不同近接度下新建盾构施工对既有钻爆隧洞稳定性的影响

赵向波,黎成庆,张思炀,李铭杰,刘军生,董唯杰*

(1.新疆额尔齐斯河投资开发集团有限公司,乌鲁木齐 830000; 2.西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室,成都 610031)

随着人们对交通运输需求的日益增长,铁路、公路、水利、市政等用途的隧道建设数量不断增长,不可避免地将带来新建隧道近接既有隧道或既有建筑的一系列问题。因此,针对隧道近接引起的对既有邻近建筑的变形预测和控制、工程风险管控、结构受力改变等技术难题的研究对隧道近接设计和施工具有重要的指导意义。

基于盾构隧道近接施工力学行为等方面的难题和挑战,中外学者已开展了大量的研究工作。张俊儒等[1]针对泥质粉砂岩地层,采用数值模拟和模型试验的手段,研究盾构隧道近接矿山法隧道施工的影响规律,并基于地表沉降准则提出影响分区;仇文革[2]系统提出了广义地下工程近接分区、分区指标表达式,给出研究近接施工问题的普遍方法;吴枋胤等[3]通过数值模拟探究了高地应力偏压软岩小净距隧道的施工间距和洞形,总结了先后行洞的相互影响规律;方勇[4]采用三维有限元方法对平行盾构隧道施工进行模拟,分析新隧道动态掘进时既有隧道位移、变形和内力的变化规律。潘文韬等[5]借助有限元分析软件模拟了三洞并行隧道中间铁路隧道先行情况下,两侧公路隧道近接施工的施工顺序、工法、步距等因素对既有隧道产生的影响,并对爆破施工提出针对性意见;闻毓民[6]借助ANSYS有限元分析软件模拟隧道近接施工,结合结构应力准则和地表位移准则分析和总结得到两孔平行盾构隧道近接施工影响分区;姚勇等[7]采用二维弹塑性数值计算方法,研究总结小近距隧道近接施工中加岩墙受力、变形特点,为小近距隧道近接的开挖、支护、加固等提高施工指导;张晓清等[8]构建了考虑土体流变特性的盾构近接施工应力迁移模型分析和总结了新建盾构隧道穿越近接既有隧道施工扰动周边土体的应力迁移规律;崔光耀等[9]利用有限差分软件FLAC3D模拟研究了管棚管幕预加固和改变施工顺序两种方案对小净距隧道近接隧道群的变形控制效果;刘代国等[10]结合数值计算和现场监测,研究总结后行洞施工条件下引起的先行洞附加应力及变形变化规律;汪洋等[11]将模型试验和数值模拟相结合,分析总结围岩条件、隧道间距等多种因素影响下盾构隧道正交下穿施工引起的既有隧道的变形和附加内力的规律;丁智等[12]采用数值分析方法,针对软土地质条件下新建盾构隧道近接既有地铁的情况,研究总结得到不同隧道净距和角度工况下地铁变形和衬砌内力变化规律以及近接分区范围;吴冬[13]通过数值模拟和模型试验研究了分岔隧道非对称小净距段施工力学行为,提出针对实际工程的施工技术和合理支护参数;刘庆丰等[14]结合数值模拟以及现场监测等方法,研究近接施工对既有隧道以及周围地层的影响规律,提出盾构近接相关的施工控制技术。何永成[15]比选分析了两隧道平行近接施工的影响判别准则,并基于强度折减法提出平行近接隧道施工影响分区。

综上所述,现有隧道近接研究大多是针对施工工法、支护参数、地质条件等因素改变下近接施工隧道在变形和受力的分析和研究,而对采用两种不同施工工法进行非平行近接的分岔隧道的研究较少,如分岔隧道中后行隧道近接先行隧道产生稳定性影响的最小安全净距、交叉段最佳支护参数和开挖工法选择等问题亟待解决。

基于此,现依托新疆YEGS二期工程,以盾构法隧洞近接矿山法隧洞为研究对象,采用数值计算与现场监测相结合的方式,针对软岩地层下的关键近接断面,分析不同净距条件盾构隧洞近接钻爆隧洞引起的附加变形和内力影响规律,得到最合理安全的近接施工净距,对交叉段提供施工和支护建议,以期为类似工程的设计和施工提供一定的参考。

