新建公路與鐵路隧道小凈距交叉段施工方案研究

吳枋胤，何 川，潘文韜，寇 昊，謝金池，董增春，晏啟祥

(1.西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實驗室,成都 610031; 2.浙江數(shù)智交院科技股份有限公司,杭州 310013)

近年來,隨著我國客運(yùn)和貨運(yùn)總量逐年增長,鐵路和高速公路項目得到了快速發(fā)展[1-3]。同時,對路網(wǎng)的需求也逐年提高,同一區(qū)域內(nèi)單一的交通運(yùn)輸方式已難以滿足發(fā)展的需要,因此,公路隧道與鐵路隧道交叉工程會越來越多,這就提出了更高要求的施工質(zhì)量﹑施工周期以及施工安全性[4-5]。如何在確保工程建設(shè)滿足質(zhì)量與性能要求的前提下,使二者交叉的影響降到最低,并提出適宜的施工方案,就成為目前需要重點(diǎn)研究的問題。

針對公路隧道與鐵路隧道交叉施工的擾動,國內(nèi)外許多學(xué)者開展了相關(guān)研究。KULESZA R、WILSON J M[6-7]研究了既有BART隧道上方新建MUNI隧道項目,在設(shè)計階段進(jìn)行基于BART隧道的位移允許值研究,提出既有隧道工程的測量監(jiān)控方案和流程;徐柯、陸莎莎[8-9]通過建立有限元模型,模擬了多因素對交叉工程施工中鐵路路基的變形情況,分析了公路、鐵路交叉工程主要危險源和安全風(fēng)險因素,提出了相應(yīng)的安全風(fēng)險評估指標(biāo)體系;張建[10]在單一隧道及兩重疊隧道施工后的彈性二次應(yīng)力狀態(tài)和單一隧道施工后,彈塑性二次應(yīng)力狀態(tài)及三次應(yīng)力狀態(tài)分布規(guī)律的基礎(chǔ)上,進(jìn)行了交叉隧道的施工力學(xué)研究,提出了預(yù)防新建隧道正交下穿施工引起既有隧道應(yīng)力變化較大的措施;先正平[11]采用有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬分析,研究高速公路荷載施加前后鐵路隧道結(jié)構(gòu)受力和安全系數(shù)的變化情況;黃海斌[12]針對新建隧道下穿既有鐵路隧道施工安全性問題,基于有限元摩爾-庫倫原理對不同施工工法的三維隧道交叉模型進(jìn)行模擬分析。

在小凈距隧道施工方案上,目前的研究主要涉及施工順序、二襯施作時機(jī)以及施工工法上。在施工順序研究方面,趙俞成[13]基于砂土亞塑性本構(gòu)考慮土體小應(yīng)變剛度,通過數(shù)值模擬軟件分析了不同施工順序下上下交叉隧道影響;劉金剛[14]通過數(shù)值計算對不同施工順序下超小凈距交叉段圍巖與隧道結(jié)構(gòu)受力變形進(jìn)行探究,得出最為適宜的施工工法。在二襯影響研究方面,目前較少有針對小凈距隧道的研究,多針對大變形隧道與采空區(qū)隧道等領(lǐng)域[15-16],以及有關(guān)于二襯安全性與結(jié)構(gòu)受力的相關(guān)研究。在施工工法研究方面,陳衛(wèi)忠[17]通過數(shù)值模擬結(jié)合現(xiàn)場安全控制要求,提出上下交叉隧道合理施工工法,并通過現(xiàn)場檢測情況驗證相關(guān)施工工法的正確性;文鑫[18]通過數(shù)值模擬方法對4種不同施工工法下交叉隧道圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行了研究,結(jié)果表明,交叉段采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法,主通道采用單側(cè)壁導(dǎo)坑法時隧道結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性最佳。

