上下立交隧道施工優(yōu)化與動態(tài)近接分區(qū)

安永林，李佳豪，周進(jìn)，譚格宇

(湖南科技大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201)

由于地形的限制以及地下空間的不斷開發(fā)，地下立交隧道的案例層出不窮，對于立交隧道的研究也越來越多，李勇等[1?3]對地下互通式立交隧道的設(shè)計(jì)與施工進(jìn)行分析研究；SHI 等[4]對淺埋水下立交隧道的施工方法進(jìn)行研究；裴麗等[5?7]建立三維立交隧道數(shù)值模擬模型，對圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)特性進(jìn)行分析，同時(shí)建立實(shí)體模型進(jìn)行相似模型實(shí)驗(yàn)，結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果一致。同時(shí)從圍巖應(yīng)力、位移變化、支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力及塑性區(qū)等方面進(jìn)行研究對比，得出在0.25D，0.5D，0.75D，1D(D為隧道外徑值)凈距下隧道力學(xué)性征變化規(guī)律；高林等[8?10]基于立體交叉隧道，對立交隧道的施工順序進(jìn)行分析對比，并就不同間距下兩隧道立交近接分區(qū)進(jìn)行研究；顏勤等[11?12]對不同交叉角度的立交隧道進(jìn)行有限元模擬，分別對“先上后下”及“先下后上”2 種工況開挖完畢后的后行洞周邊圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力位移變化、地表沉降及塑性區(qū)特征進(jìn)行分析，得到2 種工況下的優(yōu)劣；孫經(jīng)偉[13]針對下穿既有隧道施工，研究了既有隧道的力學(xué)特性、既有隧道安全分區(qū)的影響因素，以及立交隧道加固技術(shù)。LIANG等[14?15]針對下穿隧道提出一種簡化的隧道分析方法，并對兩隧道的凈距、施工步大小等因素對隧道穩(wěn)定性進(jìn)行分析。上述文獻(xiàn)對于立交隧道交叉段的穩(wěn)定性、施工順序優(yōu)化以及近接施工分區(qū)有一定的研究，但對于近接施工的分區(qū)以兩隧道凈距遠(yuǎn)近來判斷是否近接，對于隧道施工至不同位置時(shí)的動態(tài)分區(qū)的研究較少。本文結(jié)合實(shí)際工程背景，在建大橫琴山1號隧道與珠機(jī)城際隧道交叉近接，施工順序直接關(guān)系隧道安全穩(wěn)定，因此對“先上后下”與“先下后上”2 種施工工況進(jìn)行模擬分析，優(yōu)化施工工序，同時(shí)后開挖隧道施工時(shí)對先開挖隧道交叉段安全有較大影響，在距離交叉點(diǎn)不同距離時(shí)，其對先建隧道的影響是不斷變化的，因此，進(jìn)一步對“先上后下”與“先下后上”近接施工進(jìn)行動態(tài)分區(qū)研究。

1 工程背景與有限元模型的建立

珠海大橫琴山隧道大跨段大角度下穿珠機(jī)城際鐵路隧道，兩隧道凈距3.5 m，本文針對兩隧道交叉段進(jìn)行有限元模擬，對施工順序“先下后上”及“先上后下”2 種工況進(jìn)行模擬研究，對比分析2種工況下隧道、圍巖應(yīng)力及位移變化情況。

根據(jù)圖1 所示斷面襯砌設(shè)計(jì)圖，大橫琴山1 號隧道采用31 cm 厚初期支護(hù)，采用80 cm 厚二次襯砌，錨桿區(qū)域采用等效替代法進(jìn)行替代，范圍為隧道輪廓外6 m 內(nèi)；珠機(jī)城際隧道采用30 cm 厚支護(hù)結(jié)構(gòu)。本模型采取M-C 土體本構(gòu)進(jìn)行模擬，圍巖級別為Ⅳ級，圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)屬性選取表1 參數(shù)值。

圖1 隧道斷面襯砌設(shè)計(jì)圖Fig.1 Tunnel section lining design drawing

表1 圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of rock and supporting structure

