立體交叉隧道施工力學行為研究

王樂明，徐 坤

(1.鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300251;2.西南交通大學土木工程學院，成都 610031)

隨著我國交通事業的不斷發展，由于受地質條件或線路要求的限制以及地下空間的開發利用，出現了越來越多的近距離交疊隧道。目前交叉重疊隧道多集中在地鐵盾構隧道中，山嶺隧道也多局限于既有隧道與新建隧道之間的近接施工，多個交疊隧道，尤其是極小間距(如本文中有效間距為1.58 m)隧道同時施工的情況尚不多見。新建隧道在既有隧道上方或下方通過時，既有隧道圍巖在經過當初的擾動之后經過長時間的應力重分布現已處于新的穩定狀態;但是同期施工的新建交疊隧道的應力重分布過程更為復雜，圍巖受到的擾動次數更為頻繁，施工難度更大。從當前國內外的研究來看，此類隧道在施工時，先施工隧道對初始應力場產生擾動，后施工隧道開挖是在已經發生擾動的地層中進行;同時后開挖的隧道必將對已開挖隧道支護結構發生作用，整個圍巖以及隧道支護結構的力學過程明顯不同于一般單孔隧道施工過程［1］。由于交叉隧道間的相互影響使之在施工上更難于控制，如何將相互影響減小到最低程度，是交疊隧道設計和施工的核心問題［2］。

鑒于此，采用有限元數值模擬方法，對新建鐵路呂梁至臨縣支線中義圪垛3號隧道下穿義圪垛1號、2號隧道的施工過程進行數值模擬，對兩種不同工序下的計算結果進行對比分析，以期獲得最佳的施工順序并指導后續的設計、施工。

1 工程概況

呂(梁)臨(縣)支線鐵路由于受線路限制，義圪垛3號隧道在DBK38+250～DBK38+360段先后下穿義圪垛1號及義圪垛2號隧道，下穿隧道拱頂距上跨隧道仰拱底部分別約為1.58 m、2.92 m，平面交角分別為35°32'、40°20'，隧道交叉重疊段落平面示意如圖 1所示。

該段圍巖為強風化～弱風化砂泥巖，節理裂隙發育，巖體較破碎，存在少量基巖裂隙水，圍巖級別為Ⅳ級。隧道設計為單洞單線，凈高6.77 m，凈寬5.85 m，下穿隧道初期支護噴射10 cm厚C25混凝土，二次襯砌為60 cm厚C40鋼筋混凝土。交叉段隧道周邊巖體采用玻纖錨桿及砂漿錨桿進行加固，錨桿長度為2.5 m，交叉段采用銑挖法施工，其余段采用礦山法施工。

圖1 交疊隧道平面示意(單位:m)

2 數值模型的建立

2.1 計算基本假定

由于隧址區圍巖較為破碎，模擬計算時假設圍巖為單一、均質的連續介質，其物理力學性質根據工程地質勘察資料并結合規范來取值。超前預支護的加固效果，根據經驗通過提高圍巖的物理力學參數來模擬，一般將圍巖級別提高一級。同樣，錨桿的作用效果也通過提高圍巖參數的方法進行等效模擬，交疊影響段圍巖加固區可將圍巖黏聚力提高20%來處理。計算沒有考慮鋼筋網的作用效果，可作為結構的安全儲備考慮［3-4］。

由于隧道埋深較淺，初始應力場根據巖體的自重應力場計算得到。巖體的本構關系采用理想彈塑性模型，并服從Mohr-Coulomb屈服準則;初期支護、臨時支護及二次襯砌均采用理想彈性材料來模擬。

2.2 計算模型及邊界條件

本文計算考慮時間和空間效應、地層和支護結構在交叉隧道施工過程中的相互作用，同時考慮計算效率和合理利用計算資源，將兩隧道簡化為正交。

模型邊界條件根據隧道力學經驗，橫向取至距隧道邊界約3～5倍洞徑，豎向取至距隧道底部約2～3倍洞徑［6］。因上跨義圪垛1、2號隧道兩隧道中線線間距約為67 m，隧道開挖應力互不疊加，故本次分析只取一個交叉點，其中2號隧道與3號隧道之間的近接距離最小，故本次選取2號隧道與3號隧道交疊部位作為研究對象。根據本工程實際，模型橫縱向均取81 m，隧道上方按實際埋深考慮，下方取30 m作為本次計算的范圍。邊界條件為:左右方向水平約束;前后面軸向約束;下邊界垂直方向約束，地表為自由面。整個模型共劃分為225 771個單元，236 786個節點。計算模型見圖2及圖3，物理力學參數如表1所示。

