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重叠隧道结构内力演变的三维弹塑性数值模拟
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内容提示：为了探讨重叠隧道近接施工引起的结构内力演变规律,以深圳地铁老街—大剧院区间重叠隧道为背景,进行了三维弹塑性有限元分析.考虑了“先上洞,后下洞”和“先下洞,后上洞”2种施工顺序.研究结果表明随着后施工隧道的掘进,先施工隧道的环向内力发生偏转,产生纵向内力,并呈现明显的波动性以及受开挖影响的局域性和临时性;后施工隧道的纵向影响范围,在Ⅲ级围岩中约为3倍洞径,在Ⅴ级围岩中约为5倍洞径.
摘 要:为了探讨重叠隧道近接施工引起的结构内力演变规律,以深圳地铁老街—大剧院区间重叠隧道为背景,进行了三维弹塑性有限元分析.考虑了“先上洞,后下洞”和“先下洞,后上洞”2种施工顺序.研究结果表明:随着后施工隧道的掘进,先施工隧道的环向内力发生偏转,产生纵向内力,并呈现明显的波动性以及受开挖影响的局域性和临时性;后施工隧道的纵向影响范围,在Ⅲ级围岩中约为3倍洞径,在Ⅴ级围岩中约为5倍洞径.
关键词:重叠隧道;近接施工;开挖模拟;内力演变
随着对交通设施需求的不断增加,有时需要在既有隧道旁新建隧道或者一次性修建多孔近距离平行或交叉隧道.国外对这类问题研究较多,有的已形成设计、施工指南.如日本对近接既有铁路隧道的施工问题进行了较全面的研究,并形成了指南,但多基于经验[1,2].近年来,随着这类工程实例的增多,国内对近接施工过程、车致振动响应、施工过程的智能预测与控制等方面进行了研究,并取得了一些成功的经验,典型的工程有“深圳地铁一期工程重叠隧道”、“上海明珠线二期近距离交叠隧道”等[3],但研究尚处于从个案上升到理论的阶段.
从已有的研究来看,后施工隧道开挖将使围岩应力场在原来多次演变的基础上再次演变,造成既有隧道的安全性以及相互影响带来的工法、工序和对策优化等问题.由于空间关系、隧道施工顺序、地质条件和施工方法等不同,影响程度也不同,需要进行与施工过程相关的三维数值模拟分析[1].文献[4,5]中对2个重叠隧道工程进行了二维和三维有限元分析,但主要研究地层位移和围岩应力的演变过程及影响,而对近接隧道的内力演变过程缺乏深入研究.鉴于此,本文中采用ANSYS软件,通过对深圳地铁一期工程中矿山法施工的重叠隧道的三维弹塑性有限元分析,对先施工隧道结构内力受后施工隧道开挖影响的演变规律进行了研究.
1 工程背景
在深圳地铁一期工程的规划设计中,由于受沿线建(构)筑物的限制,2条区间隧道采取上下重叠、交错布置的形式,集中在罗湖—国贸—老街—大剧院3个区间.
根据罗湖—国贸、国贸—老街和老街—大剧院3个区间隧道的地质勘察资料,罗湖—国贸区间隧道所处位置大多为软弱围岩,用盾构法施工.国贸—老街和老街—大剧院区间隧道的围岩条件较好,并因桩基托换及切桩原因,采用矿山法施工.国内外采用盾构法施工复杂线型近接隧道的先例较多,技术较为成熟,施工风险小.而老街—大剧院区间的2条区间隧道从上下重叠逐渐过渡到水平并行,为矿山法施工的双洞重叠交错结构,线形和结构受力均十分复杂,近接施工的影响明显,是研究的重点.老街—大剧院分叉段结构三维模型及其典型横断面见图1.断面390和断面480分别代表CK2 390断面和CK2 480断面.
2 有限元模型
2.1 计算范围及材料的物理力学指标
计算范围的选取综合考虑了两洞净距和计算规模等因素.研究区段内双洞重叠的开始断面为CK2 390,考虑到端面的约束效应,计算范围增加了CK2 360~CK2 390的30m单洞双层段.截止断面宜取至两洞净距大于1倍洞径(约6m,即地铁常规区段的净距)处,而在CK2 530处两洞净距为6.1m,同样考虑端面效应,计算范围再增加30m.因此,整个模型的计算范围从CK2 360至CK2 560,共200m[6].
隧道断面围岩范围一般取3~5倍洞径(约20~30m),考虑到双洞开挖的应力重分布效应,取隧道断面范围宽×高=80m×75m.有限元模型见图2,围岩纵向分层见图3,材料参数见表1.
根据各典型断面地质资料,断面390和断面480隧道分别处于Ⅲ级和Ⅴ级围岩中.材料参数根据地质勘察报告并结合规范取值,围岩根据现行铁路隧道规范分级.
2.2 基本工况
为突出问题的本质,重点考察先施工隧道的结构内力受后施工隧道开挖影响的演变过程,按“先施工上洞,后施工下洞”(工况1)和“先施工下洞,后开挖上洞”(工况2)2种工况进行数值模拟.
2.3 单元类型、边界条件和屈服准则
围岩和衬砌结构用空间实体单元模拟.边界条件均采用位移边界条件,上边界取至地面,为自由面,两侧面、底面及两端面均受法向约束.数值模拟计算采用弹塑性模型,Drucker-Prager屈服准则,分析采用大型通用有限元程序ANSYS.