綜上,目前針對公路隧道與鐵路隧道交叉施工的影響與施工方案,大多數(shù)研究僅限于新建隧道對既有隧道的影響。對于公路隧道與鐵路隧道均為新建,其交叉段的施工影響研究較少。并且甬舟公鐵路中交叉隧道最小凈距僅3.09 m,類似工程案例較少,鑒于此,依托甬舟公鐵路隧道中2個典型小凈距交叉段工程(雙螺1號公路隧道上穿大曬網(wǎng)村1號鐵路隧道、天彩坑崗公路隧道上穿雙石巖鐵路隧道),通過數(shù)值計算分析了小凈距隧道施工擾動、施工順序、二襯施作時機(jī)、施工工法等方面,確定極小凈距交叉隧道施工方案,為類似工程施工提供借鑒及參考。

1 工程概況

甬舟路網(wǎng)建設(shè)包括甬舟公路與甬舟鐵路兩部分,其中高速公路起于寧波鎮(zhèn)海接寧波繞城公路,經(jīng)舟山金塘島、冊子島、富翅島、里釣島,跨越5個水道和灰鱉洋,止于舟山本島接大陸連島接線,全長約46 km,是高速公路網(wǎng)G92杭州灣地區(qū)環(huán)線的聯(lián)絡(luò)線。目前舟山僅有甬舟高速1條公路運(yùn)輸通道,尚不通鐵路,擬修建的甬舟鐵路采用與公路對稱布置平層斷面,代表性工程有金塘海底隧道、西堠門大橋主橋等。因而甬舟公鐵路建設(shè)對于浙江交通發(fā)展具有重要意義。

甬舟公路與鐵路修建過程中面臨小凈距交叉隧道施工問題,其中代表性工程為雙螺1號公路隧道上穿大曬網(wǎng)村1號鐵路隧道及天彩坑崗公路隧道上穿雙石巖鐵路隧道,線路中公路隧道與鐵路隧道分屬于甬舟公路與甬舟鐵路。

1.1 雙螺1號公路隧道上穿大曬網(wǎng)村1號鐵路隧道

雙螺1號公路隧道與大曬網(wǎng)村1號鐵路隧道設(shè)計線路近乎平行,鐵路隧道位于公路隧道雙洞之間,關(guān)于三洞平行隧道的相關(guān)研究已有許多,故本文不做分析,但位于公路左右線里程ZK33+280、YK33+167處的車行橫通道與鐵路隧道最小結(jié)構(gòu)凈距僅3.09 m,相互影響較大。由地勘資料可知,該段為丘陵斜坡,植被覆蓋,隧道埋深50～104 m,下伏基巖為白堊系九里坪組流紋巖,流紋狀構(gòu)造,圍巖綜合評定為Ⅲ級。隧道交叉段示意如圖1所示。

圖1 雙螺1號公路隧道橫通道與鐵路隧道關(guān)系示意

1.2 天彩坑崗公路隧道右線上穿雙石巖鐵路隧道

天彩坑崗公路隧道右線與雙石巖鐵路隧道交叉段里程為YK41+577.5,鐵路隧道和公路隧道洞徑分別為12.8 m和15.6 m。該段為丘陵斜坡,植被覆蓋,隧道埋深83～155 m,擬建雙石巖鐵路隧道位于公路隧道下方?；鶐r為晚侏羅世潛火山巖流紋巖,流紋狀構(gòu)造,節(jié)理較發(fā)育,強(qiáng)風(fēng)化呈灰白色。

2 數(shù)值模型與計算工況

2.1 隧道建模及假定

由于交叉隧道建模較為復(fù)雜,因而首先參照CAD圖紙建立隧道不同工法下的三維橫斷面線框,將線框?qū)隦HINO中,通過拉伸及布爾運(yùn)算等方式建立三維實體模型,在ANSYS中進(jìn)行網(wǎng)格劃分,導(dǎo)入FLAC用于后續(xù)計算。