圖2 有限元總體模型

圖3 交叉隧道空間相對位置

表1 材料物理力學參數

2.3 施工步驟

圖4 加固區應力、位移與塑性區云圖

對于同時新建立體交疊隧道來說，最為關心的問題是上下兩座隧道施工先后順序對隧道安全性及受力影響程度最小。因此，本文采用兩種工況對隧道施工進行數值模擬。

工況1:先采用上下臺階法進行上跨2號隧道開挖，待2號隧道上跨部分施工完成后再施工3號下穿隧道。為減小對交叉重疊段落圍巖的二次擾動，3號隧道在施工到20～61 m范圍內采用銑挖法開挖，并采用玻纖維錨桿對拱部進行加固。

工況2:先采用臺階法進行下穿3號隧道開挖，并采用玻纖維錨桿對3號隧道20～61 m范圍隧道拱部圍巖進行加固，待3號隧道下穿部分施工完成后，開始進行上跨2號隧道開挖。2號隧道在施工到20～61 m范圍內采用銑挖法開挖，使2號隧道施工對圍巖及3號隧道擾動程度最小。

3 計算結果分析

2號與3號隧道之間近接的預加固圍巖受到的擾動最大，在隧道開挖時圍巖會經歷多次應力調整，這部分巖體在施工中的變化過程通過應力、位移及塑性區進行描述。

研究工況1時，為清楚表達圍巖受力及位移演變規律，選取2號隧道x=0 m處為研究斷面，當3號隧道開挖時對圍巖應力、位移及塑性區進行分析。研究工況2時，選取3號隧道y=-40.5 m處為研究斷面，當2號隧道開挖時對圍巖應力、位移及塑性區進行分析。同時對兩種工況開挖完成后研究斷面處支護結構受力進行分析。

3.1 工況1圍巖應力、位移及塑性區分析

通過數值計算得到工況1條件下2號與3號隧道之間加固區應力、位移與塑性區云圖(圖4)及兩座隧道研究斷面處支護結構受力情況(圖5);3號隧道開挖對研究斷面處應力、位移與塑性區變化情況(圖6)。

從加固區圍巖應力、位移及塑性區云圖中可以看出，最小主應力全為壓應力，其最大值出現在3號隧道拱肩處，最大主應力在2號隧道拱腳處出現局部拉應力，但是范圍很小;圍巖豎向位移最大值出現在3號隧道拱頂處，為8.65 mm，小于《鐵路隧道設計規范》規定的位移值［5］;塑性區在兩座隧道交疊處達到最大值，范圍在2號隧道中心兩側17 m左右。可見3號隧道拱頂處圍巖是施工中最薄弱環節，在開挖時應加強支護。

圖5 工況1條件下兩座隧道研究斷面處支護結構受力

從工況1施工完成后，兩座隧道研究斷面處支護受力云圖中可以看出，其最大值均出現在拱部，2號隧道支護受力最大值為6.92 MPa要小于3號隧道支護受力最大值9.61 MPa，分析起來主要有兩個方面的原因:一是2號隧道埋深要淺，二是3號隧道開挖引起的卸荷作用使得支護受力更大。

在工況1條件下，從3號隧道開挖引起2號隧道特征點圍巖應力隨開挖步變化曲線中可以看出最大與最小主應力均未出現拉應力，最大與最小主應力在開挖步10～40之間出現較為明顯的變化，最小主應力最大值出現拱頂處，左邊墻值最小，其余部位應力值相當;最大主應力在各個特征點值差別不大，最大與最小主應力最大值均為超過Ⅳ級圍巖極限壓應力值［5］。從3號隧道開挖引起2號隧道特征點圍巖位移、塑性區隨開挖步變化曲線中可以看出在開挖步0～40之間豎向位移值變化較快，隨后變化趨于平緩;塑性區在開挖步0～30之間發生較為明顯的變化，隨后塑性區值基本穩定，最大值為5.2 m，出現左右墻角處，系統錨桿的長度不能滿足塑性區深度的要求，可以通過加長錨桿長度并在墻角處打設鎖腳錨桿來改善圍巖受力，防止墻角出現較大的應力集中［6-7］。

