吴明雷,李禄

(济南市勘察测绘研究院,山东济南 250013)

基于正交分析下近距交叠隧道施工变形研究

吴明雷∗,李禄

(济南市勘察测绘研究院,山东济南 250013)

为研究近距交叠隧道施工变形影响因素,运用正交试验对不同弹性模量、内摩擦角、黏聚力、净距、埋深影响因素进行了FLAC3D模拟,分析了地表沉降、拱顶沉降、拱底变形、塑性区体积、拱顶及拱底应力场6项指标变化规律。结果显示:不同因素水平下各指标变形量不同,且各因素对同一指标影响程度不同;弹性模量是除指标4外最为显著的影响因素,其值越大越稳定变形量也越小;黏聚力和内摩擦角是影响指标4关键因素,呈负相关系;净距对指标3、5、6有很大影响,是仅次于弹性模量的影响因子;埋深对指标3、4有一定影响,对其他指标影响不大;并利用二次回归方程对拱顶变形量进行了公式拟合验证,对今后类似工程施工变形研究具有一定的借鉴意义。

正交试验;交叠隧道;小净距;数值模拟

1　引 言

小净距施工方案,能很好地满足特殊地质及地形条件、单双线衔接方式的要求,具有良好的技术经济效果,在城市地下铁道、铁路隧道和公路隧道中得到了越来越广泛的应用。且随着地下空间的不断开发,使得后建的隧道不得不以立交方式穿越邻近已有隧道或其他结构设施,且净距越来越小[1]。

目前,美国土木工程协会在《隧道衬砌设计指南》[9]中提出相邻、相交、重叠或交叉隧道对设计和施工都产生重要的影响。日本在《近接施工的设计与指南》[9]提出了近距隧道相互影响的范围、分类以及施工对策措施;国内,包德勇[2]运用ANSYS程序对某新建隧道下穿既有隧道的施工过程进行模拟,揭示了隧道结构受力及位移随新建隧道的施工推进的变化规律;陈炳志[3]分析了近接隧道不同开挖方式下上部隧道的受力及变形特征;路林海[4,5]分析了青岛台东紧接交叠隧道的施工变形规律;李朋[6]、王国波[7]对4孔紧接交叠隧道采用三维有限元分析了动态施工过程引起的地表变形规律以及后建隧道对已建隧道受力变形及抗震性能的影响。

国内外研究表明,虽然交叠隧道施工变形及受力特点做了很多研究,但围绕具体哪些因素对小净距交叠隧道的施工变形产生较大影响及其影响程度如何却没有系统阐述,因此,探讨不同工程条件,不同的地质水平下近距交叠隧道施工变形如何,对于今后类似工程变形预测和工程施工具有一定的指导作用,因此,本文的研究具有重要现实意义。

2　正交试验设计

近距交叠隧道的施工由于竖向净距较小,上下隧道交互影响更为剧烈,施工难度剧增。据国内外文献[2～6]可知,影响小净距立体交叠隧道施工过程中施工变形和受力大小的因素很多。比如隧道埋深不仅对地层的初始地应力场起到关键作用,同时对隧道开挖后的二次及三次应力场也有很大影响,因此作为本次研究小净距交叠隧道施工变形的影响因素。小净距交叠隧道的竖向净距的大小对交叠区域处上下隧道的施工扰动程度和受力传递有很大的作用,也作为本次研究小净距交叠隧道施工变形的影响因素。除此之外,隧道施工过程中围岩的力学性质稳定与否是影响整个隧道施工变形和受力的关键因素,在此选定围岩弹性模量、内摩擦角及黏聚力作为本次研究小净距交叠隧道施工变形的影响因素。考虑青岛区域的地质特点,结合初步规划设计方案,确定5项主要影响因素:围岩等级E、净距h、隧道埋深H、围岩内聚力C、内摩擦角φ;各因素代表的意义如图1所示:

图1　实验影响因素示意图

正交试验因素水平的选择:本工程主要依托某地铁2号线枣山-李村站区间隧道与3号线万年泉-李村站区间隧道相互交叠为背景,主要研究浅埋暗挖小净距立体交叠隧道的施工变形分析。因此,5项因素分别采用4个影响因素水平进行试验:①隧道埋深H,分为10 m、20 m、30 m、40 m;②双向隧道竖向间距h:分别采用0．5 m、1 m、3 m、6 m;③围岩的物理参数选取:考虑到青岛地区地质条件主要以较为坚硬的花岗岩为主因此,因此弹性模量E、内摩擦角φ、黏聚力C的选取采用Ⅱ～Ⅲ～Ⅳ级围岩的具体情况;结合岩体基本质量级别物理力学参数参考表,把各项指标编号汇总于如表1所示:

正交试验因素编号及水平值大小　表1

正交试验方案表　表2

正交试验表的确定:正交表是正交试验的基本工具,是正交试验能否取得理想效果的关键所在,且安排实验方案和数据分析均要在正交表中进行。本次试验选取了5项因素4个水平,因此采用L16(45)正交表表述如表2所示。