1 工程背景

在建的YEGS二期工程线路全长约为540 km,受地形、蒸发、生态环境等多因素的影响,其建设主要以隧洞为主。沿线隧洞主要由XE隧洞、KS隧洞和SS隧洞组成,总长度约为515 km。其中SS隧洞全长92.35 km,为无压洞,隧洞轴线纵坡1/5 000,隧洞位于中低山区,全线平均埋深156 m,呈两端高,中间浅的凹槽地形。

针对6号隧洞主支洞分叉段近接施工问题进行分析研究,其隧址区围岩以侏罗系和白垩系泥岩砂岩为主,遇水后易泥化、软化,因此施工时地质情况采用分段分区、钻爆与盾构相结合的手段进行建设。施工方案布置并非采用主洞与曲线段相切的直线连接方式,而是通过局部调整主洞轴线,通道布置上将主洞侧裁直取弯,再将主支洞交叉洞室做成“卜”形叉与转弯段相接,如图1所示。为了确保水流平顺,转弯半径应不小于5倍洞径,尽量不改变主洞横断面宽度,与下游侧管片衬砌连接时渐变段圆锥角不大于10°。

图1 6号隧洞近接施工示意图

“卜”形叉洞室交角为37°,由钻爆段及盾构段共同构成,施工时先进行钻爆段开挖(图2),钻爆完成后,后续盾构进行掘进(图2),当二者近接到一定程度后,将按照连拱隧洞采用钻爆法逐步扩挖,然后拆除管片接合成。为方便车辆调头,主支洞交叉洞室采用城门洞形横断面,毛洞宽6.2 m,高6.25 m。转弯段长17.9 m,转弯半径40 m,转角22°,横断面与交叉洞室一致。该方案洞室体型不大,施工方法采用常规的上下导洞开挖支护、以及逐环拆管片扩挖即可,现阶段主支洞交叉段施工如图3所示。

图2 钻爆隧洞和盾构隧洞施工图

图3 主支洞交叉段施工图

在此施工过程中,盾构隧洞的施工将会影响到既有钻爆隧洞的稳定性,若不分析两隧洞最小安全净距直接对接分叉段,容易导致隧洞坍塌、先行隧洞支护失效等严重事故。因此,在进行施工前研究不同近接度下盾构隧洞对钻爆隧洞的稳定性影响至关重要。

2 计算模型

2.1 计算模型与计算工况

为探究不同近接度下盾构施工对钻爆隧洞的稳定性影响,以YEGS二期工程SS段隧洞为背景,采用ABAQUS前处理建立模型,后续导入有限差分软件FLAC3D中进行计算。根据设计资料,钻爆隧洞水平跨度5.40 m,竖向跨度5.35 m,盾构隧洞直径5.20 m,根据圣维南原理,为降低模型边界条件的影响,考虑隧洞至模型边界处的距离应不小于5倍的洞径,同时为提高计算效率将模型简化平面模型,取模型尺寸为110 m×80 m×2 m。钻爆隧洞初期支护厚度为0.15 m,二次衬砌厚度为0.45 m,盾构隧洞管片厚度为0.35 m,两隧洞边墙净距为B,计算模型如图4所示。

图4 数值计算模型

本文计算模型数值模拟流程为:初始地应力平衡→模型位移清零→钻爆法隧洞开挖(空单元模拟、控制应力释放)→激活初支和锚杆(下一阶段应力释放)→激活二次衬砌→求解平衡→盾构法隧洞开挖(空单元模拟、控制应力释放)→激活管片→求解平衡。此外,因为钻爆法隧洞开挖支护时间较长,盾构隧洞顶进安装管片时间较短,二者的开挖支护模拟通过控制调节围岩应力释放率来实现。

此外,为研究盾构隧洞近接钻爆隧洞的影响和最合理净距,设置了8种工况进行计算分析,如表1所示。此外,结合前期工程地质资料及岩石力学试验及相关试验,各材料的物理力学参数如表2所示。

表1 计算工况

表2 材料物理力学参数取值表

2.2 模型验证

为了保证盾构近接钻爆隧洞模拟结果相对较为合理,以及模型选参的可靠性,在模型中设置3个锚杆应力监测点如图5所示,获取数值计算得到的锚杆轴向应力结果。最后选取SD57+190断面实际监测数据(图6)与数值模拟结果(图7)进行对比。分析计算A、B、C三个位置的锚杆应力数值模拟与实测数据的误差依次为:28.57%、34.43%、23.19%。可以得出结论:数值计算得到的隧洞钻爆达到稳定时锚杆应力结果与实际监测结果较为吻合,可以认为模型选参较为合理,可以利用该模型接着进行盾构近接钻爆隧洞的数值模拟。

