近距离交叠隧道变形分析

近距离交叠隧道变形分析

近年来，随着高速铁路的快速发展，地下空间的开发利用程度也不断扩大。在一些地区，由于现有建筑（建筑工地）的限制和地下空间综合开发利用的需要，新隧道和其他建筑工地附近穿越既有隧道和其他建筑工地的现象越来越多。例如，漳（州）泉州铁路瑞峰隧道（州）通过324国道公路隧道，泉州（州）厦海公路大陆隧道（州），福川公路大陆隧道（州），日本托萨尼铁路和吉森县航道在四个落实的交叉连接上。这种型式的隧道,新建隧道的开挖是在既有隧道已衬砌完毕的情况下进行的,地层刚度条件已发生变化,施工时将再次扰动这一地层,引起复杂的应力重分布,对既有隧道围岩及衬砌结构产生不利影响,其变形规律不同于单孔隧道,也不同于水平平行隧道。目前,国内外对此类隧道的研究较少,大多是针对水平平行隧道或重叠隧道,并取得很多成果,而对于近距离交叠隧道,由于隧道间形成受力非常不利的空间交叉结构形式,使之在理论上的研究存在较大难度,因而其研究多局限于半经验半解析解,施工上较水平平行隧道也更难于控制。日本在此方面作了较多研究,1987年出版的《近接隧道施工的设计与指南》给出了隧道结构相互影响的基本条件、影响范围的分类及划定、影响预测和施工对策等。由于近接隧道施工的相互影响问题,如何控制近距离交叠隧道施工所引起的地层位移,以确保既有隧道的正常运营和施工的顺利进行是本项目实施中必须解决的关键问题。为准确评价近距离交叠隧道施工影响的空间变化规律,本文应用ANSYS有限元程序对某新建隧道开挖引起的既有隧道结构的位移及受力状态变化进行了三维有限元计算,分析了其稳定性,得到了一些有益的结论,可为工程设计提供参考。1速公路既有隧道洞身保护设计新建温州至福州铁路为目前国内建成的设计速度200km/h,预留提速250km/h且通过双层集装箱的高速铁路之一,该线琯头岭隧道位于福建省连江县境内,全长4103m。本隧道在DK280+950~DK281+100段下穿同(江)三(亚)高速公路既有琯头岭隧道左右线,新建隧道拱顶距既有高速公路隧道基础底面约3.24m,平面交角约54°。此段地质状况为:J3nb晶屑凝灰岩、凝灰熔岩,弱风化,岩体较完整,岩石质地较坚硬,基岩裂隙水不发育。既有高速公路隧道为两车道上下行分离式隧道,线间距中至中45m,隧道净高7m,净宽10.8m,交叉段洞身初期支护为喷锚支护,喷射混凝土强度等级为C25,厚12cm,Φ8@200mm×200mm钢筋网,拱部组合式注浆锚杆,边墙φ22砂浆锚杆,L=2.0m,间距1.2m×1.2m(纵向×环向),梅花型布置;模筑衬砌混凝土强度等级为C25,厚35cm,底板为C25钢筋混凝土。由于两隧道线间距中至中大于4倍洞径(4×10.8m=43.2m),在围岩条件较好的情况下,初步判定两交叉点的应力互不叠加,分析一个交叉点即可。2计算模型2.1支护结构的粘聚力计算方法为了研究施工过程中的空间效应,计算中采用三维有限元模型,分析采用ANSYS有限元程序。围岩采用等参20节点三维实体单元模拟,衬砌及底板采用等参8节点板壳单元模拟,为了减小边界效应的影响,模型沿新建隧道纵向取120m,横向取80m,隧道上方按实际埋深考虑,新建隧道下方取30m计算范围。模型上边界取为自由边界,下边界约束y方向的位移,左右边界约束x方向的位移,前后边界约束z方向的位移。