3　建立数值模型

3．1计算模型的建立

按照小净距交叠隧道的施工过程,采用FLAC3D软件动态模拟该工程开挖与支护的全过程,分析了整个施工过程当中新建隧道与既有隧道的施工变形及受力特点。根据地下工程地铁隧道施工影响范围为5倍洞径[10],分别建立16组试验对应的三维有限元模型,其中以第一组试验为例建立模型大小为58．405 m× 109．885 m×55．19 m。边界条件是位移约束条件,上边界为自由面,四周受水平约束,底面为竖向约束。荷载类型为:地应力荷载、水荷载、施工荷载。其中施工荷载大小取为20 kN竖向荷载。

隧道围岩采用Mohr-Coulomb弹塑性模型,初衬、二衬采用实体单元,锚杆采用cable单元,初支方案中超前管棚支护和中空注浆锚杆措施采用对加固区的围岩力学参数进行等效模拟。建立三维计算模型如图2所示。

图2　试验1计算模型

3．2围岩与支护参数取值

根据地勘资料并进行地层简化,选取计算模型的地层及支护参数如表3所示:

模型材料参数表　表3

4　实验结果的极差分析

4．1试验指标的选取

极小净距交叠隧道的施工变形分析主要研究在下穿施工过程中,主要分析以下几部分变形情况:1．地表的最大沉降量S地表;2．既有隧道拱顶的最大沉降量S拱顶;3．既有隧道拱底的最大底鼓量S底板;4．塑性破坏区体积VP,即交叠隧道开挖完后在模型中产生的塑性区破坏体积的总和;5．拱顶最大主应力P拱顶;6．拱底最大主应力P拱底。

其中,指标1表述了地表的变形;试验指标2、3反映了下部新线隧道开挖所引起的既有隧道衬砌断面变形,很大程度上反映了围岩的稳定性和施工的安全性;试验指标4描述了小净距交叠隧道开挖后塑性区发展变化;试验指标5、6描述了既有线路拱顶和拱底的最大主应力的变化。

4．2试验结果

正交试验过程中16组实验结果均是由FLAC3D软件严格按照相同的施工工序,不同的试验因素水平来实现模拟的,具体的试验模拟数据结果列于表4中。其中指标1是交叠隧道施工地表最大沉降量;指标2～3是交叠隧道施工拱顶、拱底变形量,由交叠区域变形云图得到;指标4是塑性区体积,由FISH语言编程得到;指标5～6是交叠区域拱顶拱底最大主应力的大小,由交叠区域处主应力云图得到。

试验各指标模拟计算结果表　表4

4．3结果分析

正交试验的数据处理主要有极差分析法和方差分析法,其中极差分析法又称为直观分析法,是最常用的可靠地数据分析方法。因此对该正交试验采用极差分析方法处理计算结果,研究不同因素水平下小净距交叠隧道施工变形及受力特点,其计算极差分析结果如表5～表7所示:

指标1、2极差计算表　表5

指标3、4极差计算表　表6

指标5、6极差计算表　表7

为了更直观的展现不同因素水平下不同因素对同一指标的影响程度大小及其关系,将上述极差分析结果均值绘制成同一指标与不同影响因素之间关系曲线如图3～图8所示:

由图3～图8可知,不同的因素及对同一指标的影响不同,同一因素对不同指标影响程度也不同,通过对比分析不同因素水平对浅埋暗挖小净距交叠隧道的施工变形及受力特点影响不同,结论如下:

图3　对指标1水平均值图

图4　对指标2水平均值图

图5　对指标3水平均值图

图6　对指标4水平均值图

图7　对指标5水平均值图

图8　对指标6水平均值图

(1)不同因素对同一指标影响程度不同,具体表现为:对指标1地面,E＞φ＞C＞h＞H;对指标2拱顶,E＞φ＞C＞h＞H;对指标3拱底,E＞h＞H＞φ＞C;对指标4,C＞φ＞H＞E＞h;对指标5,E＞h＞φ＞C＞H;对指标6,E＞h＞C＞φ＞H。

(2)同一因素对不同指标影响程度也不同,除指标4外,弹性模量对各指标影响都很大,是影响小净距交叠隧道的施工变形的最主要因素;其值越大,同等施工扰动荷载下围岩越稳定,变形越小,是影响整个施工安全的重要因素之一。

(3)对于指标4即隧道开挖引起的围岩塑性破坏区的体积,围岩的内摩擦角φ和黏聚力C成为影响的主要因素,其值越大,塑性区体积越小,因此可将围岩内摩擦角和黏聚力的水平作为预测塑性区大小的一个因素,这与摩尔-库伦准则不谋而合;同时黏聚力和内摩擦角对指标1、2影响较大,是仅次于围岩弹性模量的影响因素,即围岩的性质是决定地表沉降和拱顶沉降大小的决定性因素,与隧道埋深和净距关系不大。

