黃文杰

(中鐵十八局集團(tuán) 第二工程有限公司,河北 唐山 130200)

近年來,隨著地面建筑及交通建設(shè)趨于飽和,現(xiàn)有的交通設(shè)施超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn),滿足不了發(fā)展的需要,嚴(yán)重阻礙了國家和地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。為緩解巨大的交通壓力,隧道及地下結(jié)構(gòu)的修建已迫在眉睫。在現(xiàn)有隧道工程中,鐵路隧道所占比例已呈現(xiàn)跨越式增長趨勢。隧道修建后因圍巖應(yīng)力的改變,導(dǎo)致隧道運(yùn)營安全受到影響。目前隧道下穿既有隧道、上跨既有隧道等形式已十分常見,其中新建橋梁樁基或路基等建筑物對既有隧道的影響需要認(rèn)真對待,防止上部建筑施工影響既有隧道安全[1-2]。

國內(nèi)外就路基開挖對既有隧道造成的影響開展了大量研究,其中不少專家學(xué)者通過數(shù)值模擬軟件對路基開挖造成的隧道影響進(jìn)行分析。王曉星等[3]通過數(shù)值模擬研究路基不同開挖方法對既有隧道的影響,結(jié)合襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力及位移等指標(biāo),得出機(jī)械法開挖路基對既有隧道影響較小,但遇到硬巖時,可在中間穿插使用爆破法的結(jié)論;史世波等[4]采用二維和三維有限元法針對路基開挖與回填等工況進(jìn)行模擬,分析既有盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)的受力與變形情況,得出新建路基換填采用輕質(zhì)泡沫土的處理方式安全可行;彭智勇等[5]通過數(shù)值模擬對鄰近盾構(gòu)區(qū)間上部路基開挖方案進(jìn)行分析,確定路基卸荷對盾構(gòu)區(qū)間變形的影響規(guī)律,并得到路基開挖施工優(yōu)化方案。也有部分專家學(xué)者結(jié)合設(shè)計規(guī)范采用相關(guān)方法進(jìn)行驗算,葉道奎[6]采用破損階段法和容許應(yīng)力法對路基施工下隧道結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行分析,從強(qiáng)度、應(yīng)力等方面出發(fā)對路基施工及運(yùn)營兩階段隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢算,得到路基施工兩階段對既有隧道的影響;何達(dá)[7]針對鐵路路基上跨在建公路隧道進(jìn)行研究,通過計算分析確定城市小凈距構(gòu)筑物之間受力情況。以上研究考慮公路路基開挖對既有隧道造成的影響,但研究重點多側(cè)重于開挖方式的優(yōu)化。

筆者依托京藏公路路基上跨六盤山隧道施工工程,通過FLAC3D數(shù)值模擬軟件對各開挖工序進(jìn)行模擬,結(jié)合路基施工對既有隧道位移及應(yīng)力等指標(biāo)的影響展開研究,同時依托監(jiān)測斷面得到的沉降數(shù)據(jù),計算不同開挖方式對既有隧道的影響程度,從而確定合理的路基施工方案,并為類似上跨路基工程施工提供參考。

1 工程概述

1.1 隧道簡況

京藏公路路基上跨六盤山隧道全長2 190 m,最大埋深約205 m,進(jìn)口里程DK282+475,出口里程DK284+665,單線隧道,設(shè)計為-5‰的單面下坡,全隧道除DK282+483.314—DK283+345.206段位于半徑R=1 200 m的左偏曲線上外,其余地段均為直線,隧道進(jìn)口接路基工程,出口接中橋。隧道各連接工程平面如圖1所示,橫斷面如圖2所示。

圖1 隧道各連接工程平面圖( 單位:m)

圖2 隧道各連接工程橫斷面圖(單位:m)

全隧環(huán)境作用等級為H2。兩隧道交叉段洞身標(biāo)為DK283+651—DK283+687,洞身圍巖級別為Ⅳ級,襯砌類型為Ⅳa型,隧道二次襯砌為C40混凝土,厚度為45 cm。

1.2 地質(zhì)條件

該深挖方路塹段地形相對起伏較大,局部橫坡較陡,路線穿越坡面山脊,挖方路段280 m ,中樁最大挖深17.43 m,右側(cè)挖深較大,路線走向42°。地形自然坡度一般為15°～30°,坡度較緩。深挖路塹段范圍內(nèi)地表水主要為季節(jié)性坡面匯流水,勘察期間屬旱季。深挖路塹段巖體較破碎,屬不均勻地基,故挖方區(qū)劃分為對建筑抗震不利地段,場地類別為Ⅱ類。

2 建模和開挖方案

2.1 建模方針

基于平面應(yīng)變假定的二維數(shù)值仿真方法,因其耗時少,對計算機(jī)硬件要求低,可在較短時間內(nèi)對多種施工工藝、施工順序、施工效率、相關(guān)參數(shù)、工期、安全性等進(jìn)行科學(xué)分析,在單一洞室的仿真分析研究中應(yīng)用較為普遍。二維數(shù)值仿真方法因為無法得到施工全過程中圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的縱向力學(xué)效應(yīng),且不能全面考慮時間和空間效應(yīng),所以存在著某些限制,無法解決近接隧道類施工問題。

