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摘要:平行隧道作为一种经济有效的隧道结构形式,在实际工程中被广泛地采纳,由于平行隧道施工的相互影响是一个十分复杂的问题,不仅影响因素很多,而且各个影响因素之间又存在非常复杂的互制行为。文章对双孔平行隧道的施工特性进行了分析研究,并对双孔平行隧道施工的相互影响程度进行了分析。
关键词:双孔平行隧道;施工技术;隧道施工
中图分类号:U455文献标识码:A文章编号:1009-2374(2009)21-0139-02
一、平行隧道间距的确定原则
从使用角度讲,隧道间距越小,线型布置越灵活。从安全角度讲,间距越小,风险越大。不同的平行隧道实际工程,两隧道间距的差异很大,而且采用的施工方法以及对中间岩柱的加固措施均有所不同,究其主要原因就是由于地形、地貌、水文、地质等条件千变万化,对于平行隧道的最小、最佳间距,迄今没有统一可供遵循的准则,一般以工程经验为主,辅以隧道围岩稳定的数值分析结果进行检算。各国的学者和工程师结合多年的研究和经验积累,针对岩柱确定方面提出了各家经验和见解。
日本提出的一般条件下影响范围如图1所示(图中D为隧道的外径),其中当围岩为稳定的硬岩、软岩时,相应范围按20%折减;当围岩为洪积砂层、粘性土层等土砂质地层时,相应范围按20%增加;当围岩为崩坡积体、膨胀土等不稳定围岩时,相应范围按40%增加。
我国也有许多科研工作者对小净距隧道的合理净距进行了研究,提出了一些有益的结论。如刘伟提出了小净距隧道取值应遵守的四条基本准则,即洞周塑性区不重叠、洞周围岩位移量不超过容许值、洞周不出现张应力破坏区和隧道造价不显著增加。胡元芳(2002)通过有限元分析,得到了以两隧道围岩破坏区不相交、中岩柱没产生破坏、应力场基本不发生叠加为控制条件的小线间距城市双孔隧道最小净距参考值。
二、平行隧道施工相互影响因素
对于平行隧道的施工,两隧道之间的中间岩柱上时有应力集中的现象,而且其应力分布与岩柱宽度、隧道埋深、围岩级别以及隧道支护类型等有关,从而导致非常复杂的互制行为。
(一)隧道间距
Hoek和Brown(1980)曾以桥墩间的水流比喻隧道岩柱间的应力分布,桥墩间水的流动有流线集中及流速加快等现象。流速增加的程度与桥墩宽度及间距有关,流线的变化则受到桥墩形状的影响。
平行隧道间岩柱应力的分布,其应力轨迹不仅有集中现象,岩柱间的应力亦有相对提高。应力的增加与隧道开挖断面面积与岩柱面积的比值有关,应力轨迹集中现象则受到平行隧道间岩柱形状的影响。
Obert和Duvall(1967)以光弹(Photo elastic)理论进行平行圆孔开挖间的应力分布试验。图2表示岩柱腰部(洞室高度的1/2)水平上的垂直应力分布情况。两圆孔间岩柱垂直应力的平均值可以用式(1)表示:
δp=(1+W0/WP)PZ(1)
式中:W0——隧道开孔的直径;WP——岩柱的宽度;PZ——垂直作用力。
(二)隧道埋深
考虑围岩的自重应力场,根据海姆假说,地表下特定深度的垂直应力可以表示为:
z=z(2)
式中,为岩体容重(通常介于20～30kN/m3之间),z为地表之下的深度。由公式不难看出,深度对于围岩的初始地应力场有着重大影响。随着深度的增加,垂直应力也不断增加。隧道如果埋深较大,则上覆压力大,有岩爆危险,且隧道支护费用高;若上覆岩体太浅,不仅正应力小,而且因风化程度高及固结度低,故剪力强度低,如果处理不当,易发生岩体大量变形甚至造成塌落现象。
三、案例施工分析
选取泰国曼谷地铁项目(BangkokMRI’Aproject)进行研究,利用FLACZD商业软件,按照上述提出的双洞开挖的断面收敛模式,通过位移加载的计算模式,对双孔隧道开挖进行模拟,最后将计算得到的地表沉降结果与隧道实际的监控量测数据进行比较,从而判断该断面收敛模式的可靠性。
