,隧道结构安全。

3) 当路基开挖完成后,既有隧道的位移达到最大,位于既有隧道的拱顶位置处,其值为0.32 mm;下层路基开挖产生位移0.15 mm,约占总位移量的46.8%,在该层开挖时需要重点关注。

4) 确定开挖路基距离既有隧道中线距离为40 m时,对既有隧道影响较大,此时需控制路基开挖施工,并加强对既有隧道的监控。