雙螺1號公路隧道與鐵路隧道模型邊界寬為車行橫通道長度,在模型頂部施加等效重力荷載2.55 MPa;天彩坑崗公路隧道右線上穿雙石巖鐵路隧道模型邊界為3倍洞徑。模型四周及底部設(shè)置法向約束,數(shù)值計算模型中初支采用shell單元,圍巖及二襯采用實體單元[19],錨桿、小導(dǎo)管通過cable單元來模擬,初支厚度0.2 m,二襯厚度0.5 m,二襯在掌子面后20 m施作。圍巖與襯砌結(jié)構(gòu)滿足Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則[20]。

2.2 雙螺1號公路隧道上穿大曬網(wǎng)村1號鐵路隧道模型及參數(shù)

雙螺1號公路隧道橫通道上穿大曬網(wǎng)村1號鐵路隧道模型示意如圖3所示,支護(hù)結(jié)構(gòu)示意如圖4所示,上下最小凈距僅為3.09 m,屬小凈距隧道。

圖3 雙螺1號公路隧道上穿大曬網(wǎng)村1號鐵路隧道計算模型

圖4 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)模型

根據(jù)現(xiàn)場踏勘資料結(jié)合圍巖等級確定隧道圍巖參數(shù),如表1所示。

表1 隧道圍巖參數(shù)

2.3 天彩坑崗公路隧道右線上穿雙石巖鐵路隧道模型及參數(shù)

天彩坑崗公路隧道上穿雙石巖鐵路隧道模型示意如圖5所示,上下凈距最小為13.5 m。模型計算參數(shù)與表1一致。

圖5 天彩坑崗公路隧道右線上穿雙石巖鐵路隧道數(shù)值計算模型

2.4 計算工況

雙螺1號公路隧道上穿大曬網(wǎng)村1號鐵路隧道與天彩坑崗公路隧道上穿雙石巖鐵路隧道計算工況與思路一致,為避免多個變量對計算結(jié)果分析的影響,需提前確定其他參量。首先分析施工順序,控制鐵路隧道均施作二襯的方式,并考慮圍巖整體較好(Ⅲ級圍巖),因而控制變量均采用全斷面施工;其次考慮二襯施作時機(jī);最后,在最優(yōu)施工方案下,改變施工工法并進(jìn)行橫向?qū)Ρ确治?得到合理施工工法。相關(guān)計算工況如表2所示。

表2 計算工況

3 雙螺1號公路隧道上穿大曬網(wǎng)村1號鐵路隧道計算結(jié)果分析

3.1 合理施工順序研究

(1)塑性區(qū)分布

提取不同施工順序下鐵路隧道及公路隧道橫剖面圍巖塑性區(qū)分布如圖6所示,兩種工況塑性區(qū)分布較為相近,塑性區(qū)主要分布在兩洞四周,橫通道拱頂位置塑性區(qū)較小,無論采用何種施工順序,交叉段塑性區(qū)發(fā)生貫通,圍巖處于不穩(wěn)定狀態(tài),工況1中僅在橫通道下側(cè)以及鐵路隧道上側(cè)部位發(fā)生張拉剪切破壞,而工況2開挖時在兩洞四周較大范圍都發(fā)生了張拉剪切破壞,因而工況2更為不利。

圖6 不同施工順序下圍巖塑性區(qū)分布

由圖6可知,下部鐵路隧道后開挖造成上部巖體擾動損傷,塑性區(qū)范圍擴(kuò)大。上部公路隧道橫通道后開挖由于斷面較小,擾動范圍也較小,且不受鐵路隧道開挖的影響。對比分析兩工況塑性區(qū)范圍,總體來說工況1要優(yōu)于工況2,即鐵路隧道先行開挖要優(yōu)于公路隧道橫通道先行開挖。

(2)初支受力

不同開挖順序下初支應(yīng)力對比如表3所示,無論采用何種施工順序,初支壓應(yīng)力均出現(xiàn)在交叉隧道連線部位,鐵路隧道初支拉應(yīng)力出現(xiàn)在拱底,而公路隧道初支拉應(yīng)力出現(xiàn)在左右邊墻位置。

