既有结构基础下方隧道开挖扰动破坏及其所需支护力预测*

2024-02-22王策

城市轨道交通研究 2024年2期

王策

(中铁十一局集团城市轨道工程有限公司,430074,武汉)

在密集城区,受施工场地及周边环境的限制,新建隧道或其他地下工程不可避免地会穿越一些既有建筑结构,对既有结构基础产生一定的扰动影响,进而可能造成既有建筑的基础结构开裂破坏,影响其正常使用。

目前,已有较多学者对既有结构基础周边隧道开挖引起的扰动影响进行了研究。文献[1]通过离心试验分析了桩基础承载过程中,其对近距离地铁隧道的影响机制。文献[2]开展了不同影响条件下,桩基对近距离隧道的离心模型试验。文献[3]构建了桩-隧有限元模型,通过分析桩-隧相对位置、隧道埋深等参数的影响,研究了在软土地基中静压桩对既有隧道的影响。文献[4]采用FLAC 3D有限元软件,模拟分析了隧道密贴下穿施工引起既有地铁车站结构沉降的规律。文献[5]基于Pasternak地基模型,推导了隧道开挖与邻近桩基相互作用的简化理论解。文献[6]采用两阶段法,分析预测了不同因素影响条件下既有地下结构的力学响应。文献[7]分析了隔离桩及盾构近接施工对高铁桩基的影响。文献[8]依托盾构隧道穿越桥桩的工程实例,通过数值模拟与现场实测对比验证了数值模拟结果的可靠性。

由于新建隧道引起既有结构扰动的影响因素众多,盾构隧道近距离穿越既有结构基础的问题尚需进一步研究。在现有研究基础上,本文分别考虑隧道正穿与侧穿既有结构基础两种情况,建立了在既有结构基础影响下,隧道开挖扰动破坏的力学分析模型;基于塑性力学极限分析理论,推导得出既有结构基础下方隧道开挖所需支护力与隧道上方基底临界破坏荷载的理论计算公式,分析揭示了不同工况因素对隧道所需支护力的影响规律。本文研究可为隧道穿越既有结构基础变形破坏模式预测与风险防控提供一定的理论参考。

1 建立隧道下穿既有结构基础的破坏分析模型

当隧道下穿既有结构基础时,受到既有结构基础传来的基底附加压力与隧道开挖卸荷等因素的影响,隧道与既有结构基础之间会产生一定的扰动影响范围,影响新建隧道的安全施工。考虑正穿与侧穿两种情况,建立隧道下穿既有结构基础力学分析模型,如图1所示。其中:b为既有结构基础宽度;p0为基底附加压力;h0为基础埋深;L为两侧开挖扰动破坏范围边界土体破裂面的长度;R为既有结构基础下方隧道开挖半径;q0为隧道内部支护力;d0为土体破裂底部半宽度;O′为既有基础底部中心点;L1右侧开挖扰动破坏范围边界土体破裂面的长度;L2左侧开挖扰动破坏范围边界土体破裂面的长度;θ1为右侧底部破裂范围与隧道边界处交点对应的角度;θ2为左侧底部破裂范围与隧道边界处交点对应的角度;d1为土体破裂底部右侧宽度;d2为土体破裂底部左侧宽度;D为既有基础底部中心至新建隧道中心水平距离(以下简称“水平距离”),D=0即为正穿情况,其余为侧穿情况;H为隧道埋深;v为滑动土体沿位移方向的速度;α为桩底中心点与隧道中心点连线的倾角;φ为土体内摩擦角;θ0为正穿情况下,底部破裂范围与隧道边界处交点对应的角度。

a) 正穿情况

所建立的隧道下穿既有结构基础力学分析模型将隧道及周边地层岩土体视为理想刚塑性材料,在扰动影响范围内,土体以速度v向新建隧道开挖范围内滑落。据此,可建立隧道下穿既有结构基础机动许可速度场,利用极限分析中的上限理论对其进行分析。

2 隧道下穿既有结构基础临界破坏荷载与所需支护力预测

2.1 正下方穿越情形

根据图1 a)所示力学模型对应的几何关系,θ0可通过以下关系式求得:

(1)

L可以表示为:

L=(H-h0+R-Rsinθ0)/cosφ

(2)

