重疊隧道夾角對(duì)施工的影響淺析

鄒逸倫

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都 610031)

近年來，隨著我國(guó)施工技術(shù)的發(fā)展以及對(duì)地下空間利用率的提高，重疊隧道越來越多地出現(xiàn)在地下空間規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工中。關(guān)于重疊隧道，自它在我國(guó)工程建設(shè)中出現(xiàn)以來，前人對(duì)其進(jìn)行了許多研究。仇文革系統(tǒng)地分析了地下工程近接施工的力學(xué)機(jī)理，其中，以深圳地鐵重疊隧道為例，分析了重疊隧道施工時(shí)的注意措施及對(duì)策[1]。陳先國(guó)應(yīng)用Ansys軟件，分析了重疊隧道對(duì)上洞彎矩、軸力、塑性區(qū)等的影響[2]。潘明亮研究了運(yùn)用淺埋暗挖法修建地鐵單洞雙層重疊隧道的技術(shù)[3]。張頂立等采用FLAC3D結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試研究了重疊隧道采用暗挖四步臺(tái)階法施工時(shí)地層三維變形規(guī)律[4]。鄭余朝等分析了重疊隧道“先下洞，后上洞”和“先上洞，后下洞”兩種施工工序下結(jié)構(gòu)內(nèi)力演變[5]。陳壽根等分析了長(zhǎng)距離小凈距隧道不同凈距下地層位移及隧道內(nèi)力，著重分析了凈距對(duì)隧道的影響[6-7]。

本文以之前學(xué)者的研究為基礎(chǔ)，研究前人很少涉及到的重疊隧道夾角問題。

1 工程背景

本文依托于某規(guī)劃中新建地鐵區(qū)間左右線，該兩條線為上下斜交重疊隧道，為了研究上下重疊隧道的夾角對(duì)施工的影響，本文選取不同夾角進(jìn)行分析研究。

2 數(shù)值模型及參數(shù)選取

2.1 數(shù)值模型的建立及模型工況選取

為得出研究規(guī)律并考慮計(jì)算工作量，本次數(shù)值計(jì)算考慮上下兩隧道間夾角為15 °、30 °、45 °、60 °、75 °和90 °幾種情況，數(shù)值計(jì)算模型如表1所示。模型尺寸為60 m×60 m×45 m，邊界約束情況為四周和底面進(jìn)行位移約束，頂面為自由表面。初始應(yīng)力為土體的自重應(yīng)力，土體破壞服從摩爾-庫倫準(zhǔn)則。不同角度工況如圖1～圖6所示。

2.2 模型參數(shù)的選取

數(shù)值計(jì)算中土體模型及襯砌結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

3 計(jì)算結(jié)果分析

本次數(shù)值模擬中下洞隧道為斜隧道，上洞隧道為直隧道，施工順序?yàn)橄仁┕は露?，后施工上洞?/p>

(a)模型整體

(b)隧道位置關(guān)系

(a)模型整體

(b)隧道位置關(guān)系

(a)模型整體

(b)隧道位置關(guān)系

(a)模型整體

(b)隧道位置關(guān)系

(a)模型整體

(b)隧道位置關(guān)系

(a)模型整體

(b)隧道位置關(guān)系

編號(hào)巖土名稱重度/(kN·m-3)粘聚力/kPa內(nèi)摩擦角/°彈性模量/MPa泊松比1素填土18.52010.2500.322粉土19.8828.0140.303粉細(xì)砂19.2633.11350.264圓礫20.2537.91650.255粉砂20.0634.01370.256襯砌26--345000.207注漿層22--185000.22

從圖7、圖8可以得出，不同疊交角度的交疊隧道施工對(duì)管片結(jié)構(gòu)沉降具有不同的影響效應(yīng)。最主要的表現(xiàn)為，當(dāng)兩隧道疊交角度小于45 °時(shí)，影響區(qū)域范圍較大，整體沉降呈緩而平的趨勢(shì)。且隧道差異沉降隨疊交角度的增大而增大。當(dāng)疊交角度大于45 °時(shí)，差異沉降區(qū)域趨于平穩(wěn)，影響區(qū)域?yàn)榫嚯x隧道交叉中心左右約15 m范圍(去除隧道開挖直徑，則該范圍為開挖輪廓左右各12 m范圍，即2D范圍)。從上洞隧道管片拱頂和仰拱處差異沉降大小看，上洞平均拱頂沉降約為20 mm，仰拱沉降約為5 mm，各工況差異沉降基本相同，表明隧道在開挖過程中，管片是協(xié)調(diào)變形的。從差異沉降在隧道的分配情況分析，可得結(jié)論，交疊隧道夾角越小，平均每節(jié)管片分擔(dān)差異沉降越小，管片受力越均勻。故對(duì)于大角度交疊的情況，為避免交疊處管片因差異沉降過大造成應(yīng)力集中，施工中應(yīng)視掘進(jìn)情況進(jìn)行必要的補(bǔ)強(qiáng)加固。

