跨線風(fēng)道近接施工力學(xué)特性研究

吳占瑞，漆泰岳

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，成都 610031)

在我國，小間距隧道的出現(xiàn)和研究較晚，目前還沒有較明確的規(guī)范，仍處于邊施工邊探討的總結(jié)階段，理論研究滯后于工程建設(shè)需求的發(fā)展[1-2]。近年來，國內(nèi)工程技術(shù)人員和相關(guān)學(xué)者對(duì)此做了大最的研究工作，如:張欣等人[3]對(duì)海底隧道覆蓋巖層在爆破荷載作用下穩(wěn)定性分析;李利平等人[4]對(duì)海底隧道施工設(shè)計(jì)及其數(shù)值優(yōu)化進(jìn)行了研究;蔚立元等人[5]對(duì)青島小間距海底隧道施工優(yōu)化進(jìn)行了有限差分分析;李鵬飛等人[6]對(duì)海底隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)及斷面形狀進(jìn)行了優(yōu)化。

由于目前國內(nèi)對(duì)近接隧道的研究主要集中在平行小凈距與盾構(gòu)法施工的城市地鐵復(fù)雜近接結(jié)構(gòu)，而對(duì)礦山法施工的復(fù)雜近接問題則鮮有研究成果。因此為保證施工安全，并在一定程度上填補(bǔ)國內(nèi)對(duì)近接隧道研究的相關(guān)空白，以數(shù)值模擬為主要研究手段，對(duì)該工程區(qū)跨線風(fēng)道近接施工的力學(xué)特性開展研究。

1 工程概況

青島膠州灣海底隧道是橫穿膠州灣口連接青島市區(qū)和黃島開發(fā)區(qū)的通道。該隧道位于團(tuán)島和薛家島之間，下穿膠洲灣口海域。線路總長7 800 m，其中左、右隧道平均長度約6 160 m，穿越海域段長約3 950 m。主隧道為雙向雙洞六車道，主隧道間設(shè)置服務(wù)隧道，采用鉆爆法施工。結(jié)構(gòu)采用橢圓形斷面，復(fù)合式襯砌，結(jié)構(gòu)寬15.7 m，高12.0 m，線路間距55 m。膠州灣海底隧道2號(hào)風(fēng)井工程區(qū)主要由通風(fēng)豎井及多個(gè)風(fēng)機(jī)房及風(fēng)道洞室組成，構(gòu)成復(fù)雜的群洞結(jié)構(gòu)。其中豎井為圓形，直徑11.3 m，深59.9 m。風(fēng)機(jī)房及風(fēng)道縱橫交錯(cuò)，斷面變化頻繁，形成交叉口、平行近接、上下跨越等多種復(fù)雜近接形式，同時(shí)該段受斷層影響，局部圍巖完整性較差，因此施工過程中易發(fā)生掉塊、塌方事故。

2 數(shù)值模型及計(jì)算參數(shù)

2.1 數(shù)值模型

本次研究采用FLAC3D有限差分軟件分析，根據(jù)本隧道海域段工程地質(zhì)、水文地質(zhì)及相關(guān)資料，建立數(shù)值分析模型，模型尺寸:寬 ×高 ×厚 =X×Z×Y=119.6 m×100 m×82 m，模型上表面(高度方向)取至地表面，模型底部及上覆土層至主隧道中心均為35 m，共有25 200個(gè)單元，模型邊界均為法向約束邊界。兩風(fēng)道從主隧道及服務(wù)隧道上方垂直穿過，距離主隧道凈距為2.9 m，距離服務(wù)隧道凈距為4.3 m，同時(shí)兩風(fēng)道彼此凈距16 m，主隧道與服務(wù)隧道凈距17 m，均屬于近接范圍，4條隧道構(gòu)成復(fù)合近接結(jié)構(gòu)。如圖1、圖2所示。

圖1 跨線隧道模型

圖2 跨線隧道交叉空間位置

2.2 計(jì)算參數(shù)