破裂面处的土体内部能量耗散率为WD、外力对破坏范围土体做功功率W外、开挖扰动破坏范围土体的自重做功功率WG、基底附加压力对破坏范围土体做功功率Wp0、隧道支护力对破坏范围土体做功功率Wq0,以及正穿情形下的开挖扰动破坏范围土体体积V正可以表示为:

WD=2cvLcosφ

(3)

W外=Wp0+WG-Wq0

(4)

Wp0=p0bv

(5)

WG=γV正v

(6)

(7)

(8)

式中:

s——隧道周长;

c——土体黏聚力;

γ——土体重度。

根据虚功率原理,令图1破坏模型对应的内部能量耗散率与总的外力功率相等,即W外=WD,代入式(3)和式(4),当既有结构基础传来的基底附加压力一定时,为保证新建隧道穿越施工安全,隧道内部所需提供的临界支护力q0,L为:

(9)

当新建隧道内部所需提供的支护力一定时,为防止既有结构基础土体的破坏,既有结构基础对应的临界基底附加压力的大小p0,L为:

(10)

2.2 侧下方穿越情形

根据图1 b)所示力学模型对应的几何关系,α可以表示为:

(11)

L1、L2可以表示为:

(12)

(13)

破裂面处土体内部能量耗散率WD,C、外力对破坏范围土体做功功率为W外,C、基底附加压力对破坏范围土体做功功率Wp0,C、开挖扰动破坏范围土体的自重做功功率为WG,C、隧道支护力对破坏范围土体做功功率Wq0,C,以及侧穿情形下的开挖扰动破坏范围土体体积V侧可以表示为:

WD,C=cL1vcosφ+cL2vcosφ=

cv(L1+L2)cosφ

(14)

W外,C=Wp0,C+WG,C-Wq0,C

(15)

Wp0,C=vp0bsinα

(16)

WG,C=γV侧vsinα

(17)

(18)

q0R[sin(α-θ1)+sin(α+θ2)]v

(19)

根据虚功率原理,令图1破坏模型对应的内部能量耗散率与总的外力功率相等,即W外,C=WD,C,代入式(14)和式(15),当既有结构基础传来的基底附加压力一定时,为保证新建隧道穿越施工安全,隧道内部所需提供的临界支护力q0,L,C为:

(20)

当新建隧道内部所需提供的支护力一定时,为防止既有结构基础土体的破坏,既有结构基础对应的临界基底附加压力的大小p0,L,C为:

p0,L,C={c(L1+L2)cosφ-γV侧sinα+q0R·

[sin(α-θ1)+sin(α+θ2)]}/(bsinα)

(21)

3 算例分析

为进一步研究不同隧道穿越位置、土体力学参数及基底压力等因素对隧道所需支护力的影响规律,基于上述计算式,采用控制变量法计算不同工况下隧道所需支护力。本文算例中,标准组取值:b取为1.2 m;R取为5 m;c取为20 kPa,φ取为24°,γ取为20 kN/m3,p0取为200 kPa,隧道与基础结构埋深差ΔH取为3 m。

不同水平距离下,隧道与基础埋深差同隧道所需支护力之间的关系如图2所示。当D=0时,即当上部基础与隧道处于正穿情况时,对既有结构的破坏情形最为危险,所对应的隧道所需支护力最大。随着隧道与基础埋深差的增加,隧道所需支护力不断减小。当隧道与基础埋深差一定时,随着水平距离的增加,隧道所需支护力不断减小。

图2 不同水平距离下隧道与基础埋深差同隧道所需支护力之间的关系

不同水平距离下,土体力学参数与隧道所需支护力之间的关系如图3所示。当D=0时,即当上部基础与隧道处于正穿情况时,对既有结构的破坏情形最为危险,所对应的隧道所需支护力最大。隧道所需支护力与土体黏聚力、土体内摩擦角成负相关;隧道所需支护力与土体重度成正相关。随着土体黏聚力的增加,隧道所需支护力不断减小。当土体黏聚力一定时,随着水平距离的增加,隧道所需支护力不断减小。随着土体内摩擦角的增加,隧道所需支护力不断减小。当隧道土体内摩擦角一定时,随着水平距离的增加,隧道所需支护力不断减小。随着土体重度的增加,隧道所需支护力不断增加。当土体重度一定时,随着水平距离的增加,隧道所需支护力不断减小。