如圖2所示的有限元數(shù)值模型，采用實(shí)體單元建立支護(hù)結(jié)構(gòu)，錨桿區(qū)域以增大圍巖彈性模量及黏聚力等參數(shù)10%進(jìn)行等效代替[16]，施加支護(hù)時(shí)，改變錨桿區(qū)域?qū)傩詤?shù)，隧道以分步CD 法進(jìn)行施工，每2 m 一個(gè)施工步。珠機(jī)城際隧道以全斷面法進(jìn)行施工，每3 m一個(gè)施工步。

圖2 模型實(shí)體與網(wǎng)格劃分圖Fig.2 Model entity and meshing diagram

2 不同工序下位移變化規(guī)律對比

根據(jù)隧道施工圖紙，大橫琴山1號隧道右線隧道與珠機(jī)城際隧道夾角大約為58°，如圖3所示。

圖3 隧道截面俯視圖Fig.3 Top view of tunnel section

2.1 不同工序施工過程中縱斷面位移對比

2種施工順序下拱頂沉降變化如圖4所示?！跋认潞笊稀笔┕r(shí)(圖4(a))，上部隧道開挖對下部隧道影響大致在距中軸線前后20 m 范圍內(nèi)，隧道沿開挖方向開挖到中軸線前6 m 之前時(shí)，下部隧道拱頂沉降持續(xù)增大，在中軸線6 m 前時(shí)拱頂沉降達(dá)到最大，隨后拱頂沉降開始減小，這是由于珠機(jī)城際隧道的開挖，使得大橫琴山1號隧道上方的圍巖應(yīng)力得到釋放，故拱頂沉降減小，在開挖到中軸線后12 m 時(shí)，拱頂沉降達(dá)到最小，繼續(xù)開挖，大橫琴山1號隧道拱頂沉降繼續(xù)增大，開挖完畢后達(dá)到最大?！跋壬虾笙隆笔┕r(shí)(圖4(b))，圖中第50步開挖為下部隧道右上導(dǎo)坑開挖至交叉點(diǎn)下方，從上部隧道拱頂沉降變化可以看出，由于下部隧道斷面較大，隧道開挖后，上部隧道拱頂沉降整體增大，且在交叉段拱頂沉降明顯更大，隨著下部隧道的開挖，拱頂沉降極值點(diǎn)向中軸線靠攏，且值越來越大。

圖4 拱頂沉降曲線Fig.4 Settlement curves of arch crown

“先下后上”施工時(shí)，上部隧道對下部隧道影響范圍大致在距中軸線前后20 m 范圍內(nèi)，其拱頂沉降先增大后減小，隨后再增大?！跋壬虾笙隆笔┕r(shí)，下部隧道對上部隧道影響大致在距中軸線前后40 m左右范圍內(nèi)。

2.2 不同工序施工完成后縱斷面位移對比

針對“先下后上”及“先上后下”2 種工況，得出隧道開挖完畢后拱頂沉降、隧底隆起，如圖5所示，圖中中軸線處為兩隧道相交處。在開挖時(shí)，由于先開挖隧道對周邊圍巖的影響，后開挖隧道開挖區(qū)已有位移變化，因此在計(jì)算后開挖隧道周邊位移時(shí)，用隧道開挖完畢的位移值減去后開挖隧道開挖前的位移值。

圖5 2種工況下拱頂沉降與隧底隆起曲線Fig.5 Vault settlement and tunnel low uplift curves under two working conditions

從兩隧道拱頂沉降值曲線圖可以看出，2 種開挖方式對大橫琴山1號隧道拱頂沉降影響較小，從沉降數(shù)值來看2 種開挖方式造成位移差值在4 mm以內(nèi)，而對珠機(jī)城際隧道拱頂沉降影響較大，在交叉處位移差達(dá)到10 mm；當(dāng)采用“先下后上”開挖時(shí)，兩隧道最大拱頂沉降值均較小，且兩隧道拱頂沉降曲線都較平滑，而采用“先上后下”施工時(shí)，由于珠機(jī)城際隧道先施工，大橫琴山1號隧道在相交處的拱頂沉降變小，其沉降曲線隨距離變化較大，這對隧道穩(wěn)定性有一定的影響。對于隧底隆起來說，采用“先下后上”施工時(shí)，兩隧道位移曲線均較平緩，這使得隧道在穩(wěn)定性上有一定積極作用。因此從拱頂沉降與隧底隆起來看，采用“先下后上”開挖方式較好。

