海域環(huán)境盾構(gòu)隧道聯(lián)絡(luò)通道施工過程的力學(xué)行為分析

劉文斌 黃君 石來 趙漢亮

（1.珠海大橫琴城市新中心發(fā)展有限公司，廣東 珠海 519000；2.中國鐵建投資集團(tuán)有限公司，廣東 珠海 519000；3.中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430063；4.廣東省建筑科學(xué)研究院集團(tuán)股份有限公司，廣東 廣州 510500）

橫向聯(lián)絡(luò)通道是連接上下行隧道的附屬結(jié)構(gòu)，是重要的救援通道，其與主隧道的空間交叉結(jié)構(gòu)[1]會大大影響隧道的整體受力性能。

國內(nèi)外專家針對聯(lián)絡(luò)通道的設(shè)計與施工技術(shù)進(jìn)行了一系列的研究：王龍[2]分析了盾構(gòu)隧道與聯(lián)絡(luò)通道空間交叉結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性對地層沉降的影響，針對盾構(gòu)隧道的管片受力與變形進(jìn)行了加固性處理；曾豐姿等[3]用軟件FLAC3D模擬了隧道和聯(lián)絡(luò)通道交叉結(jié)構(gòu)開口處的邊緣管片會產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，提出拆除管片之前應(yīng)在交叉口處提前注漿；田野等[4]通過現(xiàn)場監(jiān)測得出聯(lián)絡(luò)通道與盾構(gòu)隧道交叉部位沉降最大，在初支后注漿能夠在一定程度上抑制地表沉降量；趙澤昌等[5]模擬機(jī)械法施工對主隧道管片、螺栓接頭等的力學(xué)影響，得出聯(lián)絡(luò)通道的施工采用機(jī)械法的可行性；丁修恒[6]分析了聯(lián)絡(luò)通道采用盾構(gòu)法施工的關(guān)鍵要點；吳文濤[7]研究了聯(lián)絡(luò)通道在開挖過程中主要以拱頂變形為主，但其余部位也會發(fā)生不同程度的變形，應(yīng)在施工中高度重視；曹宇陶[8]利用ABAQUS模擬分析了機(jī)械法施工拆除管片前后的受力對主隧道的影響；楊武[9]針對江底的聯(lián)絡(luò)通道施工闡述了有效降低承壓水風(fēng)險的4個措施，為以后相似的工程提供了依據(jù)。

目前，針對海域環(huán)境下盾構(gòu)區(qū)間隧道聯(lián)絡(luò)通道的力學(xué)特性研究較少。本文以橫琴杧洲隧道項目為背景，結(jié)合海域環(huán)境下的工程地質(zhì)環(huán)境，研究聯(lián)絡(luò)通道施工過程對盾構(gòu)隧道管片的結(jié)構(gòu)受力和變形影響，保證在海域環(huán)境下盾構(gòu)隧道聯(lián)絡(luò)通道的施工與運(yùn)營階段的安全。

1 工程背景（橫琴杧洲隧道工程概況）

橫琴杧洲隧道工程位于珠海橫琴一體化區(qū)域，隧道穿越馬騮洲水道，北岸接環(huán)港東路與洪灣大道交叉口，南岸接厚樸道，采用雙管單層雙向六車道盾構(gòu)隧道。盾構(gòu)隧道埋深16.0m～35.0m，外徑14.5m，左線隧道線路全長1995m，其中盾構(gòu)段長945m；右線隧道線路全長2032.15m，其中盾構(gòu)段長978.31m，詳見圖1-2。

圖1 項目總體布置圖

擬建隧道兩側(cè)的吹填砂層中賦存的孔隙水，水量較豐富，且與水道水聯(lián)系緊密，對工程影響較大，使地表發(fā)展較大沉降甚至坍塌，且隧道管片的受力狀態(tài)會隨著隧道埋深、土層參數(shù)和聯(lián)絡(luò)通道施工方法的改變而改變，因此本文將通過數(shù)值模擬，分析不同工況下隧道管片的位移、應(yīng)力、軸力和彎矩等力學(xué)行為，掌握結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，保證結(jié)構(gòu)安全。

2 數(shù)值模擬與參數(shù)分析

2.1 模型建立

由于聯(lián)絡(luò)通道上部地層復(fù)雜，分布不均勻，為簡化建模，對地層結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，采用MidasGTS NS軟件建立“地層-結(jié)構(gòu)”模型并將地層分為5層，沿隧道掘進(jìn)方向29m（相當(dāng)于十環(huán)，每環(huán)2.9m），地層尺寸為80m×80m×80m，如圖2所示；地層單元和二次襯砌按彈性材料考慮，均采用實體單元，管片結(jié)構(gòu)和初支采用板單元，空間交叉結(jié)構(gòu)如圖3～4所示。

圖2 盾構(gòu)隧道標(biāo)準(zhǔn)斷面圖

圖3 地層整體模型圖

圖4 空間交叉結(jié)構(gòu)圖

地層、盾構(gòu)管片、聯(lián)絡(luò)通道初支和二次襯砌的力學(xué)參數(shù)如表1和表2所示。

表1 地層參數(shù)

表2 材料參數(shù)

2.2 分析工況

本文具體工況設(shè)置如下：1）工況一：盾構(gòu)隧道的埋置深度分別19m、24m和29m；2）工況二：三種不同的土層彈性模量分別E=20MPa、50MPa和100MPa；3）工況三：采用兩種不同的施工方法（臺階法和全斷面法）。