盡管三維數(shù)值仿真需要花費較長時間,對計算機(jī)硬件具有一定硬性要求,但它可以比較完整地對施工全過程中圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的縱向受力效應(yīng)進(jìn)行有效重現(xiàn),同時也能完整地模擬各個建筑物間的相互作用,因此筆者擬采用三維有限差分?jǐn)?shù)值模擬軟件進(jìn)行精細(xì)化建模,對既有隧道因路基開挖而產(chǎn)生的變形進(jìn)行分析,并對其影響進(jìn)行全過程模擬。

2.2 計算模型及參數(shù)

按照工程情況對隧道埋深和公路路基開挖進(jìn)行有效模擬,整個模擬計算選取FLAC3D有限差分元相關(guān)通用程序。范圍界定是按照工況順著路基沿橫向取120 m(對應(yīng)隧道DK283+610—DK283+733),順著路基縱向取140m(K1+840—K1+980),深度取隧道仰拱下方50 m。模型具體約束情況依次是前后、左右方向受到水平的制約,頂面是自由表面,而垂直方向底面受到豎向的制約。在模擬計算中,巖體和隧道襯砌都通過彈塑性實體單元進(jìn)行有效模擬。本文主要考慮公路路基開挖對既有隧道造成的影響,整個計算模型網(wǎng)格數(shù)量相對較大。為得到精確的計算結(jié)果,提高計算效率,下部巖體和襯砌采用六面體單元映射劃分,對隧道周圍網(wǎng)格進(jìn)行加密。由于上部路基呈曲線型分布,為保證網(wǎng)格耦合,減少計算模型網(wǎng)格數(shù)量,上部地表部分選取四面體自由化分,建立的模型共410 870個節(jié)點,564 041個單元。三維模型及網(wǎng)格劃分如圖3所示,隧道與路基交互關(guān)系透視如圖4所示。

圖3 三維模型及網(wǎng)格劃分

圖4 隧道與路基交互關(guān)系透視

計算參數(shù)取值參照地勘資料所建議的地層參數(shù)進(jìn)行選取,混凝土參數(shù)根據(jù)《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JTG B01—2014)[8]設(shè)置,相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 相關(guān)計算參數(shù)

2.3 荷載確定

高速公路運(yùn)營期間公路I級荷載根據(jù)《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JTG B01—2014)[8]選取,軸重力單位為kN,尺寸單位為m。車輛荷載布置如圖5所示。

圖5 車輛荷載布置圖

假設(shè)雙向四車道路面寬24.0 m,考慮最不利的情況(雙向堵車、汽車滿載),再考慮超載系數(shù)2,則汽車均布荷載換算為

qk=q1×1×2/s

(1)

式(1)中:q1為道路總荷載,kN,道路為雙向四車道,q1=4q,q為單車道總荷載,kN;s為道路面積,m2;由于汽車為動荷載,考慮汽車動荷載沖擊,取沖擊系數(shù)為2,故本次計算汽車均布荷載取qk=24.4 kN/m。

2.4 開挖過程

筆者研究重點主要在于路基開挖對既有隧道的影響,因此,隧道采用一次性全斷面開挖,不涉及相關(guān)工法及工序的轉(zhuǎn)換。在隧道開挖完成后,進(jìn)行位移清零,然后按下列步驟進(jìn)行路基開挖:路基分為上中下三層,其中路基上層為圖6(a)白色框、中層為圖6(b)白色框、下層為圖6(c)白色框,每層路基循環(huán)開挖,且開挖順序為由上到下,循環(huán)開挖進(jìn)尺長度為10 m。路基開挖至隧道正上方過程示意如圖6所示。

圖6 路基開挖至隧道正上方過程示意

3 計算結(jié)果分析

不同的開挖路基方式對隧道結(jié)構(gòu)的影響也有一定差異,對上述開挖方式下的計算結(jié)果進(jìn)行提取,得到該開挖形式下既有隧道位移及應(yīng)力的云圖(圖7)。

圖7 開挖完成時既有隧道云圖

路基開挖完成后既有隧道豎向位移最大值為0.32 mm,發(fā)生在隧道拱頂部位,而隧道最小主應(yīng)力的最大值為-3.53 MPa。根據(jù)拉正壓負(fù)原則,表明隧道最小主應(yīng)力最大值為壓應(yīng)力,隧道最大主應(yīng)力的最大值為-0.41 MPa,同樣以壓應(yīng)力為主。隧道最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力的最大值均發(fā)生在隧道兩側(cè)墻腳處,表明在隧道施工時,為避免上部建筑物對既有隧道帶來的影響,應(yīng)加強(qiáng)隧道墻腳部位的監(jiān)測,適當(dāng)對隧道墻腳處進(jìn)行加強(qiáng),防止該部位開裂影響運(yùn)營安全。