圖7 上洞隧道施工完畢后的拱頂處沉降

圖8 上洞隧道施工完畢后的仰拱隆起

圖9～圖14顯示了不同疊交角度交疊隧道施工過程中管片附加應(yīng)力的變化情況。為簡(jiǎn)潔明了地說明問題，這里僅以豎向應(yīng)力Szz為例進(jìn)行說明。從上圖可以明顯的看出，在隧道由小角度逐漸變化為大角度交疊的過程中，上洞隧道施工會(huì)在交疊區(qū)域下洞管片內(nèi)部產(chǎn)生明顯的附加應(yīng)力。根據(jù)附加應(yīng)力情況進(jìn)行分析，可知，上洞隧道在開挖施工過程中，由于卸載作用，交疊區(qū)域卸載作用更為明顯，導(dǎo)致下洞襯砌結(jié)構(gòu)發(fā)生隆起變形，在襯砌內(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力。同時(shí)，由于上下交疊隧道的相互作用，上洞隧道在交疊區(qū)域的應(yīng)力狀態(tài)也發(fā)生明顯變化，具體表現(xiàn)為上洞隧道拱底處拉應(yīng)力明顯增大。拱頂壓應(yīng)力在大交疊角度的情況下，也出現(xiàn)明顯增大的情況，從附加應(yīng)力的分布情況看，主要分布在疊交點(diǎn)左右約15 m范圍。綜合以上分析，基本可以認(rèn)為交疊區(qū)域的影響主要是由于上洞隧道開挖卸載，使交疊區(qū)域的夾巖變松軟，上下隧道襯砌在施工完成后，上洞隧道在交疊區(qū)域產(chǎn)生下沉變形，下洞隧道產(chǎn)生隆起變形。

圖9 夾角為15°時(shí)管片附加應(yīng)力

圖10 夾角為30°時(shí)管片附加應(yīng)力

圖11 夾角為45°時(shí)管片附加應(yīng)力

圖12 夾角為60°時(shí)管片附加應(yīng)力

圖13 夾角為75°時(shí)管片附加應(yīng)力

4 結(jié)論

(1)交疊隧道疊交角度對(duì)隧道施工有一定影響，具體表現(xiàn)為在交疊區(qū)域附近，上洞隧道開挖會(huì)使上下兩隧道整體產(chǎn)生擠壓夾巖效應(yīng)，從而使襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生差異變形。當(dāng)交疊角度小于45 °時(shí)，該差異變形在隧道襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)部被多節(jié)管片均擔(dān)，隧道整體變形趨勢(shì)緩而平，對(duì)管片結(jié)構(gòu)受力影響較?。幌喾?，當(dāng)交疊角度大于45 °時(shí)，該差異沉降由交疊區(qū)域附近一定范圍的管片環(huán)分擔(dān)，疊交角度越大，襯砌整體變形曲率越大，在管片內(nèi)部應(yīng)力集中越明顯。

圖14 夾角為90°時(shí)管片附加應(yīng)力

(2)從附加應(yīng)力的分布范圍，以及前述管片差異沉降范圍判斷，交疊隧道當(dāng)疊交角度較大時(shí)，會(huì)在以交疊點(diǎn)為中心，距隧道中心軸線左右各15 m范圍內(nèi)產(chǎn)生較明顯的擾動(dòng)影響，且離交疊點(diǎn)中心越近，擾動(dòng)越大，附加應(yīng)力越大。因而，交疊隧道在進(jìn)行施工時(shí)，該區(qū)域?yàn)槭┕た刂茟?yīng)重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域。

(3)重疊隧道施工時(shí)，應(yīng)該及時(shí)進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)，必要時(shí)可以采用加強(qiáng)注漿等加強(qiáng)支護(hù)的行為。