2.3 計算結(jié)果

因篇幅有限，僅在工況一列出云圖，其余工況計算結(jié)果以表格形式展示。

2.3.1 工況一：不同的隧道埋深

1）位移分析

（最大值30.27mm，最小值-7.34mm）（最大值48.9mm，最小值-8.51mm）（最大值65.1mm，最小值-11.0mm）

圖6 埋深24m豎向位移云圖

圖7 埋深29m豎向位移云圖

由圖5～7所知，當(dāng)聯(lián)絡(luò)通道施工完成后，埋置深度為19m時，管片頂部至腰部出現(xiàn)最大值為7.34mm向下的位移，產(chǎn)生沉降，管片底部出現(xiàn)30.27mm向上的位移，產(chǎn)生隆起，且隨著埋置深度的增加，管片的沉降量與隆起量均隨之增加，結(jié)果 如表3所示。

圖5 埋深19m豎向位移云圖

表3 不同隧道埋深下管片豎向位移

2）應(yīng)力分析

聯(lián)絡(luò)通道施工完成后，在不同埋置深度下的管片最大主應(yīng)力圖如圖8-9所示。

圖8 埋置深度19m管片最大主應(yīng)力圖

（最大值21.7N/mm2）

圖9 埋置深度24m管片最大主應(yīng)力圖

（最大值26.3N/mm2）（最大值29.6N/mm2）

圖10 埋置深度24m管片最大主應(yīng)力圖

由圖8-10所知，管片最大主應(yīng)力的最大值位于開口處左右側(cè)邊緣中部，即是隧道與聯(lián)絡(luò)通道的連接處。在埋置深度為19m、24m、29m時的最大主應(yīng)力值依次為21.7、26.3、29.6N/mm2，如表4所示，而C60混凝土的極限抗壓強(qiáng)度為35.5N/mm2，三種埋深情況下對應(yīng)的管片最大主應(yīng)力最大值均小于C60混凝土的極限抗壓強(qiáng)度，所以管片并未被破壞，并且管片的最大主應(yīng)力隨著隧道的埋深而呈現(xiàn)增大的規(guī)律，因此，應(yīng)在聯(lián)絡(luò)通道施工前給予相應(yīng)支護(hù)措施。

表4 不同隧道埋深下最大主應(yīng)力最大值

2.3.2 工況二：不同的土層參數(shù)（應(yīng)力分析）

由表5得知，在三種土層參數(shù)情況下，管片的最大主應(yīng)力均處于開口側(cè)邊緣，當(dāng)土層參數(shù)E=20MPa時，管片的最大主應(yīng)力最大值為1.37N/mm2，最小主應(yīng)力33.69N/mm2；當(dāng)土層參數(shù)E=100MPa，管片的最大主應(yīng)力最大值為0.16N/mm2，比在E=20MPa及E=60MPa時的最大主應(yīng)力應(yīng)力值分別減小了65.7%、66.0%，最小主應(yīng)力隨著土層彈性模量的增加分別減小了33.4%、18.4%，C60混凝土的極限壓應(yīng)力為35.5N/mm2，管片屬于安全狀態(tài)，在土層彈性模量增加的情況下，管片無論是受拉還是受壓，數(shù)值都呈現(xiàn)出下降的規(guī)律。

表5 不同土層彈性模量下產(chǎn)生的應(yīng)力值

2.3.3 工況三：不同施工方法

2.3.3.1 位移分析

由表6得知，兩種聯(lián)絡(luò)通道施工方法下管片頂部均發(fā)生沉降，底部產(chǎn)生隆起，發(fā)生部位也都為管片開口處，臺階法下管片最大沉降值30.28mm，最大隆起量為7.34mm，而全斷面法下管片最大沉降值為30.80mm，最大隆起量為5.50mm，因此，臺階法較全斷面法沉降值小，但隆起值較大，因為沉降量帶來的影響大于隆起量所帶來的影響，所以，選擇臺階法施工方法進(jìn)行聯(lián)絡(luò)通道的施工較為合適。

表6 聯(lián)絡(luò)通道不同施工方法管片豎向位移

2.3.3.2 應(yīng)力分析

由表7得知，在臺階法、全斷面法工況下，最大壓應(yīng)力最大值均發(fā)生在開挖1/3時期，應(yīng)力值分別為26.72N/mm2、26.87N/mm2，且都是發(fā)生在管片開口處邊緣.隧道管片所承受的最大應(yīng)力值為使用全斷面法開挖時的最大應(yīng)力值，為26.87N/mm2，而C60混凝土的極限壓應(yīng)力為35.5N/mm2，盡管管片結(jié)構(gòu)處于安全階段，但在施工方法的選擇上，臺階法較為合適。

表7 不同施工方法在不同施工階段管片最大應(yīng)力表

3 結(jié)語

依托橫琴杧洲隧道工程，運(yùn)用理論分析和數(shù)值模擬分析了開挖聯(lián)絡(luò)通道后其結(jié)構(gòu)以及隧道管片的力學(xué)響應(yīng)，主要結(jié)論如下：1）在聯(lián)絡(luò)通道施工中，三種不同的埋置深度都會使管片頂部至腰部產(chǎn)生沉降；管片的底部產(chǎn)生隆起，且管片的變形主要處在與聯(lián)絡(luò)通道的交接處，因此，在施工前應(yīng)選擇合適的埋置深度做好相應(yīng)支護(hù)措施；2）在聯(lián)絡(luò)通道施工中，土層彈性模量的增加使得盾構(gòu)管片最大應(yīng)力呈現(xiàn)出下降的規(guī)律，且三種彈性模量下管片所受最大壓應(yīng)力小于C60混凝土的極限壓應(yīng)力，管片屬于安全狀態(tài)；3）臺階法的施工方法下的管片沉降值較全斷面下的沉降值要小，并且使用全斷面法開挖時的管片最大應(yīng)力值較臺階法更接近C60混凝土的極限壓應(yīng)力，因此，臺階法比全斷面法在聯(lián)絡(luò)通道施工中更為合適。