将开挖前进行的围岩超前加固措施如锚杆、小导管按提高围岩力学参数的等效原则来考虑,即提高围岩的粘聚力和摩擦角来替代其作用,由于摩擦角改变较小,本文不予考虑,而加固区围岩的粘聚力可由下式给出:c=c0(1+η9.8τSmab×104)(1)c=c0(1+η9.8τSmab×104)(1)式中:c0为未加固围岩的粘聚力;c为加固后围岩的粘聚力;τ为锚杆或小导管的最大抗剪应力;Sm为锚杆或小导管的截面面积;a、b分别为锚杆或小导管的纵、横向间距;η为经验系数。工字钢的作用也采用等效原则予以考虑,即将工字钢弹性模量折算到喷射混凝土上,其计算方法为:E=E0+SgEgSc(2)E=E0+SgEgSc(2)式中:E为折算为混凝土弹模;E0为原混凝土弹模;Sg为工字钢截面面积;Eg为钢材弹模;Sc为混凝土截面面积。分析时,围岩材料按弹塑性考虑,屈服准则采用Drucker-Prager准则。在整个模拟过程中,有限元模型共划分为43560个单元,其网格划分如图1、2所示。2.2隧道衬砌结构考虑根据琯头岭隧道工程地质勘察报告,本文研究范围内的隧道围岩主要为Ⅱ~Ⅲ级,加固区围岩按提高围岩力学参数的方法简化模拟,对于既有隧道衬砌结构,由于已建成通车多年,计算中只考虑其二次衬砌的影响,未考虑喷混凝土的支护作用,即拱墙二次衬砌采用C25混凝土,底板采用C25钢筋混凝土,而对于新建隧道,从偏于安全的角度,仅考虑其初期支护,即25cm厚C25喷射混凝土。围岩及混凝土材料的物理力学参数指标列于表1。3火炬分开挖计算荷载主要考虑地层的自重应力场、混凝土衬砌的重力及既有高速公路隧道的路面活载。对隧道的开挖及衬砌的施作通过ANSYS程序提供的单元的“生”与“死”的功能来实现。施工过程模拟时,进行了简化处理,既有高速公路隧道采用全断面法一次开挖成洞,并施作衬砌,计算时其路面活载按20kN/m2考虑;新建隧道采用三台阶临时仰拱法施工,各台阶纵向间距15m开挖后荷载释放30%,施作初衬时再释放30%,围岩与支护体系共同承受剩余40%荷载。计算中主要考察新建隧道开挖对既有高速公路隧道产生的影响,为了说明上下隧道组成的空间交叉结构的复杂受力特征,利用ANSYS程序的荷载步(loadstep)功能,模拟以下分部开挖:(1)新建隧道上台阶一次性开挖至交叉点前15m距离,并施作初衬。(2)新建隧道上台阶开挖至交叉点,中台阶一次性开挖至交叉点前15m,并施作初衬。(3)新建隧道上台阶开挖至交叉点后15m,中台阶开挖至交叉点,下台阶一次性开挖至交叉点前15m,并施作初衬。(4)新建隧道上台阶开挖完成,中台阶开挖至交叉点后15m,下台阶开挖至交叉点,并施作初衬。(5)新建隧道中台阶开挖完成,下台阶开挖至交叉点后15m,并施作初衬。(6)新建隧道下台阶开挖完成,并施作初衬。4交叉点变形及受力特性选取既有高速公路隧道的3个断面为例来说明既有隧道衬砌结构的变形及受力特征,即交叉点前10m断面(断面1)、交叉点断面(断面2)、交叉点后10m断面(断面3),主要考察拱顶、拱腰及墙脚处竖向位移及衬砌内力随新建隧道施工推进的发展变化规律。4.1全封建区底板沉降随着新建隧道的施工推进,交叉部空间结构变形特征主要表现为:不对称变形→局部区域显著变形(受应力集中影响)→近似对称变形,既有隧道将产生不均匀沉降、不均匀侧移和扭转,在交叉点断面附近,既有隧道将产生最大位移,同时,在纵向上产生最大曲率变形。图4给出了三个断面中既有隧道底板结点竖向位移随新建隧道施工推进过程的变化情况。总体来看,在整个施工过程中,断面二中底板结点的沉降总是最大,断面一次之,断面三最小。