3 结果分析
限于篇幅,仅给出工况1先施工隧道内力受后施工隧道开挖影响的变化过程,而对工况2只列出其最大值和最大变化值.因主要依赖典型断面进行分析,因此选取CK2 390和CK2 480断面.
3.1 环向内力的变化过程
隧道环向内力主要包括环向弯矩Mz和环向轴力N.Mz为每延米宽隧道衬砌截面绕z轴的弯矩,以内侧受拉为正,外侧受压为负.轴力以受拉为正,受压为负.表2为开挖全过程中环向内力的变化,图4和图5分别为在工况1的情况下隧道两断面上洞衬砌的环向弯矩.图4和图5中,括号内的数字为后施工隧道工作面相对于考察断面的位置(以隧道开挖方向为正方向,工作面位于考察断面前为正,反之为负).从图4可见,随下洞的开挖,断面390上洞衬砌(先施工隧道)各截面弯矩明显减小,尤其是拱顶和仰拱底处,减幅达60%左右.此外,由于断面390及其相邻区段两洞基本重叠,因此其内力图并无明显的不对称.从图5可见,断面480上洞衬砌的弯矩图在未受下洞开挖影响前基本对称,随下洞的开挖,弯矩图明显偏转,拱顶与仰拱底处负弯矩均减小,而左拱脚与右拱腰处正弯矩明显增大,尤以左墙脚和仰拱底为甚,变化幅度均高达50kN·m.
在基本重叠段,下洞开挖使上洞结构的竖向压力因向两侧围岩转移而减小,从而使上洞衬砌弯矩减小;在两洞交错段,虽然最大弯矩值并不增大,但弯矩图出现明显偏转,靠下洞左墙脚处显著增大,相应地仰拱底处明显减小.此外,随两洞水平间距的增大,内力的非对称性十分明显,最大变化值一般发生在两洞中心的连线或与之垂直方向.
从表2还可见,就最大内力变化值而言,工况1大于工况2,即单纯从内力的影响程度来看,工况1相对不利.环向弯矩的最大变化值,Ⅲ级围岩中的工况1比工况2约增大48%,Ⅴ级围岩中约增大59%.隧道结构横断面应根据环向弯矩包络图进行设计,工况1先施工隧道的环向弯矩包络图见图6.
3.2 纵向弯矩的变化
所谓纵向弯矩,此处是指将隧道结构在纵向看成置于围岩中的箱梁结构而得到的梁截面弯矩,它有2个分量———Mx和My.由于衬砌结构均用实体单元模拟,因此需要根据程序输出的节点力进行换算:
式中:Mx,My分别为衬砌断面绕x轴和y轴的弯矩,正负号依据右手法则;i为衬砌断面的单元编号;j为相应单元的节点顺序编号;Fz,ij为i单元j节点的节点力;xij,yij分别为i单元j节点距衬砌横断面形心x和y方向的距离.
工况1断面390和断面480纵向弯矩与下洞工作面的位置关系如图7.从图7可见,在断面390处,上洞结构纵向弯矩开始时(-30m处)为0,随下洞的开挖,工作面在-20m处时,Mx出现负值(上侧受拉),在5m处时出现正值;My图在施工全过程中为负值,在工作面邻近考察断面10m左右时剧烈变化,与考察断面基本重合时达到最大,但其值较小.可见,纵向弯矩最大值一般出现在工作面前后15m内.
在断面480处,当工作面在-30m处时,上洞纵向弯矩Mx开始出现负值(上侧受拉),在-5m处达到最大值;正弯矩(下侧受拉)一般在工作面位于-3m处时开始出现,在5m处达到最大值;当工作面过25m位置后,Mx基本趋于稳定.与断面390相比,虽然断面480两隧道净距变大,但纵向弯矩最大值比断面390大,说明围岩条件的影响更大.此外,My对合成弯矩的贡献更大,与空间位置的变化吻合.
从图7中还可以看到,Mx和My均具有波动性和受近接施工影响的局域性、临时性.纵向影响范围,在Ⅲ级围岩中约为3倍(后施工)隧道洞径,在Ⅴ级围岩中约为5倍隧道洞径,其发生、发展和消失与开挖引起的荷载释放规律一致,说明下洞开挖的卸载过程,就是上洞结构的加载过程,其本质是下洞开挖引起围岩应力重分布.纵向内力所具有的局域性、临时性说明,可以考虑在工作面前后一定范围内对先施工隧道进行临时设防.
同样,纵向结构应按纵向弯矩包络图进行设计.工况1Ⅲ级围岩中隧道的纵向弯距包络图如图8.
由于后施工隧道开挖前,先施工隧道几乎不存在纵向内力,因此,纵向内力值能够反映先施工隧道受后施工隧道的影响程度.从表3可见,工况1的纵向弯矩值基本大于工况2.纵向弯矩的最大变化值,在Ⅲ级围岩中工况1是工况2的约2.4倍,在Ⅴ级围岩中约3.6倍.因此,就纵向内力而言,工况2较为有利.
4 结 论
根据本文的数值模拟结果,可以得到以下认识:
(1)从先施工隧道的内力演变来看,“先施工下洞,后施工上洞”的安全性优于“先施工上洞,后施工下洞”的施工顺序.
原文网址：http://www.pipcn.com/research/200807/8940.htm
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