A、B、C为锚杆轴向应力监测点;其他数字为位移监测点

图6 SD57+190断面锚杆应力监测数据图

图7 锚杆监测点轴向应力时程曲线

3 计算结果

3.1 钻爆隧洞开挖力学分析

由于各个工况下两隧洞净距改变导致模型稍微改变,钻爆隧洞单洞开挖求解得到的位移、锚杆轴向应力稍有不同,本文取各个工况模型钻爆单洞开挖的位移、锚杆轴向应力平均值作为钻爆隧洞开挖结果,分别如表3和表4所示。

表3 监测点位移结果表

表4 单洞钻爆锚杆测点轴向应力表

由表3可知,单洞钻爆开挖后,在及时施作锚杆、初支和二衬的情况下,最大竖向位移出现在拱顶和底面中心处,最大水平位移出现在两侧边墙中心处(测点4和8)。拱顶最大沉降值为2.318 8 mm,底面中心最大隆起值为4.249 1 mm,两侧边墙中心处基本无竖向位移。两侧边墙中心左右侧水平位移分别为1.707 3和1.718 8 mm,拱顶和底面中心处基本无水平位移。

由表4可知,单洞钻爆开挖下,锚杆测点得到的轴向应力在两侧边墙中心的锚杆取得最大值,分别为19.262 MPa和19.295 MPa,其次是拱顶的锚杆,约为4.626 MPa,最小的是左右拱肩的锚杆,分别为1.860 MPa和1.954 MPa。

从上述钻爆隧洞单洞开挖支护后的位移、锚杆轴向应力的结果整体上来看,隧洞中心线左右两侧对称位置的位移和锚杆应力结果差异很小,基本满足沿隧洞中心线左右对称分布,符合单洞隧洞开挖的一般规律和力学行为特征。

由钻爆隧洞初支及二衬大小主应力云图8和图9知,单洞钻爆开挖和支护后,初支和二衬上最大主应力和最小主应力分别为1.398 MPa和0.523 MPa,未达到初支或二衬抗拉或抗压强度极限值,所以未发生强度破坏。此外,对比初支与二衬的大小主应力云图可知初支应力较大、二衬应力极小,说明围岩压力主要由初支承担,而二衬主要用于作为安全储备。

图8 钻爆隧洞最大主应力云图

图9 钻爆隧洞最小主应力云图

3.2 近接度影响效应分析

3.2.1 位移影响分析

在开挖盾构隧洞前,对钻爆模拟得到的位移场进行清零,后续开挖模拟结果即为盾构隧洞对既有隧洞的影响。数值计算得到的各近接度下既有钻爆隧洞的附加竖向位移云图和附加水平位移云图分别如图10和图11所示。

图11 各近接度下钻爆隧洞附加水平位移云图

由图10和图11可知,受盾构隧洞近接施工的影响,既有钻爆法隧洞附加竖向位移和水平位移都为负数,即整体向左下侧沉降。同时,从附加位移最大数值极其出现位置上来看,竖向附加位移最大值稍大于水平附加位移,竖向附加位移最大值出现的位置随净距的减小从拱底变化到拱顶。且随着盾构隧洞和钻爆隧洞净距的增大,隧洞初支和二衬的附加最大竖向位移和最大水平位移值逐渐减小,盾构隧洞对既有钻爆隧洞的影响逐渐变小。

对前文得到的最大附加竖向和水平位移值与两隧洞净距的关系进行数据拟合(图12)可以看出,两隧洞净距大于10 m时,附加位移变化曲线逐渐趋于平缓,而净距小于10 m时,曲线曲率快速变大,附加位移增量显著增大,即两隧洞净距越小,盾构隧洞施工对既有钻爆隧洞的影响越显著,净距10～12 m可认为是对位移影响的临界转折点。

图12 隧洞净距与最大附加位移关系拟合曲线

3.2.2 应力影响分析

评估近接施工对既有建筑的结构的应力影响是至关重要的,若新建盾构隧洞近接既有钻爆隧洞导致后者结构受力改变严重,甚至超过极限强度发生破坏,就会给工程安全带来巨大隐患。