表3 不同開挖順序下初支應(yīng)力對比 MPa

比較表3可知,工況2相比工況1會造成公路隧道橫通道初支最大壓應(yīng)力以及鐵路隧道初支最大拉應(yīng)力較大幅度增長,因工況2對開挖穩(wěn)定性而言較為不利,但與此同時也會減小公路橫通道初支拉應(yīng)力。

(3)錨桿受力

不同施工順序下錨桿應(yīng)力如圖7所示,由兩工況錨桿應(yīng)力可知,錨桿應(yīng)力主要集中于隧道拱頂位置。工況1中公路隧道橫通道錨桿最大應(yīng)力約為15.32 MPa,鐵路隧道錨桿最大應(yīng)力約為241.6 MPa;工況2中公路隧道橫通道錨桿最大應(yīng)力約為33.56 MPa,鐵路隧道錨桿最大應(yīng)力約為103.73 MPa。整體來說,鐵路隧道錨桿應(yīng)力數(shù)值較大,而先行開挖隧道會造成該隧道錨桿應(yīng)力顯著增大,雖然不同開挖順序下錨桿應(yīng)力均在荷載承受范圍內(nèi),但出于減小最大錨桿應(yīng)力角度,應(yīng)先開挖公路隧道。

圖7 不同施工順序下錨桿受力分布(單位:Pa)

(4)二襯受力

提取不同施工順序下二襯應(yīng)力如圖8所示,工況1公路隧道橫通道二襯最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在邊墻與拱肩位置,鐵路隧道最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在拱頂;工況2則分別出現(xiàn)在拱底與兩側(cè)邊墻。工況1公路隧道最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在拱底與邊墻,鐵路隧道最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在右拱腰,而工況2則出現(xiàn)在邊墻與拱頂附近。從最大值數(shù)值上來看,先開挖隧洞將會造成二襯最大拉壓應(yīng)力增大,橫通道較為脆弱,是本線的薄弱環(huán)節(jié),應(yīng)該先開挖鐵路隧道來減小橫通道二襯的受力,并且工況2的二襯拉應(yīng)力達(dá)0.74 MPa,可能發(fā)生受拉破壞,因而較為不利。

圖8 不同開挖順序下二襯受力對比

(5)圍巖變形

提取不同施工順序下鐵路隧道與公路隧道拱頂沉降、左拱腰收斂、右拱腰收斂,如圖9～圖11所示。由圖9可知,工況1鐵路隧道拱頂沉降隨著隧道開挖快速增長,后開挖公路隧道時,鐵路隧道拱頂沉降還會略微回彈減小,公路隧道拱頂沉降在公路隧道開挖時快速增長;工況2公路隧道拱頂沉降隨隧道開挖快速增長,此時鐵路隧道拱頂處會出現(xiàn)較為明顯的隆起,隆起的現(xiàn)象在鐵路隧道開挖后逐漸消失,轉(zhuǎn)為快速向下沉降。

圖9 不同開挖順序下拱頂沉降對比

從數(shù)值上來講,先開挖公路隧道拱頂沉降基本不變,鐵路隧道拱頂沉降最終值明顯減小,但由于工況2鐵路隧道開挖過程中經(jīng)歷隆起過程,會對上方已施工的公路隧道橫通道產(chǎn)生不利影響,因而從拱頂沉降分析推薦先開挖鐵路隧道。

由圖10、圖11可知,左右拱腰收斂變化規(guī)律基本一致,從最終數(shù)值上來講,采用何種施工順序影響不大,但不同施工順序會明顯影響左右拱腰數(shù)值變化。工況1鐵路隧道拱腰收斂隨隧道開挖快速增加,后開挖公路隧道時,其數(shù)值有先減小后略微增大趨勢,而公路隧道在鐵路隧道開挖時數(shù)值先減小后略微增大,其后在公路隧道開挖時拱腰收斂明顯增大;工況2公路隧道拱腰收斂在隧道開挖以及鐵路隧道開挖時均有明顯增加,而鐵路隧道拱腰收斂受公路隧道開挖影響較小,在鐵路隧道開挖段其收斂變形快速增大。