双孔隧道均采用土压平衡盾构法施工(Earth Pressure Balanee Shield),且隧道外径为6.3m。双孔隧道的埋深为26m,两隧道的中心间距为n.6m,隧道所处为密砂层。计算时所取的土体计算参数见表1:
为了避免边界效应,计算时模型的计算边界取为宽度100m,深度60m;土体本构关系取为Mohr-Coulomb弹塑性模型。模型边界条件为:上部为自由表面,左右两个侧面采用水平位移约束条件,底部边界则采用位移约束即限制垂直和水平位移。
隧道开挖引起的地层位移主要由土体自重引起的大主应力引起,因此必须考虑到土中自重产生的初始应力场的作用。同时,由于本章提出的双孔隧道开挖的收敛模式为考虑了双洞开挖相互影响后得到的最终结果,故计算主要分为两个步骤:一是在隧道没有进行开挖的情况下,施加自重应力,计算出土体的初始应力场;二是在双孔隧道洞室边界同时施加位移荷载,计算直至平衡。隧道的计算模型如图3所示:
对于泰国曼谷地下铁项目的监测断面D,双孔隧道的净间距砰(长度5.3m)与洞室直径D(D=6.3m)的比值小于1,根据在前节中的分析可知,在这种间距条件下,双孔隧道的开挖会产生相互影响,可以按所提出的双洞开挖的断面收敛模式来进行计算。根据体积损失的定义有:
VL=×100%(3)
式中:VL——体积损失,%;VR——隧道实际开挖的土体体积,m3;VE——竣工后隧道的体积,m3。
泰国曼谷地下铁项目采用盾构开挖,隧道为圆形结构,隧道实际开挖的土体体积均为圆面积乘以单位长度,即:
VR=πa2
式中:a——盾构隧道的外径的半径长度,m。
通过数值计算,最终得到的地表沉降曲线如图4所示。从图中可以看出,双孔隧道开挖后,计算所得的地表沉降槽宽度稍大于实测的地表沉降曲线,但是,在靠近两隧道中心对称轴的区域地表沉降量测数据与计算曲线十分吻合。计算所得的地表最大沉降发生在两隧道的中心对称轴上,为10.59,而实测值为10.9,两者误差很小,仅为2.8%。因而,本章所提出的针对小间距的双孔平行隧道的断面收敛模式能较好地反映隧道开挖后合理的变形情况。
距两隧道中心对称轴的距离/m:
四、结语
本文对双孔平行隧道的研究成果进行整理和分析,详细地分析了平行隧道施工所表现出的特性,更为全面地认识了平行隧道施工与其它隧道形式开挖所表现出的不同形态特征,为后续的研究指明方向。
参考文献
[1]曾小清.多孔隧道施工的研究进展[J].地下空间,1999,19(5).
[2]谭忠盛,杨小林,王梦恕.复线隧道施工爆破对既有隧道的影响分析[J].岩石力学与工程学报,2003,22(2).
[3]肯润东,徐林生.平行隧道围岩应力的线弹性分析[J].岩土工程技术,2005,19(3).
[4]张玉军,朱维申,杨家岭.近距离双隧道开挖与支护稳定性的粘弹塑性有限元计算[J].岩石力学与工程学报(增).1999,(18).
[5]Howland R C J. and Knight R C. Stress functions for a plate containing groups of circular holes. Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series A[M].Mathematical and physical Sciences,1939.
[6]Green A C. General Biharmonic Analysis for a Plate Containing Circular Holes. Proceedings of the Royal Society of London. Series A[M].Mathematical and physical Sciences,1940.