為準(zhǔn)確分析路基開挖對既有隧道的影響,計算分析時選取既有隧道三個監(jiān)測斷面進(jìn)行位移監(jiān)測,其中三個監(jiān)測斷面的里程分別位于既有線里程中的DK283+639,DK283+669,DK283+699處,監(jiān)測斷面布置如圖8所示,其中監(jiān)測斷面主要關(guān)注既有隧道的6個部位的位移沉降,監(jiān)測部位如圖9所示。

圖8 既有隧道監(jiān)測斷面布置圖

圖9 既有隧道位移沉降監(jiān)測部位

選取路基上層開挖至隧道相交點正上方及路基開挖完成時云圖進(jìn)行分析,剩余兩層路基開挖完成后的云圖不再展示。表2是對計算完成后的各項數(shù)據(jù)進(jìn)行的統(tǒng)計。

表2 既有隧道監(jiān)測點在不同開挖里程下的最大位移 單位:mm

上層路基開挖過程中,隧道二襯豎向位移云圖及應(yīng)力云圖如圖10—圖11所示,其中縱向坐標(biāo)按照從隧道小里程往大里程方向進(jìn)行標(biāo)注,里程單位為m。

圖10 上層路基開挖各階段二襯豎向位移

圖11 上層路基開挖各階段監(jiān)測點位移沿里程分布圖

1) 既有隧道受影響程度

由表2表知,隧道開挖過程對既有隧道主要產(chǎn)生向上的位移,位移最大值(0.32 mm)在拱頂,小于控制標(biāo)準(zhǔn)4.5 mm,隧道結(jié)構(gòu)安全。

2) 既有隧道受影響范圍

各工序拱頂位移沿隧道縱向分布曲線如圖12所示,里程單位為m。

圖12 各開挖時段拱頂位移沿里程分布圖

由圖12可知,由于隧道開挖對既有隧道影響較小,選取了變化位移為最大位移的30%(其值為0.1 mm)的里程段作為重點觀測區(qū)。通過對距離路基與隧道中線相交點45 m處及埋深較大里程段需要重點進(jìn)行觀測后,建議在既有隧道的DK283+643—DK283+733里程段進(jìn)行施工控制,加強(qiáng)對既有隧道的監(jiān)控。完成路基開挖后,既有隧道的位移達(dá)到最大值,位于既有隧道的拱頂位置,位移為0.32 mm;下層路基開挖產(chǎn)生位移0.15 mm,約占總位移的46.8%,在該層開挖時需要重點進(jìn)行監(jiān)測。

3) 影響既有隧道的路基施工范圍

3個監(jiān)測斷面在不同開挖步下的結(jié)構(gòu)位移沉降曲線如圖13所示,其中每個開挖步的開挖長度為10 m。

圖13 不同開挖步下不同監(jiān)測斷面各部位位移沉降曲線

由圖13可以看出,隨著路基的逐漸開挖,隧道二襯位移表現(xiàn)為隆起,且豎向位移逐漸增大。由計算結(jié)果可知,由于路基開挖造成隧道的二次襯砌最大位移位于監(jiān)測斷面3上,其值為0.26 mm。結(jié)合《公路隧道監(jiān)控量測技術(shù)規(guī)程》(DB13/T 2177—2015 ),位移值小于控制標(biāo)準(zhǔn)值4.5 mm,符合結(jié)構(gòu)安全標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)地形圖(圖2)可知,此里程范圍地勢較高,隧道埋深較大,可能是路基開挖巖體過多導(dǎo)致壓力釋放過大所致。選取下層開挖時,變化位移為變化量30%(其值為0.06 mm)的里程段作為重點觀測區(qū),當(dāng)開挖路基距離既有隧道中線距離為40 m處隧道受到較大影響,建議施工開挖在路基開挖距離既有隧道中線距離為40 m處(路基開挖里程為K1+870— K1+950),需要控制施工,加強(qiáng)對既有隧道的監(jiān)控。

4 結(jié) 論

依托京藏公路路基上跨六盤山隧道工程,結(jié)合路基施工對既有隧道位移及應(yīng)力等指標(biāo)的影響開展研究,并確定合理的路基施工方案。

1) 隧道最小主應(yīng)力和最大主應(yīng)力均為壓應(yīng)力,且最小與最大主應(yīng)力最大值均發(fā)生在隧道兩側(cè)墻腳處,主應(yīng)力最大值小于混凝土抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值,表明該開挖方案適用于本工程。

2) 從施工過程來看,隧道開挖過程對既有隧道主要產(chǎn)生向上的位移,位移最大值(0.32 mm)在拱頂,小于控制標(biāo)準(zhǔn)4.5 mm,隧道結(jié)構(gòu)安全。

3) 當(dāng)路基開挖完成后,既有隧道的位移達(dá)到最大,位于既有隧道的拱頂位置處,其值為0.32 mm;下層路基開挖產(chǎn)生位移0.15 mm,約占總位移量的46.8%,在該層開挖時需要重點關(guān)注。

4) 確定開挖路基距離既有隧道中線距離為40 m時,對既有隧道影響較大,此時需控制路基開挖施工,并加強(qiáng)對既有隧道的監(jiān)控。