重疊隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力演變的三維彈塑性數(shù)值模擬資料

1、重疊隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力演變的三維彈塑性數(shù)值模擬摘要:為了探討重疊隧道近接施工引起的結(jié)構(gòu)內(nèi)力演變規(guī)律,以深圳地鐵老街大劇院區(qū)間重疊隧道為背景,進(jìn)行了三維彈塑性有限元分析.考慮了“先上洞,后下洞”和“先下洞,后上洞”2種施工順序.研究結(jié)果表明:隨著后施工隧道的掘進(jìn),先施工隧道的環(huán)向內(nèi)力發(fā)生偏轉(zhuǎn),產(chǎn)生縱向內(nèi)力,并呈現(xiàn)明顯的波動(dòng)性以及受開(kāi)挖影響的局域性和臨時(shí)性;后施工隧道的縱向影響范圍,在級(jí)圍巖中約為3倍洞徑,在級(jí)圍巖中約為5倍洞徑.關(guān)鍵詞:重疊隧道;近接施工;開(kāi)挖模擬;內(nèi)力演變隨著對(duì)交通設(shè)施需求的不斷增加,有時(shí)需要在既有隧道旁新建隧道或者一次性修建多孔近距離平行或交叉隧道.國(guó)外對(duì)這類(lèi)問(wèn)題研究較多,有的已形

2、成設(shè)計(jì)、施工指南.如日本對(duì)近接既有鐵路隧道的施工問(wèn)題進(jìn)行了較全面的研究,并形成了指南,但多基于經(jīng)驗(yàn)1,2.近年來(lái),隨著這類(lèi)工程實(shí)例的增多,國(guó)內(nèi)對(duì)近接施工過(guò)程、車(chē)致振動(dòng)響應(yīng)、施工過(guò)程的智能預(yù)測(cè)與控制等方面進(jìn)行了研究,并取得了一些成功的經(jīng)驗(yàn),典型的工程有“深圳地鐵一期工程重疊隧道”、“上海明珠線二期近距離交疊隧道”等3,但研究尚處于從個(gè)案上升到理論的階段.從已有的研究來(lái)看,后施工隧道開(kāi)挖將使圍巖應(yīng)力場(chǎng)在原來(lái)多次演變的基礎(chǔ)上再次演變,造成既有隧道的安全性以及相互影響帶來(lái)的工法、工序和對(duì)策優(yōu)化等問(wèn)題.由于空間關(guān)系、隧道施工順序、地質(zhì)條件和施工方法等不同,影響程度也不同,需要進(jìn)行與施工過(guò)程相關(guān)的三維數(shù)值

3、模擬分析1.文獻(xiàn)4,5中對(duì)2個(gè)重疊隧道工程進(jìn)行了二維和三維有限元分析,但主要研究地層位移和圍巖應(yīng)力的演變過(guò)程及影響,而對(duì)近接隧道的內(nèi)力演變過(guò)程缺乏深入研究.鑒于此,本文中采用ANSYS軟件,通過(guò)對(duì)深圳地鐵一期工程中礦山法施工的重疊隧道的三維彈塑性有限元分析,對(duì)先施工隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力受后施工隧道開(kāi)挖影響的演變規(guī)律進(jìn)行了研究.1工程背景在深圳地鐵一期工程的規(guī)劃設(shè)計(jì)中,由于受沿線建(構(gòu))筑物的限制,2條區(qū)間隧道采取上下重疊、交錯(cuò)布置的形式,集中在羅湖國(guó)貿(mào)老街大劇院3個(gè)區(qū)間.根據(jù)羅湖國(guó)貿(mào)、國(guó)貿(mào)老街和老街大劇院3個(gè)區(qū)間隧道的地質(zhì)勘察資料,羅湖國(guó)貿(mào)區(qū)間隧道所處位置大多為軟弱圍巖,用盾構(gòu)法施工.國(guó)貿(mào)老街和老街大