作者简介:陈大忠(1972-),男,供职于贵州陆通公路工程监理有限责任公司,研究方向:公路工程监理。
关键词:双孔平行隧道;施工技术;隧道施工
中图分类号:U455文献标识码:A文章编号:1009-2374(2009)21-0139-02
一、平行隧道间距的确定原则
从使用角度讲,隧道间距越小,线型布置越灵活。从安全角度讲,间距越小,风险越大。不同的平行隧道实际工程,两隧道间距的差异很大,而且采用的施工方法以及对中间岩柱的加固措施均有所不同,究其主要原因就是由于地形、地貌、水文、地质等条件千变万化,对于平行隧道的最小、最佳间距,迄今没有统一可供遵循的准则,一般以工程经验为主,辅以隧道围岩稳定的数值分析结果进行检算。各国的学者和工程师结合多年的研究和经验积累,针对岩柱确定方面提出了各家经验和见解。
日本提出的一般条件下影响范围如图1所示(图中D为隧道的外径),其中当围岩为稳定的硬岩、软岩时,相应范围按20%折减;当围岩为洪积砂层、粘性土层等土砂质地层时,相应范围按20%增加;当围岩为崩坡积体、膨胀土等不稳定围岩时,相应范围按40%增加。
我国也有许多科研工作者对小净距隧道的合理净距进行了研究,提出了一些有益的结论。如刘伟提出了小净距隧道取值应遵守的四条基本准则,即洞周塑性区不重叠、洞周围岩位移量不超过容许值、洞周不出现张应力破坏区和隧道造价不显著增加。胡元芳(2002)通过有限元分析,得到了以两隧道围岩破坏区不相交、中岩柱没产生破坏、应力场基本不发生叠加为控制条件的小线间距城市双孔隧道最小净距参考值。
二、平行隧道施工相互影响因素
对于平行隧道的施工,两隧道之间的中间岩柱上时有应力集中的现象,而且其应力分布与岩柱宽度、隧道埋深、围岩级别以及隧道支护类型等有关,从而导致非常复杂的互制行为。
(一)隧道间距
Hoek和Brown(1980)曾以桥墩间的水流比喻隧道岩柱间的应力分布,桥墩间水的流动有流线集中及流速加快等现象。流速增加的程度与桥墩宽度及间距有关,流线的变化则受到桥墩形状的影响。
平行隧道间岩柱应力的分布,其应力轨迹不仅有集中现象,岩柱间的应力亦有相对提高。应力的增加与隧道开挖断面面积与岩柱面积的比值有关,应力轨迹集中现象则受到平行隧道间岩柱形状的影响。
Obert和Duvall(1967)以光弹(Photo elastic)理论进行平行圆孔开挖间的应力分布试验。图2表示岩柱腰部(洞室高度的1/2)水平上的垂直应力分布情况。两圆孔间岩柱垂直应力的平均值可以用式(1)表示:
δp=(1+W0/WP)PZ(1)
式中:W0——隧道开孔的直径;WP——岩柱的宽度;PZ——垂直作用力。
(二)隧道埋深
考虑围岩的自重应力场,根据海姆假说,地表下特定深度的垂直应力可以表示为:
z=z(2)
式中,为岩体容重(通常介于20～30kN/m3之间),z为地表之下的深度。由公式不难看出,深度对于围岩的初始地应力场有着重大影响。随着深度的增加,垂直应力也不断增加。隧道如果埋深较大,则上覆压力大,有岩爆危险,且隧道支护费用高;若上覆岩体太浅,不仅正应力小,而且因风化程度高及固结度低,故剪力强度低,如果处理不当,易发生岩体大量变形甚至造成塌落现象。
三、案例施工分析
选取泰国曼谷地铁项目(BangkokMRI’Aproject)进行研究,利用FLACZD商业软件,按照上述提出的双洞开挖的断面收敛模式,通过位移加载的计算模式,对双孔隧道开挖进行模拟,最后将计算得到的地表沉降结果与隧道实际的监控量测数据进行比较,从而判断该断面收敛模式的可靠性。
双孔隧道均采用土压平衡盾构法施工(Earth Pressure Balanee Shield),且隧道外径为6.3m。双孔隧道的埋深为26m,两隧道的中心间距为n.6m,隧道所处为密砂层。计算时所取的土体计算参数见表1:
