立體交叉隧道施工力學(xué)行為研究

王樂明，徐 坤

(1.鐵道第三勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，天津 300251;2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，成都 610031)

隨著我國交通事業(yè)的不斷發(fā)展，由于受地質(zhì)條件或線路要求的限制以及地下空間的開發(fā)利用，出現(xiàn)了越來越多的近距離交疊隧道。目前交叉重疊隧道多集中在地鐵盾構(gòu)隧道中，山嶺隧道也多局限于既有隧道與新建隧道之間的近接施工，多個交疊隧道，尤其是極小間距(如本文中有效間距為1.58 m)隧道同時施工的情況尚不多見。新建隧道在既有隧道上方或下方通過時，既有隧道圍巖在經(jīng)過當(dāng)初的擾動之后經(jīng)過長時間的應(yīng)力重分布現(xiàn)已處于新的穩(wěn)定狀態(tài);但是同期施工的新建交疊隧道的應(yīng)力重分布過程更為復(fù)雜，圍巖受到的擾動次數(shù)更為頻繁，施工難度更大。從當(dāng)前國內(nèi)外的研究來看，此類隧道在施工時，先施工隧道對初始應(yīng)力場產(chǎn)生擾動，后施工隧道開挖是在已經(jīng)發(fā)生擾動的地層中進(jìn)行;同時后開挖的隧道必將對已開挖隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生作用，整個圍巖以及隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)過程明顯不同于一般單孔隧道施工過程［1］。由于交叉隧道間的相互影響使之在施工上更難于控制，如何將相互影響減小到最低程度，是交疊隧道設(shè)計和施工的核心問題［2］。

鑒于此，采用有限元數(shù)值模擬方法，對新建鐵路呂梁至臨縣支線中義圪垛3號隧道下穿義圪垛1號、2號隧道的施工過程進(jìn)行數(shù)值模擬，對兩種不同工序下的計算結(jié)果進(jìn)行對比分析，以期獲得最佳的施工順序并指導(dǎo)后續(xù)的設(shè)計、施工。

1 工程概況

呂(梁)臨(縣)支線鐵路由于受線路限制，義圪垛3號隧道在DBK38+250～DBK38+360段先后下穿義圪垛1號及義圪垛2號隧道，下穿隧道拱頂距上跨隧道仰拱底部分別約為1.58 m、2.92 m，平面交角分別為35°32'、40°20'，隧道交叉重疊段落平面示意如圖 1所示。

該段圍巖為強(qiáng)風(fēng)化～弱風(fēng)化砂泥巖，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體較破碎，存在少量基巖裂隙水，圍巖級別為Ⅳ級。隧道設(shè)計為單洞單線，凈高6.77 m，凈寬5.85 m，下穿隧道初期支護(hù)噴射10 cm厚C25混凝土，二次襯砌為60 cm厚C40鋼筋混凝土。交叉段隧道周邊巖體采用玻纖錨桿及砂漿錨桿進(jìn)行加固，錨桿長度為2.5 m，交叉段采用銑挖法施工，其余段采用礦山法施工。

圖1 交疊隧道平面示意(單位:m)

2 數(shù)值模型的建立

2.1 計算基本假定

由于隧址區(qū)圍巖較為破碎，模擬計算時假設(shè)圍巖為單一、均質(zhì)的連續(xù)介質(zhì)，其物理力學(xué)性質(zhì)根據(jù)工程地質(zhì)勘察資料并結(jié)合規(guī)范來取值。超前預(yù)支護(hù)的加固效果，根據(jù)經(jīng)驗通過提高圍巖的物理力學(xué)參數(shù)來模擬，一般將圍巖級別提高一級。同樣，錨桿的作用效果也通過提高圍巖參數(shù)的方法進(jìn)行等效模擬，交疊影響段圍巖加固區(qū)可將圍巖黏聚力提高20%來處理。計算沒有考慮鋼筋網(wǎng)的作用效果，可作為結(jié)構(gòu)的安全儲備考慮［3-4］。

由于隧道埋深較淺，初始應(yīng)力場根據(jù)巖體的自重應(yīng)力場計算得到。巖體的本構(gòu)關(guān)系采用理想彈塑性模型，并服從Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則;初期支護(hù)、臨時支護(hù)及二次襯砌均采用理想彈性材料來模擬。