(4)净距和埋深影响:本次试验主要研究浅埋暗挖隧道施工新建隧道对已有隧道变形及受力影响,因此应力场和位移场仅考虑新建隧道施工引起的一部分,因此埋深前后不变化,对各指标影响略小;而净距对各指标影响较明显,研究表明,净距大小对拱顶、拱底的应力场及变形量影响较大,这与净距对指标5、6的影响程度相符;而埋深对拱底变形量有一定的影响时仅次于围岩弹性模量和竖向净距的影响因子;其值大小也是关乎塑性区的发展的重要影响因子,是仅次于黏聚力和内摩擦角的影响因素。

5　回归分析验证

浅埋暗挖小净距交叠隧道由于其埋深较浅,地层构造应力较小因此在施工开挖过程中拱顶位置处受力最大,发生较大变形,即隧道的破坏是从拱顶处开始的。因此,依据上述数据,利用二次回归模型,对特定浅埋暗挖小净距交叠隧道施工条件下拱顶沉降位移计算公式进行拟合,验证了上述结果的可靠性。

对浅埋暗挖小净距交叠隧道施工影响因素的分析可知,围岩力学性质中弹性模量、内摩擦角及黏聚力之间有着一定的内在关系,为简化计算,将弹性模量、内摩擦角、内黏聚力合称为一个因子,5个简化为3个因素分析:x1是埋深H;x2是净距h;x3由围岩特性合成因子。由上述数据可知,弹性模量对实验拱顶沉降影响较大,其影响因素是其他因素影响度的3倍～5倍,因此在确定x3时,在弹性模量E前乘以一个较大的权重值5,确定x3如下:

假定隧道拱顶处最大变形计算公式可以以二次回归方程表示如下:

根据上述实验数据分析将其代入上述公式确定方程参数如下:

代入式(2)可得浅埋暗挖小净距下立体交叠隧道下穿既有隧道的拱顶沉降值计算式:

依据上述拟合式(3),代入实验16组数据进行反算既有隧道拱顶最大沉降量,验证本方程式的可靠性,计算结果如表8所示。

反算结果对比　表8

由表8分析可知,在利用此公式计算浅埋暗挖小净距交叠隧道施工过程中既有隧道拱顶变形量时候,除试验1和7之外,其他指标反算结果与模拟数据基本吻合,误差不超过25%,其中最大误差在20%。最小误差仅为0．001%,因此从统计学来讲,试验取得了较好的效果。试验1、试验7是由于试验操作不当及岩土体数据不合理所致。具体而言,试验1号埋深10 m时,上部岩层弹性模量较小,或覆土太厚所致。试验7号是弹性模量为9 GPa,与青岛地区现场实际工程中岩层小概率性有关。总之本次二次方程能够较好反映浅埋暗挖小净距交叠隧道施工拱顶变形大小。

6　结 语

(1)不同因素对同一指标影响程度不同:对指标1,E＞φ＞C＞h＞H;对指标2,E＞φ＞C＞h＞H;对指标3,E＞h＞H＞φ＞C;对指标4,C＞φ＞H＞E＞h;对指标5,E＞h＞φ＞C＞H;对指标6,E＞h＞C＞φ＞H。

(2)实验发现,围岩的弹性模量对各指标的影响最为显著,是最重要的影响指标,弹性模量越大同等扰动荷载下交叠隧道施工越稳定,变形量越小。围岩的内摩擦角和黏聚力大小是影响塑性破坏区的体积最显著的影响因素。净距的大小仅在拱顶应力、拱底应力场及变形量变化时有明显影响;埋深对拱底变形量及塑性区发展有一定影响,对其他指标影响可以不考虑。

(3)试验发现,浅埋暗挖小净距交叠隧道施工,拱顶处受力最大,变形量最大,影响施工安全;利用二次方程拟合验证了本次试验新建隧道对已有隧道衬砌拱顶变形的可靠性,达到了预期目标。

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Orthogonal Analysis of Construction Deformation in Close Overlapping Tunnels

Wu Minglei,Li Lu

(Jinan Geotechnical Investigation and Surveying Research Institute,Jinan 250013,China)

To study the construction deformation effects of different factors in small spacing overlapping tunnels, based on orthogonal experiment,different situations with different depth,spacing,elastic modulus,internal friction angle and cohesion were analyzed by FLAC3D．The settlement of ground,the settlement of arch top,the dome deformation,plastic zone volume,the maximum principal stress variation of vaults and arches were analyzed．The results showed that:different levels of factors,different six indicators;Except Indicator 4,the elastic modulus is the most significant factors．The greater its value,the smaller amount of deformation;Cohesion and internal friction angle is the key impact factor of indicators 4．The greater its value,the smaller its eformation;Spacing have a significant impact on the index 3,5,6,which is the second impact factor after elastic modulus;Depth have some influence on indicators 3,4,while it had small impact on other indicators;In addition,the use of quadratic regression equation to analyze the deformation of the arch top validation, provided some reference for the deformation control and construction safety in similar projects in the future．

orthogonal experiment;overlapping tunnels;iltra-small spacing;numerical simulation

1672-8262(2016)01-158-06

P642,TU470

A

∗2015—08—01

吴明雷(1986—),男,助理工程师,主要从事岩土工程的勘察、设计工作。