2.3 不同工序施工完成后橫斷面位移對比

隧道中軸線斷面輪廓豎向及橫向位移對比見圖6。從圖6 中可看出，由于水平位移較小，2 種施工方式下水平位移區(qū)別不大，而對豎向位移來說，“先下后上”施工時(shí)，珠機(jī)城際隧道位移較小，“先上后下”施工時(shí)，大橫琴山1 號隧道位移較小，而上方珠機(jī)城際隧道對位移要求較高，因此采用“先下后上”施工較好。

圖6 隧道中軸線斷面位移對比Fig.6 Comparison of displacement of central axis section of Dahengqinshan No.1 Tunnel

提取隧道上方地表沉降值后，得到2種開挖方式對其影響在0.1 mm 以內(nèi)(由于篇幅有限，不再詳細(xì)敘述)，因此不從地表沉降方面考慮2 種開挖工況方式優(yōu)劣。

3 不同工序下支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力與塑性區(qū)對比

3.1 不同工序支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力對比

支護(hù)結(jié)構(gòu)用最大與最小主應(yīng)力表示，見圖7所示。采用“先下后上”施工時(shí)，大橫琴山隧道拱腳處主應(yīng)力絕對值明顯較小，如采用“先上后下”施工時(shí)，最大主應(yīng)力極值為?0.70 MPa，最小主應(yīng)力極值為?14.7 MPa；而采用“先下后上”使用時(shí)，最大主應(yīng)力極值為?0.69 MPa，最小主應(yīng)力極值為?14.3 MPa。對比珠機(jī)城際隧道主應(yīng)力值也有相同規(guī)律，所以從主應(yīng)力方面來看，采用“先下后上”施工較好。

圖7 大橫琴山1號隧道初支邊墻處主應(yīng)力值Fig.7 Principal stress value of the primary side wall of Dahengqinshan No.1 Tunnel

3.2 不同工序塑性區(qū)對比

由于珠機(jī)城際隧道斷面較小，故在該圍巖條件下，其周邊圍巖塑性區(qū)不明顯，截取大橫琴山1號隧道周邊圍巖塑型區(qū)，如圖8 所示。從數(shù)值上看，“先下后上”施工時(shí)最大塑性應(yīng)變?yōu)?.001 67，“先上后下”施工時(shí)最大塑性應(yīng)變?yōu)?.001 68，兩者相差不大，但采用“先下后上”施工時(shí)，大橫琴山1號隧道周邊圍巖塑型區(qū)分布范圍較小。

圖8 塑性區(qū)分布云圖Fig.8 Plastic distinguishing cloud diagram

4 2種施工工序優(yōu)化對比

綜合對比2 種施工順序(見表2)，隧道周邊位移、支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力及圍巖塑性區(qū)變化，采用“先下后上”施工較好。

表2 各類型對比表Table 2 Comparison table of various types

本工程現(xiàn)場采用“先下后上”施工工序，目前隧道已經(jīng)順利貫通，大橫琴山1號隧道施工安全穩(wěn)定，進(jìn)一步表明了采用“先下后上”施工較合理，保證了施工安全順利進(jìn)行。

5 2種施工方式近接施工分區(qū)研究

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)研究[9]，基于本工程條件，以地層圍巖位移準(zhǔn)則、既有結(jié)構(gòu)強(qiáng)度準(zhǔn)則為劃分分區(qū)的判斷準(zhǔn)則。