圖10 不同開挖順序下左拱腰收斂對比

圖11 不同開挖順序下右拱腰收斂對比

(6)施工順序確定

考慮圍巖塑性區(qū)以及二襯受力等情況,選取塑性區(qū)未廣泛發(fā)生剪切破壞的工況1,并且避免隧道二襯受拉破壞,同時從前文數(shù)值模擬結(jié)果中可以看到,先開挖隧道會造成其二襯、錨桿等受力增大,后開挖隧道受力較小,考慮橫通道是相對薄弱的部位,其受力不能太大,因而,先開挖鐵路隧道對橫通道進(jìn)行保護(hù)。因此,雙螺1號公路隧道車行橫通道與大曬網(wǎng)村1號鐵路隧道交叉段的合理開挖順序建議為:鐵路隧道-公路隧道橫通道。

3.2 鐵路隧道二襯施作時機(jī)影響研究

提取鐵路隧道不同二襯施作時機(jī)下(在公路隧道開挖前施作或開挖后施作)公路及鐵路隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力如表4所示。從表4可知,大曬網(wǎng)村1號鐵路隧道二襯施作時機(jī)對交叉段有較大影響。除公路隧道初支拉應(yīng)力變化不大外,無論是初支應(yīng)力還是錨桿應(yīng)力,鐵路隧道與橫通道受力在公路隧道開挖后再施作二襯的情況下均有較大幅度增大,因而,建議鐵路隧道施作二襯后再進(jìn)行公路隧道開挖以保證安全。

表4 不同二襯施作時機(jī)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力結(jié)果對比 MPa

3.3 合理施工工法研究

為研究雙螺1號公路隧道與大曬網(wǎng)村1號鐵路隧道交叉段施工工法影響,提出公路隧道橫通道和鐵路隧道適宜施工工法。公路隧道橫通道采用全斷面及兩臺階法開挖,鐵路隧道采用全斷面、臺階法、CD法開挖,如圖12所示。工況1為鐵路隧道與公路橫通道均采用全斷面開挖;工況4為鐵路隧道與公路橫通道均采用臺階法開挖;工況5為鐵路隧道采用CD法開挖,公路橫通道采用臺階法開挖。

圖12 隧道不同施工工法示意

(1)支護(hù)結(jié)構(gòu)受拉

不同施工工法下支護(hù)結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力對比如圖13所示,從圖13可知,全斷面下支護(hù)結(jié)構(gòu)受力穩(wěn)定性較好,支護(hù)結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力數(shù)值也較小;而采用臺階法后支護(hù)結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力進(jìn)一步增大;CD法下支護(hù)結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力最大。主要原因在于隧道圍巖為Ⅲ級,圍巖條件較好,此時采用全斷面能較好發(fā)揮圍巖優(yōu)勢,避免分臺階以及分部開挖對圍巖造成的二次擾動,并且考慮全斷面開挖施工速度快、成本低,因而,從支護(hù)結(jié)構(gòu)受拉出發(fā)因選擇全斷面開挖方式。

圖13 不同施工工法支護(hù)結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力對比

(2)支護(hù)結(jié)構(gòu)受壓

不同施工工法下公路隧道、鐵路隧道初支壓應(yīng)力分布分別如圖14、圖15所示,全斷面-臺階法-CD法公路隧道初支壓應(yīng)力最大值逐漸減小,鐵路隧道初支壓應(yīng)力最大值逐漸增大;從出現(xiàn)部位上來說,全斷面轉(zhuǎn)化為臺階法以及CD法,公路隧道初支最大壓應(yīng)力由左邊墻轉(zhuǎn)移到左拱腰,鐵路隧道初支最大壓應(yīng)力由拱頂轉(zhuǎn)移到左拱腰。

圖14 不同施工工法公路隧道初支壓應(yīng)力對比(單位:MPa)

圖15 不同施工工法鐵路隧道初支壓應(yīng)力對比(單位:MPa)

