城市软岩隧道上方土体开挖卸荷的变形分析

城市软岩隧道上方土体开挖卸荷的变形分析

徐楚昊

（重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400000）

【摘要】：随着城市化进程的高速发展，既有规划的道路管线已无法满足日益增长的流量需求，在针对既有道路管线进行施工改造时，其近接城市隧道所受的扰动则成为了施工中必须要考虑的关键问题。基于上述情况，利用ANSYS有限元软件，针对典型工程案例，从既有隧道上覆土体开挖卸荷方式的角度入手，针对隧道结构的变形响应进行分析。结果表明：（1）分层开挖上覆土体可以有效地减少基底回弹，并减少基坑开挖对隧道产生的影响；（2）对称开挖下的隧道变形响应要优于非对称开挖，施工中如条件允许，可采用对称开挖的方式降低施工的支护成本。

【关键词】：隧道工程；城市隧道；土体卸荷；变形分析

【中图分类号】：U 455.8                                 【文献标志码】：A

1 引言

近些年来，伴随着我国城市现代化的高速发展，地下工程飞速建设的同时，早起规划建设的既有城市道路往往已无法满足日益增长的交通流量需求。在这部分既有道路实施改扩建施工时，不可避免的要面对扰动地下隧道的问题。

目前，国内外学者针对既有隧道上覆土体卸荷开挖的问题已经展开了许多研究：在理论研究方面，徐国元[1]基于Pasternek模型，运用有限差分法进行计算，其得到的解析解相比传统方法与有限元数值解及实测值更为贴合；在数值模拟方面，王晓华[2]、郭海峰[3]、刘贺[4]等人运用不同的有限元软件，基于不同特征的工程背景进行了计算，认为上覆土体开挖所形成的基坑，其基坑深度、基坑面积以及基坑与既有隧道间的水平、竖向间距会明显影响隧道结构的变形响应；金彪[5]在此基础上进一步提出，既有隧道的变形响应以竖向位移为主，水平位移相较不明显；在开挖方案方面，张有桔[6]通过比对认为分层分区进行上覆土体的开挖卸荷能够有效减少对既有隧道的扰动；程康[7]进一步将分层分区的概念进行了整合阐释，通过卸荷比来说明分层分区的作用方式，并表示不同工程应根据其实际情况选择合适的本构模型进行模拟；在加固措施方面，李彦锦[8]提出采用门式结构对土体进行加固，减少对既有隧道的扰动；王景山[9]提出采用基底加固的方式减少基底回弹，从而降低隧道的竖向位移；丁祖德[10]采用隧道周边土体注浆加固以及抗拔桩加固两种方式，设立三种工况进行比对分析，结果表明注浆加固效果良好而抗拔桩效果不明显，整体可满足工程安全性要求；

以上研究均集中于我国东部平原地带，所处工程地质条件以软土为主，而对岩性地层研究较少。为确保所得规律及支护手段能推广运用于岩性地层的施工，本文基于重庆市一软岩隧道的工程背景进行分析。

2 工程概况

本文依托重庆市渝澳大道李家花园隧道拓宽改造工程，利用ansys有限元软件进行模拟。李家花园隧道位于红旗河沟立交和松树桥立交之间的红石路段上，下穿渝澳大道。隧道四周重要建筑物众多：隧道进洞口北侧为国资委办公楼，南侧紧邻江北区环卫所洗车场，隧道出口的南、北侧均为加油站加气站，洞顶地表是渝澳大道，其道路东侧山坡较远处有高压线铁塔，与道路标高接近的东侧人行道内附近有部分多层建筑。

李家花园隧道顶为渝澳大道，其渝澳大道道路沿线地层有：填筑土和残坡积土层，侏罗系中统上沙溪庙组(J2S)。其中，侏罗系中统上沙溪庙组(J2S)：岩层主要由紫红色泥岩和灰色砂岩组成，泥岩为本工程场地的主要岩层。侏罗系中统上沙溪庙组砂、泥强风化带厚较小，一般厚度约0.8～1.5m左右，局部可达3.00m。基岩强风化带岩体发育风化裂隙，下部中等风化岩体较完整。

3数值模拟分析

在开挖土石方相同的情况下，预设三种开挖方案进行分析：

（1）以隧道中线为分界线，左右坑分侧按序开挖；

（2）以隧道中线为分界线，左右坑对称同时开挖；

（3）以隧道中线为分界线，左右坑对称同时分层开挖。

三种开挖方案所得到的隧道结构竖向变形响应如下表所示：

结果显示，隧道上覆土体开挖卸荷所带来的隧道结构变形响应，以竖向位移为主。主要是由上覆土体开挖后的基底回弹所引起的隧道结构响应。在分布上，结构响应按拱顶、拱腰、拱底的顺序逐级减少。