4、劇院區(qū)間隧道的圍巖條件較好,并因樁基托換及切樁原因,采用礦山法施工.國(guó)內(nèi)外采用盾構(gòu)法施工復(fù)雜線型近接隧道的先例較多,技術(shù)較為成熟,施工風(fēng)險(xiǎn)小.而老街大劇院區(qū)間的2條區(qū)間隧道從上下重疊逐漸過(guò)渡到水平并行,為礦山法施工的雙洞重疊交錯(cuò)結(jié)構(gòu),線形和結(jié)構(gòu)受力均十分復(fù)雜,近接施工的影響明顯,是研究的重點(diǎn).老街大劇院分叉段結(jié)構(gòu)三維模型及其典型橫斷面見(jiàn)圖1.斷面390和斷面480分別代表CK2+390斷面和CK2+480斷面.2有限元模型2.1計(jì)算范圍及材料的物理力學(xué)指標(biāo)計(jì)算范圍的選取綜合考慮了兩洞凈距和計(jì)算規(guī)模等因素.研究區(qū)段內(nèi)雙洞重疊的開(kāi)始斷面為CK2+390,考慮到端面的約束效應(yīng),計(jì)算范圍增加了CK2+

5、360CK2+390的30m單洞雙層段.截止斷面宜取至兩洞凈距大于1倍洞徑(約6m,即地鐵常規(guī)區(qū)段的凈距)處,而在CK2+530處兩洞凈距為6.1m,同樣考慮端面效應(yīng),計(jì)算范圍再增加30m.因此,整個(gè)模型的計(jì)算范圍從CK2+360至CK2+560,共200m6.隧道斷面圍巖范圍一般取35倍洞徑(約2030m),考慮到雙洞開(kāi)挖的應(yīng)力重分布效應(yīng),取隧道斷面范圍寬×高=80m×75m.有限元模型見(jiàn)圖2,圍巖縱向分層見(jiàn)圖3,材料參數(shù)見(jiàn)表1.根據(jù)各典型斷面地質(zhì)資料,斷面390和斷面480隧道分別處于級(jí)和級(jí)圍巖中.材料參數(shù)根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告并結(jié)合規(guī)范取值,圍巖根據(jù)現(xiàn)行鐵路隧道規(guī)范分級(jí).2

6、.2基本工況圍巖和襯砌結(jié)構(gòu)用空間實(shí)體單元模擬.邊界條件均采用位移邊界條件,上邊界取至地面,為自由面,兩側(cè)面、底面及兩端面均受法向約束.數(shù)值模擬計(jì)算采用彈塑性模型,Drucker-Prager屈服準(zhǔn)則,分析采用大型通用有限元程序ANSYS.3結(jié)果分析限于篇幅,僅給出工況1先施工隧道內(nèi)力受后施工隧道開(kāi)挖影響的變化過(guò)程,而對(duì)工況2只列出其最大值和最大變化值.因主要依賴典型斷面進(jìn)行分析,因此選取CK2+390和CK2+480斷面.3.1環(huán)向內(nèi)力的變化過(guò)程隧道環(huán)向內(nèi)力主要包括環(huán)向彎矩Mz和環(huán)向軸力N.Mz為每延米寬隧道襯砌截面繞z軸的彎矩,以內(nèi)側(cè)受拉為正,外側(cè)受壓為負(fù).軸力以受拉為正,受壓為負(fù).表2為開(kāi)

