隧道交疊段變形規(guī)律及支護(hù)應(yīng)力研究

閆鑫雨

(中交第二航務(wù)工程局有限公司 武漢 430040)

隨著國家交通建設(shè)快速發(fā)展，山嶺多丘地區(qū)高等級公路建設(shè)不可避免地會出現(xiàn)在建隧道下穿既有公路隧道的情況，目前，許多學(xué)者和工程師對于交疊隧道之間的相互影響進(jìn)行了研究，取得了豐富的研究成果。研究表明，當(dāng)交疊隧道中在建隧道施工過程存在埋深淺、近距離、圍巖差等不利影響因素，研究下穿過程中的在建隧道施工力學(xué)問題和既有運(yùn)營隧道的變形問題至關(guān)重要[1-2]。王清標(biāo)等[3]針對近距離交疊隧道施工過程中的襯砌變形和應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，通過有限元計(jì)算，對不同開挖方式進(jìn)行了研究。張耀軍[4]對零間距下穿既有隧道的隧道施工工法進(jìn)行了優(yōu)化，同時提出了一些控制措施。

眾多研究結(jié)果表明，交疊隧道施工過程圍巖擾動、施工動力學(xué)機(jī)理，以及結(jié)構(gòu)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系極為復(fù)雜，目前，對于交疊隧道的施工過程相互影響更多是針對新建隧道的圍巖變形收斂進(jìn)行分析，但既有隧道底板變形直接影響通車安全，更應(yīng)進(jìn)行針對性研究。

本文以某公路隧道交疊段為對象，對四洞分離式隧道開挖進(jìn)行全過程數(shù)值模擬，研究開挖過程對既有隧道底板變形的影響及新建隧道支護(hù)應(yīng)力及圍巖變形機(jī)理，同時針對四洞下穿這一特殊工況，尋求合理施工措施，以為類似隧道施工提供借鑒。

1 工程概況

某在建國道隧道斷面形成四洞分離式隧道，四洞依次下穿既有繞城高速隧道，平面交角約64°，繞城隧道交叉范圍(右線YK54+260-470，左線ZK54+240-450)，國道隧道與繞城隧道間豎向凈距24～28 m，目前繞城隧道已雙線貫通。下穿區(qū)域埋深在300 m左右。

在建隧道為中間布置雙洞八車道主路隧道，兩側(cè)布置雙洞雙向四車道輔路隧道，隧道布置型式見圖1。洞身大部分段落以相鄰隧道凈距大于25 m控制，主路、輔路隧道進(jìn)出口端均為小凈距隧道形式，洞身為分離式隧道形式，主路隧道最大開挖跨度為20.21 m，最大開挖高度為13.81 m，輔路隧道最大開挖跨度為12.18 m，最大開挖高度為10.03 m。

圖1 交疊隧道剖面關(guān)系坐標(biāo)圖

2 新建隧道變形規(guī)律及支護(hù)應(yīng)力分析

2.1 計(jì)算參數(shù)

在建隧址區(qū)上部為第四系坡積層，下伏基巖為侏羅系凝灰熔巖及其風(fēng)化層，根據(jù)其風(fēng)化程度分為全風(fēng)化凝灰熔巖、砂土狀凝灰熔巖、碎塊狀凝灰熔巖、中風(fēng)化凝灰熔巖。根據(jù)相關(guān)公路設(shè)計(jì)規(guī)范及地勘報(bào)告資料，模擬計(jì)算參數(shù)見表1。

表1 圍巖計(jì)算參數(shù)表

對于初支鋼拱架的作用采用等效方法計(jì)算，即將鋼拱架的彈性模量折算給混凝土，其計(jì)算方法為

式中：Ec為折算后混凝土彈性模量，GPa；E0為原混凝土彈性模量，GPa；As為鋼拱架截面面積，cm2；Es為鋼材彈性模量，GPa；Ac為混凝土截面面積，cm2。

2.2 計(jì)算工況

新建四洞分離式隧道開挖順序?yàn)橄乳_挖左右兩輔洞，輔洞開挖完成后，再進(jìn)行左主洞開挖然后進(jìn)行右主洞開挖。根據(jù)圍巖地質(zhì)和隧道實(shí)際情況，進(jìn)洞采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，洞身開挖施工采用上臺階預(yù)留核心土法施工。

2.3 模型建立

隧道開挖對圍巖影響范圍有限，一般在3～5倍洞徑范圍，取整個模型尺寸長220 m×寬200 m×高144 m，模型尺寸足以消除邊界效應(yīng)對計(jì)算結(jié)果的影響。其計(jì)算模型見圖2。

圖2 計(jì)算模型(單位:m)