由图13和图14可知,既有钻爆隧洞初支及二衬最大主应力和最小主应力随着两隧洞净距B的增大而逐渐减小。表明:两隧洞净距越大,后行盾构隧洞施工对先行钻爆隧洞产生的结构内力的影响越小。

同时,新建盾构隧洞的施工改变了既有钻爆隧洞单洞开挖支护下应力对称的情况,使既有钻爆隧洞结构的内力变得左右两侧不对称,在两隧洞净距在6 m以内时[图13(a)、图13(b)和图14(a)、图14(b)],明显观察到先行钻爆隧洞结构靠近后行盾构隧洞一侧,初支压应力加强,二衬应力由拉应力转变为压应力。

在B=4 m的工况下,既有钻爆隧洞右侧墙的初支应力值为15.077 MPa,超过C30混凝土的抗压强度值,二衬底部中心抗拉强度为2.975 MPa,超过混凝土抗拉强度,均出现破坏情况。在B=6 m的工况下,既有隧洞右侧墙的初支为15.252 MPa,也发生破坏,但二次衬砌未出现受拉破坏。在其他工况下,初支和二衬受力改变未超过承受范围,均可保持良好的工作状态,不发生强度破坏。

3.2.3 塑性区影响分析

根据模型数值计算结果得到各工况下隧洞塑性区,如图15所示。由图15可知,随着两隧洞净距的增大,塑性区逐渐从连通过渡到分离,塑性区范围逐渐减小。

shear-n shear-p为单元当前和过去均发生剪切破坏;shear-n shear-p tension-p为单元当前和过去均发生剪切破坏且过去还有拉伸破坏;shear-p为单元仅过去发生剪切破坏;shear-p tension-p为单元过去发生剪切破坏和拉伸破坏

既有隧洞塑性区在两隧洞净距B>12 m时,沿隧洞中轴线基本呈对称状态,两隧洞塑性区尚未贯通,相互影响不显著,既有隧洞不会出现新的剪切塑性区,图15(e)～图15(h)所示。

当两者间距B<12 m时[图15(a)～图15(d)],两隧洞施工所产生的塑性区开始逐渐贯通,塑性区不再沿隧洞中轴线对称,新建隧洞对先行隧洞的影响随净距的减小而显著增大。在间距B≤8 m时[图15(a)～图15(c)],新建盾构隧洞施工会引起既有钻爆隧洞右侧拱肩和右侧拱脚处岩体出现新的剪切破坏,此时既有隧洞右侧受到的附加应力和位移影响程度相较于左侧应该更大,也就印证了前文对位移和应力的分析。

4 结论

通过现场监测和数值计算,对不同净距条件下新建盾构隧洞平行近接既有钻爆隧洞所引起的既有钻爆隧洞的附加位移、应力变化、塑性区分布等规律进行分析和研究,得出如下结论。

(1)综合对比现场监测与数值模拟结果发现,数值计算得到的单洞钻爆条件下锚杆轴向应力结果与现场监测得到的锚杆轴向应力结果较为相符,验证了模型的可行性,保证了后续进行盾构隧洞近接既有钻爆隧洞的合理性。

(2)结合各个工况下数值模拟得到的位移云图发现,盾构隧洞施工后既有钻爆隧洞整体向左下侧沉降,且两隧洞净距越小,后行隧洞对先行隧洞的位移影响越显著,10～12 m可认为是显著影响位移的临界净距。

(3)对比既有钻爆隧洞结构大小主应力云图结果发现,受新建盾构隧洞影响结构应力非均匀分布,且净距越小影响越显著。在净距较小时(如B=4 m或B=6 m),靠近新建盾构隧洞一侧的初期支护受压破坏,二衬受拉破坏。

(4)塑性区云图显示,随着净距的减小,两隧洞的塑性区逐渐贯通,塑性区面积变大,当净距小于10 m时,在靠近新建盾构隧洞一侧的拱肩和拱脚处出现新的剪切破坏,继而产生不利于既有隧洞稳定性的附加位移和附加应力,更容易引起既有隧洞结构破坏。

(5)综合位移、应力、塑性区研究结果,建议工程中两隧洞平行近接的最小净距大于10 m,在两隧洞净距小于10 m的汇交段应采取加强隧洞支护和监控量测的措施,严格控制隧洞变形,减小后行隧洞对先行隧洞产生的影响。