從初支壓應(yīng)力分布來說,無論是公路隧道橫通道還是鐵路隧道,臺階法施工方式會導(dǎo)致初支應(yīng)力往上臺階轉(zhuǎn)移,CD法施工方式會導(dǎo)致初支壓應(yīng)力往左側(cè)轉(zhuǎn)移,這主要是由施工方式?jīng)Q定的,因而,從初支壓應(yīng)力均勻分布角度應(yīng)選擇全斷面開挖。

不同施工工法下公路隧道、鐵路隧道二襯壓應(yīng)力數(shù)值如表5所示。從表5可知,全斷面-臺階法-CD法二襯壓應(yīng)力整體逐漸減小,公路隧道二襯壓應(yīng)力在臺階法時最優(yōu),鐵路隧道二襯壓應(yīng)力在CD法時最優(yōu)。

表5 不同施工工法二襯壓應(yīng)力對比 MPa

(3)錨桿受力

不同施工工法下公路隧道、鐵路隧道錨桿受力如表6所示,全斷面開挖公路隧道錨桿應(yīng)力最優(yōu),臺階法開挖鐵路隧道錨桿應(yīng)力最優(yōu)。

表6 不同施工工法錨桿受力對比 MPa

(4)施工工法確定

不同工法下圍巖隧道受力變形結(jié)果如表7所示,由表可知,工況4(均采用臺階法開挖)僅在鐵路隧道錨桿應(yīng)力以及二襯壓應(yīng)力上有優(yōu)勢;工況5(橫通道采用臺階法,鐵路隧道采用CD法)在橫通道上初支與二襯壓應(yīng)力上有優(yōu)勢;而工況1(均采用全斷面開挖)在初支與二襯拉應(yīng)力、橫通道錨桿受力以及鐵路隧道初支壓應(yīng)力方面均較為優(yōu)秀,并且此時初支壓應(yīng)力分布更為均勻,考慮全斷面開挖施工速度快、成本低,并且由于隧道圍巖為Ⅲ級,圍巖條件較好,考慮施工條件及工期,建議鐵路隧道采用全斷面法開挖。

表7 不同施工工法對比 MPa

4 天彩坑崗公路隧道右線上穿雙石巖鐵路隧道計算結(jié)果分析

4.1 合理施工順序研究

(1)塑性區(qū)分布

提取不同施工順序下圍巖塑性區(qū)分布如圖16所示。由圖16可知,隧道塑性區(qū)集中在開挖范圍頂部和下部,以及公路右線與鐵路隧道中夾巖處,由于超前小導(dǎo)管的作用,在小導(dǎo)管施作范圍內(nèi)塑性區(qū)范圍明顯較小,鐵路隧道與公路隧道右線間凈距13.5 m,兩洞先后開挖擾動影響對中夾巖造成了累計損傷,導(dǎo)致兩洞間中夾巖處塑性區(qū)范圍增大。對比分析工況1、工況2的塑性區(qū)范圍,總體來說工況1要優(yōu)于工況2,即鐵路隧道先行開挖要優(yōu)于公路隧道先行開挖。并且隧道塑性區(qū)分布相比3.1節(jié)明顯減小,表明增大隧道凈距對于控制塑性區(qū)的作用效果顯著。

圖16 不同施工順序下圍巖塑性區(qū)分布

(2)結(jié)構(gòu)受力

提取中間斷面位置處初支變形與初支最大壓應(yīng)力,如圖17所示。

圖17 不同施工順序下初支受力變形(變形單位:m;應(yīng)力單位:Pa)

公路隧道初支變形主要集中在拱頂,鐵路隧道初支變形主要集中在右拱肩,初支最大壓應(yīng)力在拱腳處取最大值,為9.01～13.88 MPa。從量值上來說,工況1依然為最優(yōu)工況,這與前述塑性區(qū)分析及圍巖位移分析中的結(jié)果一致,先開挖公路隧道會全面增大初支受力以及變形。