工况一由于非对称开挖，隧道两侧拱腰与两侧拱底的位移值产生了较大差异，隧道整体有一定程度的偏斜，改变了隧道结构内部的应力分布，虽然短期内在增设支护的作用下其位移值基本可控，但长期耐久性存疑，类似工程案例中如条件允许，不推荐使用这种方式进行开挖；

三种工况的最大竖向位移值为3.58mm，安全系数较高，在规律上呈现与软土地区相似的情况，而在数值上相对较少，存在一部分支护冗余浪费的情况。在实际工程运用中，可进一步计算，缩减支护量，降低施工成本，提高施工效率。

4结论

（1）分层开挖上覆土体可以有效地减少基底回弹，并减少基坑开挖对隧道产生的影响；

（2）对称开挖下的隧道变形响应要优于非对称开挖，施工中如条件允许，可采用对称开挖的方式降低施工的支护成本；

（3）相较于土质地层，软岩工程性质良好，在将软土地区的类似工程案例支护手段类比运用时，可根据现场实际情况酌情减少支护量，降低施工成本，提高施工效率。

参考文献

[1]徐国元,黄思源.基坑开挖对下卧盾构隧道变形影响的计算分析[J].重庆交通大学学报(自然科学版),2021,40(09):78-85.

[2]王晓华,贾文彪,刘林,张凤鸣.基坑卸荷引起下卧既有地铁隧道竖向变形的规律研究[J].施工技术(中英文),2022,51(10):72-77.

[3]郭海峰.邻域基坑开挖卸荷对既有隧道位移影响规律研究[J].四川水泥,2021(06):164-165.

[4]刘贺,顾炜澄,曹海青.深大基坑开挖卸荷对地铁隧道的影响分析[J].山西建筑,2021,47(19):59-61.DOI:10.13719/j.cnki.1009-6825.2021.19.022.

[5]金彪.深基坑开挖对邻近软土隧道的影响分析[J].山西建筑,2020,46(12):79-81.DOI:10.13719/j.cnki.cn14-1279/tu.2020.12.033.

[6]张有桔,沈洪波,黄旭辉.基坑开挖卸荷对下部既有隧道影响数值模拟[J].兰州工业学院学报,2022,29(05):87-92.

[7]程康.软土基坑卸荷对下卧既有隧道纵向变形影响研究综述[J].水利与建筑工程学报,2022,20(03):95-101.

[8]李彦锦.河道开挖卸荷对下方地铁隧道变形的影响[J].建筑技术开发,2021,48(15):104-106.

[9]王景山.明挖基坑开挖卸荷对运营地铁隧道隆起变形影响研究[J].路基工程,2020(06):145-150.

[10]丁祖德,计霞飞,张博,任志华.基坑开挖对既有公路隧道的影响分析和保护措施[J].公路交通科技,2020,37(02):107-115.

[11]黄惟. 上软下硬复合地层隧道施工稳定机理及风险评估研究[D].广西大学,2022.

[12]侯剑龙. 远场平均地应力反演及高地应力隧道围岩大变形预测研究[D].北京交通大学,2021.

[13]傅立磊. 超浅埋软岩大断面隧道下穿既有交通路基变形控制技术研究[D].中国铁道科学研究院,2019.

[14]陈青帅. 城市软岩双连拱隧道施工力学行为研究[D].西南石油大学,2016.

[15]卢锋,张彪,王航. 城市软岩隧道台阶法施工围岩特性研究[C]//.第十二届海峡两岸隧道与地下工程学术与技术研讨会论文集.[出版者不详],2013:385-388.

[16]宋嘉辉. 城市软岩浅埋隧道施工力学研究[D].西南交通大学,2008.

[1]高成路. 隧道开挖卸荷作用下岩体破坏突水近场动力学模拟分析方法[D].山东大学,2021.

[18]乔俊杰. 基于围岩体积收敛方法的隧道开挖卸荷等效模拟与应用[D].大连理工大学,2020.

[19]王永伟.基坑开挖对下方地铁隧道影响数值分析[J].铁道工程学报,2018,35(02):74-78.

[20]王志成. 开挖卸荷与扰动荷载作用下岩爆弹射破坏的离散元模拟[D].广西大学,2013.