在前4步开挖中,新建隧道掌子面及施工部位离既有隧道较近,引起的沉降也较大,前4步引起的沉降约占总沉降的70%,后两步施工时,既有隧道底板沉降显著减小,反映出新建隧道上、中台阶施工对地层的沉降影响较大,而下台阶施工对地层沉降的影响不十分明显。从图5可以看出,随着新建隧道施工的推进,既有隧道交叉点断面拱顶、拱腰及墙脚处沉降逐渐产生,当新建隧道上台阶推进至交叉点前15m距离后,左、右拱脚由于离开挖掌子面较近,其沉降首先迅速增大,其它各处沉降也开始产生,及时施作初衬后,沉降变缓,施工继续推进时,沉降又开始加速。当新建隧道上台阶通过交叉点后,左、右墙脚沉降速率达到最大,施工继续往前推进后,拱顶及左拱腰沉降迅速增大,直至新建隧道中台阶通过交叉点后15m后,沉降变化速率逐渐变小。其中最大沉降量为2.882mm,发生在底板的左墙脚处。图6为新建隧道修建完成之后既有隧道底板中点纵向沉降槽曲线,可以发现既有隧道最大沉降发生在交叉点断面附近,最大沉降量为2.662mm,当施工掌子面距离交叉点断面大于2.5~3倍洞径时,沉降趋于平稳。4.2既有隧道衬砌结构应力重分布分析表2、表3及表4给出了既有隧道三个断面上拱顶、拱腰及墙脚处衬砌内力及安全系数随新建隧道施工推进的变化情况。从表中可知,随着新建隧道的开挖,既有隧道衬砌内力都有一定的调整。就总的趋势而言,各断面结点轴力均为增大,而弯矩变化较为复杂,其安全系数均有所降低,降低相对较多的部位为既有隧道交叉点断面上靠近新建隧道掘进方向一侧的左边墙。从总体上看,由于新建隧道的施工推进,对既有隧道周边岩体进行了扰动,产生了复杂的应力重分布,使得既有隧道周边岩体从原来的三次应力场演变到五次应力场,正是这种应力场的演变导致既有隧道衬砌结构受力产生变异,影响最大的部位是底板的左、右墙脚处,但由于该段围岩情况较好,而且上部隧道衬砌结构虽然为构造衬砌,但仍有一定的安全储备,所以,在加以相应的辅助施工措施和地层加固措施之后,下部隧道开挖应力重分布作用不会对上部隧道衬砌构成安全威胁,而且从分析结果来看,下部隧道的开挖对上部隧道交叉点断面附近衬砌结构影响较大,相距20m以后影响减弱。为了更全面地了解与分析新建隧道开挖对既有隧道稳定性的影响,将新建隧道开挖及施作初衬全部完成后既有隧道衬砌及底板最大及最小主应力分布云图列出,如图7、图8所示。从图中可以发现,既有隧道拱顶及拱腰主要受压,极小范围内出现受拉的现象,且拉应力很低。最大压应力和最大拉应力都发生在底板上墙脚附近,最大压应力为11.6MPa,局部最大拉应力为9.4MPa,且分布范围极小,并可通过钢筋的受力来改善,施工中应重点观察此部位混凝土的裂纹发展趋势而进行加强。4.3隧道运营中出现的一些难题和病害交叠隧道的关键部位是两隧道之间的岩层,也正是由于两隧道之间岩层的垂直厚度较小,才导致新建隧道在施工中及既有隧道运营中出现的种种难题和病害。图9给出了新建隧道施工完成后交叉段两隧道之间岩层的塑性区分布,从图中可以看出,由于两隧道交叉段所处围岩弹模及c、φ值相对较高,新建隧道开挖后围岩中应力大部分处于弹性状态,仅是在新建隧道拱顶及既有隧道底板左右墙脚处出现小范围的塑性区,塑性区深度约为0.3~0.5m。5巩固上台阶后,隧道洞身距交叉点距离较大,这也从2通过对琯头岭隧道下穿既有高速公路隧道施工过程的三维弹塑性有限元分析,得出以下结论。(1)在三维状态下,近距离交叠隧道开挖存在空间效应,随着新建隧道开挖的进行,对既有隧道的影响逐渐由小变大,而后又慢慢变小,当掌子面至交叉点距离大于3倍洞径后,影响几乎不存在。(2)由于