为了避免边界效应,计算时模型的计算边界取为宽度100m,深度60m;土体本构关系取为Mohr-Coulomb弹塑性模型。模型边界条件为:上部为自由表面,左右两个侧面采用水平位移约束条件,底部边界则采用位移约束即限制垂直和水平位移。
隧道开挖引起的地层位移主要由土体自重引起的大主应力引起,因此必须考虑到土中自重产生的初始应力场的作用。同时,由于本章提出的双孔隧道开挖的收敛模式为考虑了双洞开挖相互影响后得到的最终结果,故计算主要分为两个步骤:一是在隧道没有进行开挖的情况下,施加自重应力,计算出土体的初始应力场;二是在双孔隧道洞室边界同时施加位移荷载,计算直至平衡。隧道的计算模型如图3所示:
对于泰国曼谷地下铁项目的监测断面D,双孔隧道的净间距砰(长度5.3m)与洞室直径D(D=6.3m)的比值小于1,根据在前节中的分析可知,在这种间距条件下,双孔隧道的开挖会产生相互影响,可以按所提出的双洞开挖的断面收敛模式来进行计算。根据体积损失的定义有:
VL=×100%(3)
式中:VL——体积损失,%;VR——隧道实际开挖的土体体积,m3;VE——竣工后隧道的体积,m3。
泰国曼谷地下铁项目采用盾构开挖,隧道为圆形结构,隧道实际开挖的土体体积均为圆面积乘以单位长度,即:
VR=πa2
式中:a——盾构隧道的外径的半径长度,m。
通过数值计算,最终得到的地表沉降曲线如图4所示。从图中可以看出,双孔隧道开挖后,计算所得的地表沉降槽宽度稍大于实测的地表沉降曲线,但是,在靠近两隧道中心对称轴的区域地表沉降量测数据与计算曲线十分吻合。计算所得的地表最大沉降发生在两隧道的中心对称轴上,为10.59,而实测值为10.9,两者误差很小,仅为2.8%。因而,本章所提出的针对小间距的双孔平行隧道的断面收敛模式能较好地反映隧道开挖后合理的变形情况。
距两隧道中心对称轴的距离/m:
四、结语
本文对双孔平行隧道的研究成果进行整理和分析,详细地分析了平行隧道施工所表现出的特性,更为全面地认识了平行隧道施工与其它隧道形式开挖所表现出的不同形态特征,为后续的研究指明方向。
参考文献
[1]曾小清.多孔隧道施工的研究进展[J].地下空间,1999,19(5).
[2]谭忠盛,杨小林,王梦恕.复线隧道施工爆破对既有隧道的影响分析[J].岩石力学与工程学报,2003,22(2).
[3]肯润东,徐林生.平行隧道围岩应力的线弹性分析[J].岩土工程技术,2005,19(3).
[4]张玉军,朱维申,杨家岭.近距离双隧道开挖与支护稳定性的粘弹塑性有限元计算[J].岩石力学与工程学报(增).1999,(18).
[5]Howland R C J. and Knight R C. Stress functions for a plate containing groups of circular holes. Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series A[M].Mathematical and physical Sciences,1939.
[6]Green A C. General Biharmonic Analysis for a Plate Containing Circular Holes. Proceedings of the Royal Society of London. Series A[M].Mathematical and physical Sciences,1940.
作者简介:陈大忠(1972-),男,供职于贵州陆通公路工程监理有限责任公司,研究方向:公路工程监理。