2.2 計算模型及邊界條件

本文計算考慮時間和空間效應(yīng)、地層和支護(hù)結(jié)構(gòu)在交叉隧道施工過程中的相互作用，同時考慮計算效率和合理利用計算資源，將兩隧道簡化為正交。

模型邊界條件根據(jù)隧道力學(xué)經(jīng)驗，橫向取至距隧道邊界約3～5倍洞徑，豎向取至距隧道底部約2～3倍洞徑［6］。因上跨義圪垛1、2號隧道兩隧道中線線間距約為67 m，隧道開挖應(yīng)力互不疊加，故本次分析只取一個交叉點(diǎn)，其中2號隧道與3號隧道之間的近接距離最小，故本次選取2號隧道與3號隧道交疊部位作為研究對象。根據(jù)本工程實際，模型橫縱向均取81 m，隧道上方按實際埋深考慮，下方取30 m作為本次計算的范圍。邊界條件為:左右方向水平約束;前后面軸向約束;下邊界垂直方向約束，地表為自由面。整個模型共劃分為225 771個單元，236 786個節(jié)點(diǎn)。計算模型見圖2及圖3，物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

圖2 有限元總體模型

圖3 交叉隧道空間相對位置

表1 材料物理力學(xué)參數(shù)

2.3 施工步驟

圖4 加固區(qū)應(yīng)力、位移與塑性區(qū)云圖

對于同時新建立體交疊隧道來說，最為關(guān)心的問題是上下兩座隧道施工先后順序?qū)λ淼腊踩约笆芰τ绊懗潭茸钚?。因此，本文采用兩種工況對隧道施工進(jìn)行數(shù)值模擬。

工況1:先采用上下臺階法進(jìn)行上跨2號隧道開挖，待2號隧道上跨部分施工完成后再施工3號下穿隧道。為減小對交叉重疊段落圍巖的二次擾動，3號隧道在施工到20～61 m范圍內(nèi)采用銑挖法開挖，并采用玻纖維錨桿對拱部進(jìn)行加固。

工況2:先采用臺階法進(jìn)行下穿3號隧道開挖，并采用玻纖維錨桿對3號隧道20～61 m范圍隧道拱部圍巖進(jìn)行加固，待3號隧道下穿部分施工完成后，開始進(jìn)行上跨2號隧道開挖。2號隧道在施工到20～61 m范圍內(nèi)采用銑挖法開挖，使2號隧道施工對圍巖及3號隧道擾動程度最小。

3 計算結(jié)果分析

2號與3號隧道之間近接的預(yù)加固圍巖受到的擾動最大，在隧道開挖時圍巖會經(jīng)歷多次應(yīng)力調(diào)整，這部分巖體在施工中的變化過程通過應(yīng)力、位移及塑性區(qū)進(jìn)行描述。

研究工況1時，為清楚表達(dá)圍巖受力及位移演變規(guī)律，選取2號隧道x=0 m處為研究斷面，當(dāng)3號隧道開挖時對圍巖應(yīng)力、位移及塑性區(qū)進(jìn)行分析。研究工況2時，選取3號隧道y=-40.5 m處為研究斷面，當(dāng)2號隧道開挖時對圍巖應(yīng)力、位移及塑性區(qū)進(jìn)行分析。同時對兩種工況開挖完成后研究斷面處支護(hù)結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行分析。

3.1 工況1圍巖應(yīng)力、位移及塑性區(qū)分析

通過數(shù)值計算得到工況1條件下2號與3號隧道之間加固區(qū)應(yīng)力、位移與塑性區(qū)云圖(圖4)及兩座隧道研究斷面處支護(hù)結(jié)構(gòu)受力情況(圖5);3號隧道開挖對研究斷面處應(yīng)力、位移與塑性區(qū)變化情況(圖6)。

從加固區(qū)圍巖應(yīng)力、位移及塑性區(qū)云圖中可以看出，最小主應(yīng)力全為壓應(yīng)力，其最大值出現(xiàn)在3號隧道拱肩處，最大主應(yīng)力在2號隧道拱腳處出現(xiàn)局部拉應(yīng)力，但是范圍很小;圍巖豎向位移最大值出現(xiàn)在3號隧道拱頂處，為8.65 mm，小于《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》規(guī)定的位移值［5］;塑性區(qū)在兩座隧道交疊處達(dá)到最大值，范圍在2號隧道中心兩側(cè)17 m左右?？梢?號隧道拱頂處圍巖是施工中最薄弱環(huán)節(jié)，在開挖時應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)。