3.2 工況2圍巖應力、位移及塑性區分析

通過數值計算得到工況2條件下2號與3號隧道之間加固區應力、位移與塑性區云圖(圖7)及兩座隧道研究斷面處支護結構受力情況(圖8);以及2號隧道開挖對研究斷面處應力、位移與塑性區變化情況(圖9)。

圖6 2號隧道圍巖特征點應力、位移及塑性區變化曲線

圖7 加固區應力、位移與塑性區云圖

從加固區圍巖應力、位移及塑性區云圖中可以看出，最大主應力、最小主應力及豎向位移出現部位及值與工況1基本相當，但是工況2塑性區范圍為3號隧道中心兩側11 m左右，要小于工況1塑性區范圍。

圖8 工況2條件下兩座隧道研究斷面處支護結構受力

從工況2施工完成后，兩座隧道研究斷面處支護受力云圖中可以看出，其最大值亦出現在拱部，2號隧道支護受力最大值為6.94 MPa與工況1受力相當;3號隧道支護受力最大值為11.34MPa要大于工況1最大值9.61 MPa，究其原因主要是因為2號隧道開挖引起圍巖應力重分布與卸荷作用更為明顯。但是支護受力均未超過C25噴射混凝土的彎曲抗壓強度設計值13.5 MPa［5］，可以認為支護結構是安全的。

圖9 3號隧道圍巖特征點應力、位移及塑性區變化曲線

在工況2條件下，從2號隧道開挖引起3號隧道特征點圍巖應力隨開挖步變化曲線中可以看出最小主應力在右邊墻出現拉應力，這與2號隧道存在一定的橫向偏壓有關，在施工中應注意加強支護，防止圍巖出現受拉破壞，最大與最小主應力在開挖步0～60之間變化較為明顯，最小主應力最大值出現拱頂處;最大主應力在右邊墻處最小，其余部位應力值差別不大。從2號隧道開挖引起3號隧道特征點圍巖位移、塑性區隨開挖步變化曲線中可以看出在開挖步0～2之間豎向位移值有向上變化的趨勢，這是由于2號隧道開挖在3號隧道頂部產生了一個應力低值區，隧道有上臺的趨勢;塑性區在開挖步2～50之間變化較為明顯，隨后塑性區值基本穩定，最大值為5.6 m，出現右拱腰處，其次為左右墻角處，須通過加長系統錨桿長度和在墻角處打設鎖腳錨桿來改善圍巖受力，防止圍巖出現較大的應力集中。

4 結論

對義圪垛2號與3號隧道施工先后順序進行兩種工況的數值模擬，可以得出以下結論。

(1)交疊隧道間巖體的穩定性是近接施工中最為核心的部分，從兩種工況下近接巖體應力、位移及塑性區分析結果可以看出，兩者應力及位移大小差別不大，但是工況1條件下垂直近接處塑性區要遠遠大于工況2條件塑性區值。

(2)兩種工況條件下，研究斷面支護受力最大值均出現在拱部，最大主應力值基本相等，工況2條件下支護結構受到的最小主應力值要大于工況1條件下最小主應力值，但是兩者均未超過C25噴射混凝土的彎曲抗壓強度設計值13.5 MPa，因此兩種工況下支護結構都是安全的。

(3)對比兩種工況下研究斷面處隧道圍巖特征點應力、位移及塑性區隨開挖步變化曲線可以看出，后施工隧道開挖引起圍巖應力多次重分布，由于2號隧道存在偏壓，在工況2條件下右墻角處出現拉應力，施工中應注意加強支護，工況1條件下最小主應力最大值要大于工況2條件下最小主應力值;兩種工況下均在左右墻角處出現較大的塑性區，需通過加長系統錨桿的長度并在墻角處打設鎖腳錨桿來改善圍巖受力，防止巖體出現較大的應力集中。

綜上所述，工況2即先施工下部隧道然后再開挖上部隧道是較為理想的方案。在施工上部隧道時，應調整施工方案，將礦山法施工范圍縮小，加大銑挖法開挖范圍，使得上部2號隧道開挖對3號隧道圍巖及支護結構的影響降到最低。

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