錢(qián)文斐

(上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司，上海市200092)

新建隧道對(duì)既有小凈距隧道影響的分析與研究

錢(qián)文斐

(上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司，上海市200092)

以某城市既有環(huán)線新建BRT專用車(chē)道工程中的控制性工程-“品”字形隧道群為例，通過(guò)對(duì)新建隧道與既有小凈距隧道在不同間距工況下，新建隧道的開(kāi)挖對(duì)既有隧道的位移、圍巖應(yīng)力、結(jié)構(gòu)應(yīng)力值等進(jìn)行分析研究，得出了在有條件下盡可能地將兩者的間距控制在≥1D的結(jié)論，同時(shí)提出了減小對(duì)既有小凈距隧道產(chǎn)生不利影響的工程處治及應(yīng)對(duì)措施，為后續(xù)設(shè)計(jì)及施工提供了參考依據(jù)。

品字形隧道群;隧道間距;注漿加固;中夾巖;結(jié)構(gòu)安全

0 引言

隨著現(xiàn)代城市的發(fā)展，越來(lái)越多的新建工程受制于規(guī)劃、地形、地質(zhì)等多方面因素的限制，其地理位置“迫不得已”地選擇在既有工程附近。因此，如何保證新建工程在建設(shè)的同時(shí)，減小對(duì)既有工程的影響，乃是目前甚至將來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間困擾設(shè)計(jì)人員的一大難題。本文擬從某城市新建BRT工程中的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)(新建BRT隧道對(duì)既有環(huán)線小凈距隧道的影響)出發(fā)，通過(guò)探討新建隧道對(duì)既有隧道受力體系的影響，以更好地為后續(xù)設(shè)計(jì)工程提供依據(jù)。

1 工程概況

某城市擬在既有環(huán)線上新建BRT專用車(chē)道，由于受規(guī)劃、周邊環(huán)境及平、縱線形等因素的控制，新建隧道擬布置在既有小凈距隧道正上方通過(guò)，形成的隧道群呈“品”字形(詳見(jiàn)圖1)。既有隧道為雙向6車(chē)道小凈距隧道(毛洞凈距約4.5 m)，內(nèi)輪廓寬15.343 m，高9.749 m(詳見(jiàn)圖2)。新建隧道為單向2車(chē)道隧道，隧道內(nèi)輪廓寬11 m，高8.8 m(詳見(jiàn)圖3)。

圖1 新建隧道與既有小凈距隧道位置關(guān)系圖

圖2 既有隧道內(nèi)輪廓設(shè)計(jì)圖

圖3 新建隧道內(nèi)輪廓設(shè)計(jì)圖

考慮到既有隧道為大跨小凈距隧道，且所處工程地質(zhì)條件較差，新建隧道的施工必然會(huì)對(duì)既有隧道產(chǎn)生一定的影響。國(guó)內(nèi)外雖然也有相關(guān)資料提到過(guò)新建隧道對(duì)既有隧道產(chǎn)生影響的范圍，但考慮到一方面有關(guān)文獻(xiàn)內(nèi)容僅作了粗略定性的說(shuō)明，尚缺乏對(duì)后續(xù)設(shè)計(jì)工作的實(shí)際指導(dǎo)意義;另一方面考慮到既有隧道為大跨小凈距隧道，自身受力性能較之分離式隧道復(fù)雜，且需在受力關(guān)鍵部位的中夾巖正上方修建隧道，因此受力情況將更為復(fù)雜。基于以上，擬對(duì)兩者的相互影響進(jìn)行分析，從而更好地指導(dǎo)設(shè)計(jì)工作。

2 模型建立

查閱既有隧道工程地質(zhì)，主要以Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖為主，建模時(shí)圍巖按Ⅴ級(jí)考慮，物理參數(shù)值參照現(xiàn)行《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》中附錄A中附表A.0.4-1中的中值進(jìn)行取值。

考慮到初期支護(hù)作為安全儲(chǔ)備，故該模型僅模擬既有隧道在二次襯砌支護(hù)下的受力分析。既有二次襯砌參數(shù)為:C30混凝土厚度60 cm。