(3)錨桿受力

提取中間斷面位置處錨桿受力如圖18所示。錨桿最大應(yīng)力主要出現(xiàn)在鐵路隧道拱頂至右拱肩之間,從數(shù)值上來說,先開挖鐵路隧道錨桿最大受力為49.94 kN,而先開挖公路隧道錨桿最大受力為57.02 kN,因而先開挖鐵路隧道的方式更為有利。

圖18 不同施工順序下錨桿受力分布(單位:N)

(4)圍巖變形

圍巖隧道變形云圖以工況1為例,如圖19所示,不同施工順序隧道變形數(shù)值如表8所示。

表8 不同施工順序圍巖隧道最大變形對比 mm

圖19 工況1圍巖隧道變形云圖(單位:m)

由圖19及表8可知,整體來說水平變形發(fā)生在左右拱腰,豎向沉降發(fā)生在拱頂,豎向隆起發(fā)生在拱底;公路隧道與鐵路隧道的水平變形區(qū)發(fā)生貫通,主要由于兩者凈距較小,表明兩者水平變形互相影響,并且由于計算段埋深較小,圍巖隧道變形以豎向位移為主,且位移量明顯受地形影響,不論開挖順序如何,雙石巖鐵路隧道洞周位移始終最大。對比工況1、工況2可知,水平位移由大至小為工況2>工況1;豎直隆起位移由大至小為工況2>工況1,由此對比可知,公路隧道應(yīng)在鐵路隧道施工完成后再開挖更為合理,因此,天彩坑崗公路隧道與雙石巖鐵路隧道交叉段的合理開挖順序為:鐵路隧道-公路隧道右線。

(5)施工順序確定

鐵路隧道先行開挖在塑性區(qū)分布、初支變形與受力、圍巖變形以及錨桿受力等方面均更為優(yōu)異,因而天彩坑崗公路隧道與雙石巖鐵路隧道交叉段的合理開挖順序為:鐵路隧道-公路隧道右線。并且天彩坑崗公路隧道右線上穿雙石巖鐵路隧道工程相較雙螺1號公路隧道上穿大曬網(wǎng)村1號鐵路隧道工程隧道凈距大,計算所得的施工擾動更小,表明隧道凈距增加可以減小施工擾動,并且在不同凈距下均推薦采用下行隧道先行的施工順序。

4.2 鐵路隧道二襯施作時機(jī)影響研究

(1)塑性區(qū)分布

鐵路隧道不同二襯施作時機(jī)情況下圍巖塑性區(qū)分布如圖20所示,工況3中鐵路隧道二襯在公路隧道開挖后施作,與工況1中在公路隧道開挖前施作的結(jié)果對比可以看出,塑性區(qū)范圍大幅增大,增大范圍主要在鐵路隧道四周,而且在隧道拱底出現(xiàn)正在發(fā)育的塑性區(qū)。因此,工況1明顯要優(yōu)于工況3,即鐵路隧道二襯在公路隧道開挖前施作對圍巖塑性區(qū)分布更有利。

圖20 不同二襯施作時機(jī)下圍巖塑性區(qū)分布對比

(2)支護(hù)結(jié)構(gòu)與錨桿受力

鐵路隧道不同二襯施作時機(jī)下初支最大壓應(yīng)力與錨桿軸向受拉如表9所示。后施作二襯工況,初支最大壓應(yīng)力以及錨桿受力均有明顯增大,考慮初支壓應(yīng)力過大易造成混凝土開裂,因而,建議選用鐵路隧道先施作二襯的方式。

表9 鐵路隧道不同二襯施作時機(jī)下初支與錨桿受力

(3)圍巖隧道變形

提取鐵路隧道不同二襯施作時機(jī)下圍巖隧道變形如圖21所示。從圖21可知,鐵路隧道二襯后施作時圍巖隧道變形均有較為明顯增大,其中對隧道洞周變形以及初支變形的增加效果最為明顯,因而,出于安全角度應(yīng)在公路隧道開挖前施作二襯。

圖21 不同二襯施作時機(jī)下圍巖隧道變形

(4)二襯施作時機(jī)