模型中新建隧道初支采用板單元單元模擬，暫不考慮二襯，對已貫通隧道的支護(hù)僅考慮二次襯砌的作用。超前支護(hù)等效為周邊土體參數(shù)的加強(qiáng)。邊界條件為除了模型上表面為自由面外，其余面均采用法向位移約束，計(jì)算中僅考慮自重荷載作用。為簡化計(jì)算過程，對隧道穿越地層網(wǎng)格尺寸適當(dāng)加大，網(wǎng)格大小依據(jù)從外邊界圍巖到隧道結(jié)構(gòu)由疏到密的原則，隧道結(jié)構(gòu)本身與圍巖接觸部分范圍采用細(xì)密單元。隧道網(wǎng)格尺寸劃分保證耦合。

計(jì)算中模擬了開挖、施做初期支護(hù)的全過程，以及施工期間開挖釋放荷載的分步釋放，即開挖釋放荷載由圍巖和初期支護(hù)共同分擔(dān)，開挖結(jié)束時荷載釋放率為 40%，而在完成初期支護(hù)施作后，再釋放 30%的荷載，荷載釋放率在定義施工階段中通過設(shè)置荷載釋放系數(shù)LDF實(shí)現(xiàn)。

2.4 計(jì)算結(jié)果與分析

2.4.1圍巖應(yīng)力

隧道開挖過程中，地下結(jié)構(gòu)圍巖最可能的破壞形式是剪切破壞?？紤]隧道交疊下穿，通過圍巖應(yīng)力計(jì)算模擬，分析隧道開挖后圍巖拉壓應(yīng)力狀態(tài)。最后施工步的圍巖第一、 三主應(yīng)力見圖3、圖4。

圖3 圍巖第一主應(yīng)力云圖

圖4 圍巖第三主應(yīng)力云圖

由圖3可見， 最大主拉應(yīng)力為 0.58 MPa，最大主壓應(yīng)力為5.73 MPa，可知隨著隧道開挖，產(chǎn)生了較大的附加應(yīng)力，拱腳處于受拉狀態(tài)，局部出現(xiàn)應(yīng)力集中。圍巖為微風(fēng)化凝灰熔巖，易受地質(zhì)活動影響發(fā)育密集節(jié)理帶，對支護(hù)結(jié)構(gòu)安全造成不利影響，隧道開挖中應(yīng)對拱腳位置采取相應(yīng)措施，防止應(yīng)力集中發(fā)生垮塌。

2.4.2新建隧道變形

新建隧道開挖模擬結(jié)束后位移云圖見圖5、圖6。

圖5 新建隧道豎向位移云圖

圖6 新建隧道水平位移云圖

由圖5、圖6可見，隧道開挖后，豎向位移最大值出現(xiàn)在兩主洞隧道拱頂部位，其最大拱頂沉降值為6.83 mm，水平位移最值出現(xiàn)在主洞左右邊墻部位，最大水平位移為1.39 mm。在交疊隧道施工影響區(qū)內(nèi)，沉降最大值出現(xiàn)在交叉隧道中心線對應(yīng)的上方地表，距離中心線越遠(yuǎn)，地表沉降越小。

2.4.3支護(hù)應(yīng)力

新建隧道開挖后，初支上最大拉應(yīng)力為9.26 MPa，最大壓應(yīng)力為14.97 MPa，設(shè)計(jì)初支采用C25混凝土，其極限抗拉強(qiáng)度為2.0 MPa，極限抗壓強(qiáng)度為19.0 MPa，故可以看出初支不會發(fā)生壓壞的情況，在主洞左右邊墻角部位可能出現(xiàn)局部拉裂破壞。支護(hù)應(yīng)力結(jié)果圖見圖7和圖8。

圖7 新建隧道初支最大主應(yīng)力云圖

圖8 新建隧道初支最小主應(yīng)力云圖

3 下穿隧道施工對既有運(yùn)營隧道影響分析

根據(jù)上述模擬研究，重點(diǎn)研究下穿四洞分離式隧道施工對既有運(yùn)營隧道影響分析，取受下穿隧道施工影響最大的控制因素——既有運(yùn)營隧道底板變形進(jìn)行分析。既有隧道底板沉降曲線見圖9，新建隧道開挖對既有線底板豎向位移影響見圖10。

圖9 既有隧道底板沉降曲線

圖10 新建隧道開挖對既有線底板豎向位移影響曲線

計(jì)算結(jié)果表明，新建隧道施工對既有線的沉降會產(chǎn)生一定的影響，由圖9可見，既有線沉降最大位置出現(xiàn)新建隧道主洞頂部上方位置，既有左線隧道最大沉降值3.30 mm，既有右線隧道最大沉降值為3.47 mm。