根據(jù)新建隧道與既有隧道的相對(duì)位置關(guān)系，以新建隧道的開(kāi)挖寬度D為參照，按0.25D為間隔建立0.25D～2D共8個(gè)模型(以間距為0.25D為例見(jiàn)圖4)，從而分析不同間距對(duì)既有小凈距隧道的受力體系的影響，以確定相對(duì)合理的間距。

圖4 間距為0.25D時(shí)隧道建模圖

3 結(jié)果分析

考慮到研究的對(duì)象為既有小凈距隧道，因此以下分析結(jié)果僅與既有小凈距隧道有關(guān)，且考慮到“品”字形隧道群的結(jié)構(gòu)布置及受力情況的對(duì)稱性，結(jié)果分析均以既有左側(cè)隧道為研究對(duì)象(下同)。

3.1 既有隧道變形

計(jì)算結(jié)果顯示:兩隧道間距為0.25 D～0.5 D范圍時(shí)，既有隧道左半部分拱、墻部位均出現(xiàn)向右側(cè)變形的位移(見(jiàn)圖5)，而間距為0.75 D～2 D范圍時(shí)，既有隧道左半部拱、墻均出現(xiàn)向左變形的位移(見(jiàn)圖6)。

圖5 間距為0.25 D時(shí)既有隧道變形圖

圖6 間距為0.75 D時(shí)既有隧道變形圖

經(jīng)分析認(rèn)為:當(dāng)間距為0.25 D～0.5 D范圍時(shí)，由于右側(cè)上方巖土體對(duì)于整個(gè)隧道的約束變形能力大大降低，因此隧道出現(xiàn)整體向右位移的變形。而當(dāng)間距在0.75 D～2 D范圍時(shí)，右側(cè)上方巖土體對(duì)整個(gè)隧道的約束變形雖然有一定程度的削弱，但仍能足以抵抗隧道整體向右位移的趨勢(shì)。由此可以得出:當(dāng)間距為0.25 D～0.5 D范圍時(shí)，隧道左半部拱、墻將發(fā)生完全相反的位移，這不僅可能導(dǎo)致隧道內(nèi)輪廓傾入既有建筑限界，而且結(jié)構(gòu)內(nèi)力將出現(xiàn)較大調(diào)整，嚴(yán)重威脅既有隧道結(jié)構(gòu)的耐久性及安全性。

3.2 既有隧道中夾巖受力性狀

考慮到中夾巖是小凈距隧道的關(guān)鍵部位，將直接影響既有隧道結(jié)構(gòu)安全，因此對(duì)于不同間距范圍，對(duì)中夾巖中部的豎向應(yīng)力進(jìn)行了分析研究，具體如圖7所示。

圖7 中夾巖中部豎向應(yīng)力值隨不同間距變化曲線圖

由變化曲線可知:當(dāng)間距在0.25 D～1 D時(shí)，豎向壓力逐步增大;當(dāng)間距在1 D～2 D時(shí)，豎向壓力保持不變。經(jīng)分析如下:根據(jù)豎向壓力云圖顯示，以間距為0.25 D為例(見(jiàn)圖8)，由于間距過(guò)小而未形成有效拱作用;而當(dāng)間距≥1 D時(shí)在中夾巖上方形成了卸載拱的作用(見(jiàn)圖9)。

圖8 間距為0.25D時(shí)豎向壓力云圖

圖9 間距為1D時(shí)豎向壓力云圖

3.3 既有隧道結(jié)構(gòu)安全性

為了掌握既有隧道主要部位的結(jié)構(gòu)安全性能，分別對(duì)拱頂、拱腰、拱腳、邊墻與仰拱交界處的隅角、仰拱的結(jié)構(gòu)安全系數(shù)進(jìn)行分析計(jì)算，其中考慮到既有隧道為小凈距隧道，除拱頂、仰拱部位外，其它部位均分為遠(yuǎn)離中夾巖側(cè)、靠近中夾巖側(cè)分別進(jìn)行分析(各點(diǎn)布置位置詳見(jiàn)圖1)。

3.3.1 拱頂

由拱頂(1點(diǎn))的應(yīng)力值變化曲線(見(jiàn)圖10)可知:當(dāng)間距≤1.5 D時(shí)，結(jié)構(gòu)應(yīng)力值大于初始應(yīng)力值，特別是間距在0.25 D～0.5 D時(shí)，結(jié)構(gòu)應(yīng)力值較之增大了20%～43%;間距在0.75 D～1.5 D時(shí)，結(jié)構(gòu)應(yīng)力值較之僅增大8%以內(nèi);而當(dāng)間距≥1.5 D時(shí)，結(jié)構(gòu)應(yīng)力值幾乎與初始應(yīng)力值相當(dāng)。