圍巖材料采用實(shí)體單元模擬，力學(xué)模型為莫爾-庫侖模型。參照前期勘察對(duì)場區(qū)附近巖土體試驗(yàn)成果的統(tǒng)計(jì)分析，并采用《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[7]推薦的力學(xué)參數(shù)換算方法。考慮到該處跨線隧道圍巖大部分為Ⅱ～Ⅲ級(jí)，局部為Ⅳ級(jí)，相鄰小里程端為Ⅳ級(jí)圍巖，結(jié)合數(shù)值反算的計(jì)算結(jié)果[8-9]，圍巖的基巖弱風(fēng)化帶采用《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》圍巖參數(shù)Ⅲ-Ⅳ級(jí)中間值，同時(shí)由于風(fēng)道下部區(qū)域存在斷層，圍巖為Ⅳ級(jí)，但由于斷層影響區(qū)域有限，故基巖微風(fēng)化帶采用《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》Ⅳ級(jí)上限圍巖參數(shù)，襯砌采用彈性材料，圍巖采用彈塑性材料。初期支護(hù)中鋼拱架的作用也應(yīng)用等效方法予以考慮，即將鋼拱架彈性模量折算給混凝土，其計(jì)算方法為

式中，E為折算后混凝土彈性模量;E0為原混凝土彈性模量;Sg為鋼拱架截面積;Eg為鋼材彈性模量;Sc為混凝土截面積。

圍巖及襯砌自重為計(jì)算中主要荷載，側(cè)壓力系數(shù)按勘測設(shè)計(jì)資料取為0.8。計(jì)算模型圍巖和襯砌具體參數(shù)如表1所示。

表1 圍巖及襯砌力學(xué)參數(shù)

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 位移變形特征(圖3～圖6)

以服務(wù)隧道和主隧道邊墻位移、拱頂沉降作為監(jiān)測線。(注:圖例距離表示風(fēng)道開挖面距y=0平面的距離)

圖3 風(fēng)道1開挖完畢后主隧道豎直方向位移變形

圖4 風(fēng)道1開挖完畢后服務(wù)隧道豎直方向位移變形

圖5 風(fēng)道2開挖完畢后主隧道豎直方向位移變形

圖6 風(fēng)道2開挖完畢后服務(wù)隧道豎直方向位移變形

圖3～圖4表明主隧道在風(fēng)道1開挖面位置小于28.5 m時(shí)，沉降變化較小。當(dāng)開挖面位置在34.5 m時(shí)，曲線微微上隆起，表明風(fēng)道的開挖已使得主隧道發(fā)生豎直向上的位移。主隧道拱頂沉降主要發(fā)生在40～50 m，最大沉降值為0.44 mm，呈隆起狀態(tài)，主要是由于上方風(fēng)道開挖卸荷所致。在開挖位置大于48.5 m時(shí)，主隧道拱頂基本不再有變化。與主隧道特征類似，服務(wù)隧道是在風(fēng)道1開挖位置到達(dá)58.5 m時(shí)，曲線發(fā)生微微上隆起。進(jìn)一步豎向位移變化一直持續(xù)到風(fēng)道開挖完畢的位置。服務(wù)隧道拱頂沉降同主隧道一樣主要發(fā)生在40～50 m，最大沉降值為0.78 mm，呈向上隆起狀態(tài);

圖5～圖6表明在風(fēng)道2開挖過程中，其位移變化特征與風(fēng)道1開挖類似，在開挖風(fēng)道2的過程中對(duì)原有風(fēng)道1對(duì)主隧道和服務(wù)隧道產(chǎn)生的拱頂沉降的范圍影響較小，而沿主隧道和服務(wù)隧道70～80 m范圍產(chǎn)生新的拱頂向上隆起，但其隆起值均要小于開挖風(fēng)道1所產(chǎn)生的隆起值。在施工和監(jiān)測過程中要對(duì)這些較為活躍的范圍進(jìn)行重點(diǎn)控制。

3.2 襯砌安全系數(shù)特征

為了更加直觀地顯示襯砌安全系數(shù)數(shù)值，并結(jié)合國內(nèi)相關(guān)學(xué)者對(duì)海底隧道在襯砌等關(guān)鍵技術(shù)研究上的成果[10-12]，將未開挖風(fēng)道的工況安全系數(shù)上限設(shè)置為4，其余工況設(shè)置為3，不顯示大于該上限數(shù)值的安全系數(shù)分布情況。從圖7～圖9可以看出，在未開挖風(fēng)道之前，主隧道二次襯砌和服務(wù)隧道初期支護(hù)穩(wěn)定，安全系數(shù)均非常高，最小安全系數(shù)為3.8，位于服務(wù)隧道。當(dāng)開挖完畢風(fēng)道1時(shí)，主隧道襯砌的安全系數(shù)仍維持在較高水平，服務(wù)隧道襯砌安全系數(shù)分布是沿風(fēng)道1軸線對(duì)稱，在風(fēng)道軸線左右10 m范圍，最小安全系數(shù)為1.76，小于2。開挖完畢風(fēng)道2時(shí)，主隧道襯砌仍然維持在一個(gè)較安全的水平，未出現(xiàn)安全系數(shù)小于3的區(qū)域。服務(wù)隧道安全系數(shù)分別按風(fēng)道1和風(fēng)道2軸線對(duì)稱分布，最小安全系數(shù)為1.78。風(fēng)道2開挖對(duì)風(fēng)道1區(qū)域影響較小。因此在施工該段時(shí)，需注意對(duì)服務(wù)隧道的影響。