由圖10可見，在隧道開挖過程中，在開挖距離既有線較遠(yuǎn)時，豎向位移影響較小，靠近既有線時豎向位移開挖逐步增大，到達(dá)既有線底板下方時，豎向位移變化速率達(dá)到最大，繼續(xù)往前開挖時，位移變化速率變緩，豎向位移曲線逐漸趨向于平穩(wěn)。

4 交疊隧道密集節(jié)理帶影響區(qū)支護(hù)結(jié)構(gòu)研究

隧道下穿既有構(gòu)筑物過程中，通常采用超前大管棚、超前小導(dǎo)管及拱腳加固、掌子面封閉、地表注漿、控制爆破等加固措施[5-6]加固。當(dāng)新建隧道采用大斷面形式時，通常采用優(yōu)化開挖、爆破工法等開挖施工方式，同時嚴(yán)格控制進(jìn)尺循環(huán)長度等[7-9]。四洞分離式隧道下穿既有隧道過程中，為保證在建隧道施工安全及既有隧道運(yùn)營安全，對支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。

交疊隧道臨近施工范圍地層主要為IV級圍巖，同時局部受節(jié)理密集帶影響，考慮隧道施工工況，采用荷載結(jié)構(gòu)法對初支結(jié)構(gòu)軸力進(jìn)行計(jì)算，分析局部節(jié)理密集帶初支結(jié)構(gòu)受力情況。對于初支結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核，通常以襯砌結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)方程判斷結(jié)構(gòu)是否安全，包括彎矩、軸力、偏心距、大小偏心等依據(jù)。根據(jù)JTG/T D70-2010 《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則》中10.4.19條和10.4.20條說明建議公式計(jì)算，其中安全系數(shù)限值通過規(guī)范中支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算綜合安全系數(shù)確定，其噴混凝土軸力，鋼拱架軸力、彎矩及其安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 不同工況下噴射混凝土及鋼拱架計(jì)算結(jié)果

由表2可知，在施工過程中噴混的安全系數(shù)最小為5.28，大于規(guī)范限值，噴混結(jié)構(gòu)安全性滿足要求；在IV級圍巖一般區(qū)域，左右輔洞初支結(jié)構(gòu)鋼拱架的安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求，但在左右主洞開挖的過程中，其鋼拱架的抗拉和抗壓安全系數(shù)最小值為0.84和1.01，均小于規(guī)范限值2.0，另外由于混凝土早期強(qiáng)度較低，前期主要是鋼拱架起主要承載作用，鋼拱架安全系數(shù)較低，在施工中可能出現(xiàn)由于鋼拱架受力過大超過其承載而導(dǎo)致在混凝土尚未起作用時，隧道出現(xiàn)大的變形，進(jìn)而可能引起塌方，因此建議對局部節(jié)理密集帶鋼拱架進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，保證施工過程安全。

5 結(jié)語

1) 在下穿段，新建隧道開挖后，豎向位移最大值出現(xiàn)兩主洞隧道拱頂部位，其最大拱頂沉降值為6.83 mm，水平位移最值出現(xiàn)主洞左右邊墻部位，最大水平位移最值為1.39 mm，計(jì)算結(jié)果與設(shè)計(jì)說明中結(jié)果差別不大。

2) 在下穿段，新建隧道開挖后，既有線沉降最大位置出現(xiàn)新建隧道主洞頂部上方位置，既有左線隧道最大沉降值3.30 mm，既有右線隧道最大沉降值為3.47 mm。

3) 在下穿段，新建隧道開挖后，初支不會發(fā)生壓壞的情況，但在主洞左右邊墻角部位可能出現(xiàn)局部拉裂破壞，施工中應(yīng)注意采取加固措施和監(jiān)控量測，保證施工安全。

4) 從初支結(jié)構(gòu)受力上來看，在節(jié)理密集影響區(qū)域，支護(hù)結(jié)構(gòu)中鋼拱架設(shè)計(jì)偏弱會給在建隧道帶來較大安全風(fēng)險(xiǎn)，為保證隧道施工安全，應(yīng)對左右主洞的鋼拱架進(jìn)行加強(qiáng)設(shè)計(jì)。

5) 分析中未考慮爆破的影響， 并將圍巖理想化為完整連續(xù)的各向同性體，在計(jì)算過程中，由于考慮了模型簡化，部分荷載參數(shù)選取參考相關(guān)文獻(xiàn)可能與實(shí)際有所差異，計(jì)算結(jié)果僅作為參考，施工過程中實(shí)際變形以現(xiàn)場監(jiān)測為主。下穿過程中，應(yīng)嚴(yán)格控制爆破，對各已貫通隧道進(jìn)行嚴(yán)密監(jiān)控，確保施工順利進(jìn)行。