圖5 工況1條件下兩座隧道研究斷面處支護(hù)結(jié)構(gòu)受力

從工況1施工完成后，兩座隧道研究斷面處支護(hù)受力云圖中可以看出，其最大值均出現(xiàn)在拱部，2號隧道支護(hù)受力最大值為6.92 MPa要小于3號隧道支護(hù)受力最大值9.61 MPa，分析起來主要有兩個方面的原因:一是2號隧道埋深要淺，二是3號隧道開挖引起的卸荷作用使得支護(hù)受力更大。

在工況1條件下，從3號隧道開挖引起2號隧道特征點(diǎn)圍巖應(yīng)力隨開挖步變化曲線中可以看出最大與最小主應(yīng)力均未出現(xiàn)拉應(yīng)力，最大與最小主應(yīng)力在開挖步10～40之間出現(xiàn)較為明顯的變化，最小主應(yīng)力最大值出現(xiàn)拱頂處，左邊墻值最小，其余部位應(yīng)力值相當(dāng);最大主應(yīng)力在各個特征點(diǎn)值差別不大，最大與最小主應(yīng)力最大值均為超過Ⅳ級圍巖極限壓應(yīng)力值［5］。從3號隧道開挖引起2號隧道特征點(diǎn)圍巖位移、塑性區(qū)隨開挖步變化曲線中可以看出在開挖步0～40之間豎向位移值變化較快，隨后變化趨于平緩;塑性區(qū)在開挖步0～30之間發(fā)生較為明顯的變化，隨后塑性區(qū)值基本穩(wěn)定，最大值為5.2 m，出現(xiàn)左右墻角處，系統(tǒng)錨桿的長度不能滿足塑性區(qū)深度的要求，可以通過加長錨桿長度并在墻角處打設(shè)鎖腳錨桿來改善圍巖受力，防止墻角出現(xiàn)較大的應(yīng)力集中［6-7］。

3.2 工況2圍巖應(yīng)力、位移及塑性區(qū)分析

通過數(shù)值計算得到工況2條件下2號與3號隧道之間加固區(qū)應(yīng)力、位移與塑性區(qū)云圖(圖7)及兩座隧道研究斷面處支護(hù)結(jié)構(gòu)受力情況(圖8);以及2號隧道開挖對研究斷面處應(yīng)力、位移與塑性區(qū)變化情況(圖9)。

圖6 2號隧道圍巖特征點(diǎn)應(yīng)力、位移及塑性區(qū)變化曲線

圖7 加固區(qū)應(yīng)力、位移與塑性區(qū)云圖

從加固區(qū)圍巖應(yīng)力、位移及塑性區(qū)云圖中可以看出，最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力及豎向位移出現(xiàn)部位及值與工況1基本相當(dāng)，但是工況2塑性區(qū)范圍為3號隧道中心兩側(cè)11 m左右，要小于工況1塑性區(qū)范圍。

圖8 工況2條件下兩座隧道研究斷面處支護(hù)結(jié)構(gòu)受力

從工況2施工完成后，兩座隧道研究斷面處支護(hù)受力云圖中可以看出，其最大值亦出現(xiàn)在拱部，2號隧道支護(hù)受力最大值為6.94 MPa與工況1受力相當(dāng);3號隧道支護(hù)受力最大值為11.34MPa要大于工況1最大值9.61 MPa，究其原因主要是因為2號隧道開挖引起圍巖應(yīng)力重分布與卸荷作用更為明顯。但是支護(hù)受力均未超過C25噴射混凝土的彎曲抗壓強(qiáng)度設(shè)計值13.5 MPa［5］，可以認(rèn)為支護(hù)結(jié)構(gòu)是安全的。