在地層位移方面，從先開挖隧道在后開挖隧道開挖前后圍巖位移變化進(jìn)行影響分區(qū)，認(rèn)為新建隧道導(dǎo)致既有隧道周邊位移變化量為標(biāo)準(zhǔn)位移值的百分比作為分區(qū)影響度，無量綱單位。參照強(qiáng)影響區(qū)與弱影響區(qū)的分界線為位移變化量是標(biāo)準(zhǔn)位移值的150%，弱影響區(qū)與無影響區(qū)的分界線為位移變化量時(shí)標(biāo)準(zhǔn)位移值的60%。在上下交叉隧道結(jié)構(gòu)中，后開挖隧道對既有隧道周邊位移影響主要在拱頂與隧底，因此在圍巖位移方面，從拱頂沉降進(jìn)行分區(qū)研究。

在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度方面，以新建隧道對既有隧道影響的應(yīng)力變化容許值為基準(zhǔn)進(jìn)行分區(qū)，認(rèn)為若既有隧道有不影響隧道功能的損傷時(shí)：1) 拉應(yīng)力的容許變化值為0.5 MPa；2)壓應(yīng)力的容許變化值為2.0 MPa；若既有隧道是健全時(shí)：1)拉應(yīng)力的容許變化值為1.0 MPa；2) 壓應(yīng)力的容許變化值為5.0 MPa；將壓、拉應(yīng)力變化值作為分區(qū)影響度，單位MPa。則參照既有隧道有不影響隧道功能損傷時(shí)的應(yīng)力容許值為弱、無影響區(qū)分界線，既有隧道健全時(shí)的應(yīng)力變化容許值為強(qiáng)、弱影響區(qū)分界線。對于隧道開挖過程中，隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)在邊墻及拱腳處產(chǎn)生應(yīng)力集中，而在本工程中，上下兩隧道相互交叉呈60°左右，因此在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度方面，從左右拱腰應(yīng)力變化兩方面進(jìn)行分區(qū)研究。

為保證下方隧道內(nèi)施工人員的安全，從上方珠機(jī)城際隧道掌子面距離交叉點(diǎn)距離進(jìn)行分區(qū)，以紅區(qū)為特危險(xiǎn)區(qū)、黃區(qū)為危險(xiǎn)區(qū)、白區(qū)為注意區(qū)。

5.1 “先下后上”近接施工分區(qū)

當(dāng)采用“先下后上”施工時(shí)，選取上方珠機(jī)城際隧道掌子面開挖至距兩隧道交叉點(diǎn)距離為前后2D，1D，0.5D，0.25D及0(D為珠機(jī)城際隧道最大開挖寬度)處時(shí)9 種情況，分析研究下方大橫琴山1 號隧道在圍巖位移及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度方面的分區(qū)情況。

大橫琴山1 號隧道分區(qū)示意見圖9，由于珠機(jī)城際隧道斷面較小，上部隧道的開挖對下部隧道影響較小，位移標(biāo)準(zhǔn)下整體影響度均小于5%，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)下應(yīng)力小于0.8 MPa，因此，隧道整體分區(qū)在無影響區(qū)。為保證上部隧道施工至交叉段時(shí)下部隧道內(nèi)的安全，以分叉段位移與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度同未影響區(qū)相比較，并選擇最不利條件標(biāo)準(zhǔn)作為分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)，將大橫琴山1 號隧道距中軸線前18 m至中軸線后10 m 范圍內(nèi)作為紅區(qū)，以此處至距中軸線前33 m，中軸線后33 m 處范圍作為黃區(qū)，其他區(qū)域作為白區(qū)。

圖9 大橫琴山1號隧道分區(qū)示意Fig.9 Division diagram of Daheng Qinshan tunnel 1

位移與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度準(zhǔn)則下，影響度隨開挖變化情況見圖10。由于珠機(jī)城際隧道開挖時(shí)，先接近下方大橫琴山1 號隧道的右拱腰，后接近左拱腰，同時(shí)從圖中結(jié)果看出，綜合2種標(biāo)準(zhǔn)影響度變化趨勢，當(dāng)上部隧道開挖至距交叉點(diǎn)前后0.25D范圍內(nèi)時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)對下部隧道的監(jiān)控量測，保證隧道的施工安全。