圖7 未開挖風(fēng)道襯砌安全系數(shù)分布

圖9 開挖風(fēng)道2襯砌安全系數(shù)分布

3.3 服務(wù)隧道襯砌受力

由以上對(duì)位移變形和襯砌安全系數(shù)的分析可知，服務(wù)隧道在施工過程中受影響較大，主隧道所受影響相對(duì)于服務(wù)隧道要小，現(xiàn)主要針對(duì)風(fēng)道1軸線正下方服務(wù)隧道襯砌受力進(jìn)行分析。對(duì)于彎矩圖，在未進(jìn)行風(fēng)道的開挖時(shí)，服務(wù)隧道襯砌彎矩圖基本沿隧道中線對(duì)稱，拱腰彎矩明顯大于仰拱和拱頂。拱頂內(nèi)側(cè)受拉，拱腰外側(cè)受拉，仰拱內(nèi)側(cè)受拉，拱頂最大彎矩為1 kN·m，拱腰最大彎矩4.58 kN·m，仰拱最大彎矩1.33 kN·m。在開挖了風(fēng)道1后，受拱頂上部圍巖應(yīng)力釋放的影響，服務(wù)隧道拱頂彎矩發(fā)生了很大變化，由之前的內(nèi)側(cè)受拉變化為外側(cè)受拉。最大彎矩為2.58 kN·m，拱腰仍維持外側(cè)受拉的狀況，且彎矩有小幅減小。最大彎矩為4.14 kN·m。仰拱彎矩變化較小。風(fēng)道2的開挖對(duì)服務(wù)隧道彎矩影響較小，各彎矩值只是在前者彎矩值上有小幅增加。由于各分部開挖彎矩圖較多，本文只列出了兩風(fēng)道開挖完畢總彎矩圖，如圖10所示。

圖10 風(fēng)道開挖完畢后彎矩圖(單位:kN·m)

對(duì)于軸力圖，在未開挖風(fēng)道時(shí)，軸力圖也基本沿隧道中線對(duì)稱分布。拱頂和仰拱的軸力很小。拱頂最大軸力為27 kN，仰拱最大軸力為24 kN。從拱頂至拱腰，仰拱至拱腰，軸力都是逐漸增大，拱腰最大軸力達(dá)到了803 kN，并且左側(cè)軸力要大于右側(cè)。在開挖了風(fēng)道1后，服務(wù)隧道拱頂軸力有顯著變化，拱頂最大軸力達(dá)到了220 kN，比未開挖前的軸力有大幅增加，同時(shí)拱腰處的軸力仍然維持著較大的水平，但最大值已由原來的803 kN降至595 kN。仰拱的軸力變化不大。在開挖風(fēng)道2后，服務(wù)隧道的軸力也有小幅增加，這與彎矩的變化情況類似。由于各分部開挖軸力圖較多，本文只列出了兩風(fēng)道開挖完畢總軸力圖，如圖11所示。

總的來說，風(fēng)道1的開挖對(duì)服務(wù)隧道襯砌的內(nèi)力影響很大。但其受力并未達(dá)到材料的強(qiáng)度，因此在安全系數(shù)的變化圖中，服務(wù)隧道襯砌安全性始終維持在一個(gè)較高水平，材料未達(dá)到屈服破壞。

3.4 圍巖安全系數(shù)特征

圖11 風(fēng)道開挖完畢后軸力圖(單位:kN)

不考慮彈性材料的隧道襯砌，對(duì)于隧道圍巖，采用摩爾庫倫準(zhǔn)則來判定圍巖的安全系數(shù)。由圖12～圖14可知，在未進(jìn)行風(fēng)道開挖之前，主隧道和服務(wù)隧道周圍有較大范圍的圍巖安全系數(shù)小于2，最小安全系數(shù)為1.26。兩隧道的安全系數(shù)分布都大致呈X形，并且拱頂圍巖和底板圍巖的安全系數(shù)較高。安全系數(shù)小于2的巖體(不穩(wěn)定巖體)在實(shí)際施工中需要加以關(guān)注。