綜上所示,后施作二襯時,圍巖塑性區(qū)、初支變形、錨桿受力以及圍巖隧道變形均有較為明顯增大,因而,建議雙石巖鐵路隧道施作二襯后再進(jìn)行后續(xù)施工。

4.3 合理施工工法研究

(1)塑性區(qū)分布

工況4和工況5塑性區(qū)分布如圖22所示,并將相關(guān)結(jié)果與工況1進(jìn)行比較可知,3種工況下塑性區(qū)范圍相差不大。與工況1相比,工況4公路隧道右線拱底部的塑性區(qū)范圍有所減少;工況5出現(xiàn)了張拉塑性區(qū)。總體來說,工況4略好,即采用臺階法開挖施工。

圖22 工況4、工況5塑性區(qū)分布

(2)支護(hù)結(jié)構(gòu)與錨桿受力

不同工法下初支與錨桿受力如圖23所示,從圖23可知,初支壓應(yīng)力在工況4中取得最小值,錨桿軸向拉力最小值在工況1取得,工況1、工況4、工況5錨桿軸向拉力最大值都在鐵路隧道中取得,由于鐵路隧道開挖時受到擾動更大,因此,軸向拉力更大,但其值都遠(yuǎn)小于錨桿屈服強(qiáng)度。

圖23 不同工法下初支與錨桿受力情況

(3)圍巖隧道變形

不同施工工況下圍巖隧道變形如圖24所示。從圖24可知,從全斷面—臺階法—CD法,地表及拱頂沉降、洞周收斂先增加后減小,全斷面施工時變形最小,初支變形臺階法最小,全斷面次之,總體來說,從圍巖隧道變形上分析全斷面最優(yōu)。

圖24 不同工法下圍巖隧道變形情況

(4)施工工法確定

綜上所述,不同工法下圍巖隧道受力變形情況如表10所示,臺階法施工方式在初支受壓以及初支變形上最優(yōu),全斷面施工方式在地表變形、洞周變形、錨桿受力上最優(yōu),考慮圍巖條件較好,并且結(jié)合施工的難易程度,全斷面施工較為便捷經(jīng)濟(jì),因而推薦選用全斷面施工。

表10 施工工法比選

(5)兩種交叉隧道施工方案

總結(jié)前文關(guān)于甬舟公鐵路中兩個典型小凈距交叉段工程相關(guān)研究,針對大交角交叉隧道與小交角交叉隧道,推薦下方隧道先行施工,上方隧道施工前下方隧道二襯應(yīng)施工完畢,并在Ⅲ級圍巖下可采用全斷面施工,兩種交叉隧道施工方案建議如表11所示。

表11 兩種交叉隧道施工方案建議

4 結(jié)論與展望

依托甬舟公鐵路中雙螺1號公路隧道橫通道上穿大曬網(wǎng)村1號鐵路隧道、天彩坑崗公路隧道右線上穿雙石巖鐵路隧道兩個典型小凈距交叉段工程,通過數(shù)值計算分析了小凈距隧道施工擾動、施工順序、二襯施作時機(jī)、施工工法的影響,主要研究結(jié)論如下。

(1)隧道極小凈距上穿時,塑性區(qū)貫通,初支應(yīng)力出現(xiàn)在交叉隧道連線處;隧道小凈距上穿時,塑性區(qū)集中于隧道上下側(cè)及交叉隧道中夾巖處,交叉隧道水平變形區(qū)域發(fā)生貫通且公路隧道拱頂初支發(fā)生較大變形。建議優(yōu)先施工下方隧道,并在上方隧道施工前施作二襯。

(2)Ⅲ級圍巖下,隧道上穿施工建議結(jié)合施工難度與掘進(jìn)速度選用全斷面法。

文中主要研究確定小凈距隧道施工方案,山區(qū)隧道多采用爆破法施工,爆破振動下小凈距交叉隧道安全性、結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)以及超前加固方式與參數(shù)對小凈距交叉隧道施工影響,有待進(jìn)一步展開研究,后續(xù)重點(diǎn)研究小凈距交叉隧道爆破影響與預(yù)加固措施。