圖10 1點(diǎn)處應(yīng)力值變化曲線圖

3.3.2 拱腰(遠(yuǎn)離中夾巖側(cè))

由拱腰(2點(diǎn))的應(yīng)力值變化曲線(見(jiàn)圖11)可知:當(dāng)間距在0.25 D～0.5 D時(shí)，結(jié)構(gòu)應(yīng)力值大于初始應(yīng)力值，但結(jié)構(gòu)應(yīng)力值增大僅為7%范圍內(nèi);而當(dāng)間距≥0.75 D時(shí)，結(jié)構(gòu)應(yīng)力值均小于初始應(yīng)力值;說(shuō)明新建隧道對(duì)此處結(jié)構(gòu)受力影響較小。

圖11 2點(diǎn)處應(yīng)力值變化曲線圖

3.3.3 拱腰(靠近中夾巖側(cè))

由拱腰(2'點(diǎn))的應(yīng)力值變化曲線(見(jiàn)圖12)可知:間距為0.25 D時(shí)，結(jié)構(gòu)應(yīng)力方向發(fā)生了變化，由原來(lái)的受壓控制變成了受拉控制;當(dāng)間距在0.5 D～0.75 D時(shí)，結(jié)構(gòu)應(yīng)力值較之增大了17%～73%;間距≥1 D時(shí)，結(jié)構(gòu)應(yīng)力值幾乎與初始應(yīng)力值相當(dāng)。經(jīng)分析認(rèn)為:因新建隧道引起了圍巖應(yīng)力的重分布，而2'點(diǎn)位于新建隧道隅角下方，為圍巖應(yīng)力集中處，當(dāng)間距較小時(shí)，由于未形成有效拱作用，因此傳遞至2'點(diǎn)的應(yīng)力值較大;而當(dāng)間距≥1 D時(shí)，由于形成了拱作用，因此此處應(yīng)力值受新建隧道影響較小。

圖12 2'點(diǎn)處應(yīng)力值變化曲線圖

3.3.4 拱腳(遠(yuǎn)離中夾巖側(cè))

由拱腳(3點(diǎn))的應(yīng)力值變化曲線(見(jiàn)圖13)可知:間距為0.25 D～0.75 D時(shí)，結(jié)構(gòu)應(yīng)力值較之增大了6%～11%，而間距≥1 D時(shí)，結(jié)構(gòu)應(yīng)力值均小于初始應(yīng)力值;說(shuō)明新建隧道對(duì)此處結(jié)構(gòu)受力影響較小。

圖13 3點(diǎn)處應(yīng)力值變化曲線圖

3.3.5 拱腳(靠近中夾巖側(cè))

由拱腳(3'點(diǎn))的應(yīng)力值變化曲線(見(jiàn)圖14)可知:間距為0.25 D～0.5 D、1.25 D～2 D時(shí)，結(jié)構(gòu)應(yīng)力值均小于初始應(yīng)力值;而間距在0.75 D～1 D時(shí)，結(jié)構(gòu)應(yīng)力值較之增大了2.5%;說(shuō)明新建隧道對(duì)此處結(jié)構(gòu)受力影響幾乎可以忽略。

圖14 3'點(diǎn)處應(yīng)力值變化曲線圖

3.3.6 隅角(遠(yuǎn)離中夾巖側(cè))

由隅角(4點(diǎn))的應(yīng)力值變化曲線(見(jiàn)圖15)可知:間距為0.25 D～0.5 D時(shí)，結(jié)構(gòu)應(yīng)力值較之增大了200%～324%;而間距為0.75 D～2 D時(shí)，結(jié)構(gòu)應(yīng)力值均小于初始應(yīng)力值。經(jīng)分析認(rèn)為:新建隧道的開(kāi)挖，將導(dǎo)致既有隧道出現(xiàn)“左邊圍巖厚、右邊圍巖薄”的偏壓受力狀態(tài)，當(dāng)間距較小時(shí)，由于未形成拱作用，左側(cè)(即遠(yuǎn)離中夾巖)圍巖壓力相對(duì)較大，因此位于應(yīng)力集中點(diǎn)處的隅角結(jié)構(gòu)應(yīng)力值較大;而當(dāng)間距大于0.75 D時(shí)，可認(rèn)為形成了拱作用，由于圍巖壓力變化不大，因此隅角處的結(jié)構(gòu)應(yīng)力值與之前變化不大。