圖12 未開挖風(fēng)道圍巖安全系數(shù)

圖13 開挖完畢風(fēng)道1圍巖安全系數(shù)

圖14 開挖完畢風(fēng)道2圍巖安全系數(shù)

在開挖完畢風(fēng)道1時(shí)，風(fēng)道1周圍小于2的圍巖安全系數(shù)也出現(xiàn)X形，最小值為1.067，同時(shí)風(fēng)道1拱頂圍巖和底板圍巖的安全系數(shù)也較高，邊墻也有一定范圍的不穩(wěn)定巖體。主隧道與風(fēng)道之間、服務(wù)隧道與風(fēng)道之間的巖體都呈現(xiàn)不穩(wěn)定的現(xiàn)象。主隧道拱頂附近圍巖已由穩(wěn)定巖體轉(zhuǎn)變?yōu)椴环€(wěn)定巖體。地層的雜填土和弱風(fēng)化帶也出現(xiàn)了較大區(qū)域的不穩(wěn)定巖體，這個(gè)是由于該部分巖體強(qiáng)度較低導(dǎo)致的。實(shí)際中由于不研究對(duì)地表的影響，因此可不考慮該部分不穩(wěn)定巖體。

開挖完風(fēng)道1風(fēng)道2時(shí)，巖體最小安全系數(shù)為1.068。兩風(fēng)道不穩(wěn)定巖體也呈X形分布，風(fēng)道間不穩(wěn)定巖體在拱頂45°方向和拱腳45°方向出現(xiàn)了貫通。風(fēng)道2與主隧道、服務(wù)隧道間的巖體也很大程度上轉(zhuǎn)變?yōu)椴环€(wěn)定巖體。因此在施工和監(jiān)測過程中要對(duì)該部分巖體的穩(wěn)定進(jìn)行嚴(yán)格控制。

4 結(jié)論

以青島膠州灣海底隧道工程為背景，計(jì)算跨線風(fēng)道近接施工的力學(xué)特性，可以得出如下結(jié)論。

(1)風(fēng)道1施工到35～50m范圍時(shí)主隧道和服務(wù)隧道沿隧道縱方向拱頂沉降較為活躍，活躍范圍主要集中在40～50m范圍，在風(fēng)道2施工完畢后主隧道和服務(wù)隧道后續(xù)沉降主要發(fā)生在沿隧道縱方向70～80m范圍。

(2)主隧道在開挖風(fēng)道1和風(fēng)道2的整個(gè)過程中其襯砌的安全系數(shù)始終保持較為安全的水平，而服務(wù)隧道襯砌的安全系數(shù)相對(duì)于主隧道較小，因此需要注意施工對(duì)服務(wù)隧道襯砌的影響。

(3)對(duì)于彎矩圖，在未進(jìn)行風(fēng)道的開挖時(shí)，服務(wù)隧道襯砌彎矩圖基本沿隧道中線對(duì)稱，拱腰彎矩明顯大于仰拱和拱頂。在開挖了風(fēng)道1后，受拱頂上部圍巖應(yīng)力釋放的影響，服務(wù)隧道拱頂彎矩發(fā)生了很大變化，由之前的內(nèi)側(cè)受拉變化為外側(cè)受拉。風(fēng)道2的開挖對(duì)服務(wù)隧道彎矩影響較小，各彎矩值只是在前者彎矩值上有小幅增加;對(duì)于軸力圖，在未開挖風(fēng)道時(shí)，位于拱頂和仰拱的軸力很小。從拱頂至拱腰，仰拱至拱腰，軸力都是逐漸增大。在開挖了風(fēng)道1后，服務(wù)隧道拱頂軸力有顯著變化，拱頂最大軸力達(dá)到了220 kN，比未開挖前的軸力有大幅增加，同時(shí)拱腰處的軸力仍然維持著較大的水平，但最大值已由原來的803 kN降至595 kN。仰拱的軸力變化不大。在開挖風(fēng)道2后，服務(wù)隧道的軸力也有小幅增加，這與彎矩的變化情況類似。

(4)在開挖風(fēng)道1和風(fēng)道2的整個(gè)過程中，兩隧道和兩風(fēng)道圍巖的安全系數(shù)分布都大致呈X形，交叉隧道之間圍巖的整體安全系數(shù)較低，圍巖易處于不穩(wěn)定狀態(tài)，施工過程中需注意該區(qū)段圍巖的穩(wěn)定和安全。

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