7、挖全過(guò)程中環(huán)向內(nèi)力的變化,圖4和圖5分別為在工況1的情況下隧道兩斷面上洞襯砌的環(huán)向彎矩.圖4和圖5中,括號(hào)內(nèi)的數(shù)字為后施工隧道工作面相對(duì)于考察斷面的位置(以隧道開(kāi)挖方向?yàn)檎较?工作面位于考察斷面前為正,反之為負(fù)).從圖4可見(jiàn),隨下洞的開(kāi)挖,斷面390上洞襯砌(先施工隧道)各截面彎矩明顯減小,尤其是拱頂和仰拱底處,減幅達(dá)60%左右.此外,由于斷面390及其相鄰區(qū)段兩洞基本重疊,因此其內(nèi)力圖并無(wú)明顯的不對(duì)稱(chēng).從圖5可見(jiàn),斷面480上洞襯砌的彎矩圖在未受下洞開(kāi)挖影響前基本對(duì)稱(chēng),隨下洞的開(kāi)挖,彎矩圖明顯偏轉(zhuǎn),拱頂與仰拱底處負(fù)彎矩均減小,而左拱腳與右拱腰處正彎矩明顯增大,尤以左墻腳和仰拱底為甚,變化幅

8、度均高達(dá)50kN·m.在基本重疊段,下洞開(kāi)挖使上洞結(jié)構(gòu)的豎向壓力因向兩側(cè)圍巖轉(zhuǎn)移而減小,從而使上洞襯砌彎矩減小;在兩洞交錯(cuò)段,雖然最大彎矩值并不增大,但彎矩圖出現(xiàn)明顯偏轉(zhuǎn),靠下洞左墻腳處顯著增大,相應(yīng)地仰拱底處明顯減小.此外,隨兩洞水平間距的增大,內(nèi)力的非對(duì)稱(chēng)性十分明顯,最大變化值一般發(fā)生在兩洞中心的連線或與之垂直方向.從表2還可見(jiàn),就最大內(nèi)力變化值而言,工況1大于工況2,即單純從內(nèi)力的影響程度來(lái)看,工況1相對(duì)不利.環(huán)向彎矩的最大變化值,級(jí)圍巖中的工況1比工況2約增大48%,級(jí)圍巖中約增大59%.隧道結(jié)構(gòu)橫斷面應(yīng)根據(jù)環(huán)向彎矩包絡(luò)圖進(jìn)行設(shè)計(jì),工況1先施工隧道的環(huán)向彎矩包絡(luò)圖見(jiàn)圖6.3.

9、2縱向彎矩的變化所謂縱向彎矩,此處是指將隧道結(jié)構(gòu)在縱向看成置于圍巖中的箱梁結(jié)構(gòu)而得到的梁截面彎矩,它有2個(gè)分量Mx和My.由于襯砌結(jié)構(gòu)均用實(shí)體單元模擬,因此需要根據(jù)程序輸出的節(jié)點(diǎn)力進(jìn)行換算:式中:Mx,My分別為襯砌斷面繞x軸和y軸的彎矩,正負(fù)號(hào)依據(jù)右手法則;i為襯砌斷面的單元編號(hào);j為相應(yīng)單元的節(jié)點(diǎn)順序編號(hào);Fz,ij為i單元j節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)力;xij,yij分別為i單元j節(jié)點(diǎn)距襯砌橫斷面形心x和y方向的距離.工況1斷面390和斷面480縱向彎矩與下洞工作面的位置關(guān)系如圖7.從圖7可見(jiàn),在斷面390處,上洞結(jié)構(gòu)縱向彎矩開(kāi)始時(shí)(-30m處)為0,隨下洞的開(kāi)挖,工作面在-20m處時(shí),Mx出現(xiàn)負(fù)值(上

10、側(cè)受拉),在5m處時(shí)出現(xiàn)正值;My圖在施工全過(guò)程中為負(fù)值,在工作面鄰近考察斷面10m左右時(shí)劇烈變化,與考察斷面基本重合時(shí)達(dá)到最大,但其值較小.可見(jiàn),縱向彎矩最大值一般出現(xiàn)在工作面前后15m內(nèi).在斷面480處,當(dāng)工作面在-30m處時(shí),上洞縱向彎矩Mx開(kāi)始出現(xiàn)負(fù)值(上側(cè)受拉),在-5m處達(dá)到最大值;正彎矩(下側(cè)受拉)一般在工作面位于-3m處時(shí)開(kāi)始出現(xiàn),在5m處達(dá)到最大值;當(dāng)工作面過(guò)25m位置后,Mx基本趨于穩(wěn)定.與斷面390相比,雖然斷面480兩隧道凈距變大,但縱向彎矩最大值比斷面390大,說(shuō)明圍巖條件的影響更大.此外,My對(duì)合成彎矩的貢獻(xiàn)更大,與空間位置的變化吻合.從圖7中還可以看到,Mx和My