圖10 大橫琴山1號隧道位移與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)下影響度隨開挖變化示意圖Fig.10 Variation of influence degree with excavation under displacement and structural strength standard of dahengqinshan No.1 Tunnel

5.2 “先上后下”近接施工分區(qū)

當(dāng)采用“先上后下”施工時(shí)，選取下方大橫琴山1 號隧道掌子面距兩隧道交叉點(diǎn)距離為前后2D，1D，0.5D，0.25D及0(D為橫琴隧道最大開挖寬度)9 種情況，分析研究上方珠機(jī)城際隧道在圍巖位移及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度方面的分區(qū)情況。

由于篇幅限制，僅展示開挖距交叉點(diǎn)2D后影響度分區(qū)，可判斷“先上后下”施工分區(qū)距離，珠機(jī)城際隧道分區(qū)示意見圖11。隧道開挖至距交叉點(diǎn)2D距離后，可以看出上方珠機(jī)城際隧道在交叉段附近位于強(qiáng)影響區(qū)，隨著距交叉點(diǎn)距離越遠(yuǎn)影響程度下降。為保證下部隧道施工時(shí)上部隧道內(nèi)的安全，以強(qiáng)、弱影響區(qū)分界線作為紅黃區(qū)分界線，弱、無影響區(qū)分界線作為黃白區(qū)分界線，將珠機(jī)城際隧道中軸線前27 m 至中軸線后13 m 作為紅區(qū)，以此至中軸線前52 m，中軸線后42 m 作為黃區(qū)，其他區(qū)域作為白區(qū)。

圖11 珠機(jī)城際隧道分區(qū)示意Fig.11 Division diagram of Zhuji intercity tunnel

圖12 為位移與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度準(zhǔn)則下影響度隨開挖變化示意圖。從圖中結(jié)果可以看出，綜合2種標(biāo)準(zhǔn)影響度變化趨勢，當(dāng)上部隧道開挖至距交叉點(diǎn)前1D至距交叉點(diǎn)0.25D范圍內(nèi)時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)對下部隧道的監(jiān)控量測，保證隧道的施工安全。

圖12 珠機(jī)城際隧道位移與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)下影響度隨開挖變化示意Fig.12 Variation of influence degree with excavation under displacement and structural strength standard of Zhuji intercity Tunnel

6 結(jié)論

1) 從兩隧道拱頂沉降情況來看，“先下后上”施工時(shí)，上部隧道開挖至距中軸線前6 m 時(shí)，對下部隧道交叉段造成較大影響，該段拱頂沉降逐漸減小，開挖至距中軸線后12 m 處時(shí)，對該段影響減小，拱頂沉降又逐漸增大；“先上后下”施工時(shí)，下部隧道開挖時(shí)上部隧道拱頂沉降逐漸增大，且極值點(diǎn)逐漸向交叉點(diǎn)移動。

2) 綜合周邊圍巖位移、支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力及塑性區(qū)變化，本工程采用“先下后上”施工較好。

3) “先下后上”施工時(shí)，下部隧道對上部隧道影響全程處于無影響區(qū)，以安全程度劃分將距中軸線前18 m 至中軸線后10 m 范圍內(nèi)作為紅區(qū)，以此處至距中軸線前33 m，中軸線后33 m 處范圍作為黃區(qū)，其他區(qū)域作為白區(qū)，且在上部隧道開挖至距交叉點(diǎn)0.25D范圍內(nèi)時(shí)應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)控量測；“先上后下”施工時(shí)，以安全程度劃分將珠機(jī)城際隧道中軸線前27 m 至中軸線后13 m 作為紅區(qū)，以此至中軸線前52 m，中軸線后42 m 作為黃區(qū)，其他區(qū)域作為白區(qū)，且在下部隧道開挖至距交叉點(diǎn)前1D至距交叉點(diǎn)0.25D范圍內(nèi)時(shí)應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)控量測。