圖15 4點(diǎn)處應(yīng)力值變化曲線圖

3.3.7 隅角(靠近中夾巖側(cè))

由隅角(4'點(diǎn))的應(yīng)力值變化曲線(見(jiàn)圖16)可知:無(wú)論間距多少，結(jié)構(gòu)應(yīng)力值均有所減小，但與之前變化不大，說(shuō)明新建隧道對(duì)此處結(jié)構(gòu)受力影響較小。綜合上節(jié)分析認(rèn)為:當(dāng)間距在0.25 D～0.5 D時(shí)，由于出現(xiàn)的“左重右輕”偏壓受力狀態(tài)，因此位于右側(cè)的隅角受力相對(duì)較小;而當(dāng)間距≥0.75 D時(shí)，由于拱作用的出現(xiàn)，右側(cè)隅角的受力與之前變化不大。

3.3.8 仰拱

由仰拱(5點(diǎn))的應(yīng)力值變化曲線(見(jiàn)圖17)可知:無(wú)論間距為多少，此處應(yīng)力值與未新建隧道時(shí)均變化不大，說(shuō)明新建隧道對(duì)此處結(jié)構(gòu)受力影響較小。

圖16 4'點(diǎn)處應(yīng)力值變化曲線圖

圖17 5點(diǎn)處應(yīng)力值變化曲線圖

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)新建隧道的開(kāi)挖對(duì)既有小凈距隧道的位移、圍巖應(yīng)力及結(jié)構(gòu)安全性的研究，得出以下結(jié)論:

(1)由以上分析結(jié)果可知:當(dāng)新建隧道與既有隧道的間距在0.25 D～0.5 D時(shí)，由于間距較小，總體而言新建隧道對(duì)既有隧道的變形、中夾巖受力、結(jié)構(gòu)各部位的受力狀態(tài)影響較大;當(dāng)間距在≥1 D時(shí)，由于能有效地形成拱作用，因此對(duì)新建隧道各方面的影響相對(duì)較小。

(2)當(dāng)設(shè)計(jì)有條件時(shí)，盡可能保證新建隧道與既有隧道的間距大于1 D;當(dāng)由于條件所限，無(wú)法保證間距時(shí)，需注意加強(qiáng)對(duì)既有隧道的拱頂、拱腰(靠近中夾巖側(cè))、隅角(遠(yuǎn)離中夾巖側(cè))部位的結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行復(fù)核，以確保以上薄弱點(diǎn)的結(jié)構(gòu)安全。

(3)當(dāng)間距小于1 D時(shí)，“品”字形隧道群中既有小凈距隧道的中夾巖上方由于新建隧道的開(kāi)挖將會(huì)增加中夾巖處的應(yīng)力，如超過(guò)中夾巖的承載力，則會(huì)導(dǎo)致左、右隧道圍巖各自形成的塌落拱成為一個(gè)大的塌落拱，從而增大圍巖壓力，威脅結(jié)構(gòu)安全，因此對(duì)中夾巖的加固將是必要措施。

(4)為了減小新建隧道對(duì)既有隧道的不利影響，還應(yīng)考慮采取以下措施:a.在新建隧道仰拱底部進(jìn)行注漿加固;b.加強(qiáng)新建隧道仰拱部位的初期支護(hù)，并及時(shí)封閉仰拱;c.施工期間新建隧道盡可能采用非爆破開(kāi)挖或者控制爆破。

(5)作為地下工程，監(jiān)控量測(cè)是永恒的核心，因此加強(qiáng)對(duì)既有隧道的監(jiān)控量測(cè)工作特別是右側(cè)拱腰位置的位移變化，將是工程安全建設(shè)的有利保障。

U451

A

1009-7716(2015)11-0186-04

2015-06-25

錢(qián)文斐(1977-)，男，江蘇鎮(zhèn)江人，碩士，高級(jí)工程師，注冊(cè)巖土工程師，研究方面;隧道及地下工程、巖土工程。