圖9 3號隧道圍巖特征點(diǎn)應(yīng)力、位移及塑性區(qū)變化曲線

在工況2條件下，從2號隧道開挖引起3號隧道特征點(diǎn)圍巖應(yīng)力隨開挖步變化曲線中可以看出最小主應(yīng)力在右邊墻出現(xiàn)拉應(yīng)力，這與2號隧道存在一定的橫向偏壓有關(guān)，在施工中應(yīng)注意加強(qiáng)支護(hù)，防止圍巖出現(xiàn)受拉破壞，最大與最小主應(yīng)力在開挖步0～60之間變化較為明顯，最小主應(yīng)力最大值出現(xiàn)拱頂處;最大主應(yīng)力在右邊墻處最小，其余部位應(yīng)力值差別不大。從2號隧道開挖引起3號隧道特征點(diǎn)圍巖位移、塑性區(qū)隨開挖步變化曲線中可以看出在開挖步0～2之間豎向位移值有向上變化的趨勢，這是由于2號隧道開挖在3號隧道頂部產(chǎn)生了一個應(yīng)力低值區(qū)，隧道有上臺的趨勢;塑性區(qū)在開挖步2～50之間變化較為明顯，隨后塑性區(qū)值基本穩(wěn)定，最大值為5.6 m，出現(xiàn)右拱腰處，其次為左右墻角處，須通過加長系統(tǒng)錨桿長度和在墻角處打設(shè)鎖腳錨桿來改善圍巖受力，防止圍巖出現(xiàn)較大的應(yīng)力集中。

4 結(jié)論

對義圪垛2號與3號隧道施工先后順序進(jìn)行兩種工況的數(shù)值模擬，可以得出以下結(jié)論。

(1)交疊隧道間巖體的穩(wěn)定性是近接施工中最為核心的部分，從兩種工況下近接巖體應(yīng)力、位移及塑性區(qū)分析結(jié)果可以看出，兩者應(yīng)力及位移大小差別不大，但是工況1條件下垂直近接處塑性區(qū)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于工況2條件塑性區(qū)值。

(2)兩種工況條件下，研究斷面支護(hù)受力最大值均出現(xiàn)在拱部，最大主應(yīng)力值基本相等，工況2條件下支護(hù)結(jié)構(gòu)受到的最小主應(yīng)力值要大于工況1條件下最小主應(yīng)力值，但是兩者均未超過C25噴射混凝土的彎曲抗壓強(qiáng)度設(shè)計值13.5 MPa，因此兩種工況下支護(hù)結(jié)構(gòu)都是安全的。

(3)對比兩種工況下研究斷面處隧道圍巖特征點(diǎn)應(yīng)力、位移及塑性區(qū)隨開挖步變化曲線可以看出，后施工隧道開挖引起圍巖應(yīng)力多次重分布，由于2號隧道存在偏壓，在工況2條件下右墻角處出現(xiàn)拉應(yīng)力，施工中應(yīng)注意加強(qiáng)支護(hù)，工況1條件下最小主應(yīng)力最大值要大于工況2條件下最小主應(yīng)力值;兩種工況下均在左右墻角處出現(xiàn)較大的塑性區(qū)，需通過加長系統(tǒng)錨桿的長度并在墻角處打設(shè)鎖腳錨桿來改善圍巖受力，防止巖體出現(xiàn)較大的應(yīng)力集中。

綜上所述，工況2即先施工下部隧道然后再開挖上部隧道是較為理想的方案。在施工上部隧道時，應(yīng)調(diào)整施工方案，將礦山法施工范圍縮小，加大銑挖法開挖范圍，使得上部2號隧道開挖對3號隧道圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響降到最低。

［1］陳衛(wèi)軍，朱忠隆.近距離交疊隧道研究現(xiàn)狀及評析［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2002，39(1):42.

［2］汪波，張勝，何川.偏壓狀態(tài)下新建隧道下穿既有構(gòu)筑物合理施工方法研究［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2010(12):70-75.

［3］李志業(yè)，曾艷華.地下結(jié)構(gòu)設(shè)計原理及方法［M］.成都:西南交通大學(xué)出版社，2003.

［4］曹云欽，王小林.淺埋偏壓連拱隧道中墻優(yōu)化分析［J］.巖土工程學(xué)報，2006，28(4):537-540.

［5］鐵道第二勘察設(shè)計院.TB10003—2005/J449—2005 鐵路隧道設(shè)計規(guī)范［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.

［6］吳金剛，陳仁東，楊冰，畢強(qiáng).公路隧道預(yù)設(shè)計中系統(tǒng)錨桿配置范圍的研究［J］.土木工程學(xué)報，2012，45(2):147-153.

［7］鄧國華，邵生俊，陶虎，陳昌祿.鎖腳錨管對土質(zhì)隧道圍巖變形和支護(hù)內(nèi)力的影響研究［J］.土木工程學(xué)報，2010，43(1):108-113.