11、均具有波動(dòng)性和受近接施工影響的局域性、臨時(shí)性.縱向影響范圍,在級(jí)圍巖中約為3倍(后施工)隧道洞徑,在級(jí)圍巖中約為5倍隧道洞徑,其發(fā)生、發(fā)展和消失與開(kāi)挖引起的荷載釋放規(guī)律一致,說(shuō)明下洞開(kāi)挖的卸載過(guò)程,就是上洞結(jié)構(gòu)的加載過(guò)程,其本質(zhì)是下洞開(kāi)挖引起圍巖應(yīng)力重分布.縱向內(nèi)力所具有的局域性、臨時(shí)性說(shuō)明,可以考慮在工作面前后一定范圍內(nèi)對(duì)先施工隧道進(jìn)行臨時(shí)設(shè)防.同樣,縱向結(jié)構(gòu)應(yīng)按縱向彎矩包絡(luò)圖進(jìn)行設(shè)計(jì).工況1級(jí)圍巖中隧道的縱向彎距包絡(luò)圖如圖8.根據(jù)本文的數(shù)值模擬結(jié)果,可以得到以下認(rèn)識(shí):(1)從先施工隧道的內(nèi)力演變來(lái)看,“先施工下洞,后施工上洞”的安全性優(yōu)于“先施工上洞,后施工下洞”的施工順序.(2)隨后施工

12、隧道的掘進(jìn),先施工隧道的環(huán)向內(nèi)力發(fā)生偏轉(zhuǎn)(兩洞中心連線方向增大,與之垂直方向減小);縱向內(nèi)力開(kāi)始為0,并呈現(xiàn)明顯的波動(dòng)性和受開(kāi)挖影響的局域性和臨時(shí)性,因此,施工過(guò)程中可以只對(duì)距工作面一定范圍內(nèi)的先施工隧道采用臨時(shí)措施.(3)縱向影響范圍,在級(jí)圍巖中約為(后施工)隧道洞徑的3倍,在級(jí)圍巖中約為(后施工)隧道洞徑的5倍.(4)按內(nèi)力包絡(luò)圖對(duì)二次襯砌進(jìn)行設(shè)計(jì)較為合理.參考文獻(xiàn):1仇文革.地下工程近接施工力學(xué)原理與對(duì)策研究D.成都:西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,2003.2關(guān)寶樹(shù).隧道工程施工要點(diǎn)集M.北京:人民交通出版社,2003:320-328.3陳衛(wèi)軍,朱忠隆.近距離交疊隧道研究現(xiàn)狀及評(píng)析J.現(xiàn)代隧

13、道技術(shù),2002,39(1):42-47.CHENWeijun,ZHUZhonglong.AreviewonthetechnologyusedincloselyoverlappedtunnelsJ.ModernTunnelingTechnology,2002,39(1):42-47.4陳先國(guó),王顯軍.近距離重疊隧道的二維和三維有限元分析J.西南交通大學(xué)學(xué)報(bào),2003,38(6):379-385.CHENXianguo,WANGXianjun.2Dand3DfiniteelementanalysesofoverlappingtunnelsJ.JournalofSouthwestJiaotongUniversity,2003,38(6):379-385.5孫鈞,劉洪洲.交疊隧道盾構(gòu)法施工土體變形的三維數(shù)值模擬J.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào),200