不同工況下橫通道開挖對隧道結構影響分析

王 蒙 高明德

(中鐵城建集團北京工程有限公司，100020，北京//第一作者，高級工程師)

為服務于多線隧道后期的安全運營及日常維護工作，施工過程中經常需要修建用于連接兩條平行隧道的橫通道[1-3]。橫通道的數量根據工程實際需求確定。橫通道施工空間有限，而且其施工過程可能會對主線隧道的穩定性產生不利影響[4-5]，因此，橫通道的設計、施工難度都相對較大。

為降低橫通道施工對主線隧道的擾動，施工前通常需對地層進行預加固處理，并采取必要的支護措施。預加固的具體參數需結合地表情況、地質參數、隧道與橫通道的結構尺寸等因素綜合確定[6]。本文采用FLAC 3D軟件，對橫通道開挖過程及其對主線隧道產生的影響等進行模擬計算分析，以期為橫通道優化設計及開挖施工提供一定的借鑒作用。

1 仿真模型

1.1 建立仿真模型

為了評估橫通道開挖施工對外部環境的影響，采用FLAC 3D軟件建立參數化仿真分析模型。假定服從摩爾庫倫準則并采用總應力法，分別使用非摩擦材料(內摩擦角φ=0)和摩擦材料(φ≠0)進行參數分析。其中，非摩擦材料土體采用不排水抗剪強度(cu)計算。所建模型為隧道的交叉部位，主要包括兩條平行主線隧道，以及與其相連的小尺寸橫通道(見圖1)。

主線隧道采用護盾式盾構機進行開挖施工。在仿真計算中，盾構機掘進及橫通道開挖過程均采用逐步開挖方法進行模擬：① 開挖直徑為4 m；② 在同一個施工步內，施加新的環形襯砌單元來支護前一開挖步；③ 重復進行計算步直到橫通道開挖結束。

圖1 隧道開挖仿真計算模型

1.2 設定邊界參數

仿真計算條件中設置了4種不同的黏性土體、3種不同的摩擦土體、9種不同的幾何尺寸(主要參數為隧道上覆土厚度H及兩主線隧道間距D)。具體設定情況如下：

(1) 將不同的H及D看作是隧道直徑d的函數，分別定義了3種不同的覆土厚度(H=2d，H=3d，H=4d)和3個不同的主線隧道間距(D=2d，D=4d，D=5d)。

(2) 針對黏性土體工況分析過程，假設黏性土的不排水強度cu隨深度呈線性變化，其他巖土參數都是常數(泊松比ν=0.3，內摩擦角φ=0，密度γ=19 kN/m3，滲透系數k0=0.7)。

(3) 針對摩擦土體工況分析過程，假設所有巖土力學參數都是常數，其值分別為：ν=0.3，黏聚力c=0，γ=17 kN/m3，k0=0.7；φ分別為35°、40°、45°。并假定彈性模量是密度的函數。

2 位移影響分析

2.1 垂直位移分析

2.1.1 變化趨勢分析

對H=2d、D=2d條件下的黏性土層(cu=40+3Z，kPa；其中，Z為垂向坐標值(m)，Z=0為地面,向上為正)及摩擦土層(φ=45°)進行模擬，計算主線隧道軸線上方及橫通道中心線上方土體的垂向位移變化情況。分析結果如圖2所示。

由圖2可以看出，主線隧道軸線上方的垂向位移隨深度增加而增大，而橫通道中心線上方的垂向位移隨深度增加而減小。此外，兩種土體的垂向位移變化趨勢相同。

2.1.2 影響因素分析

不同條件下的黏性土層、摩擦土層對橫通道中心線上方垂直位移變化的影響模擬計算結果如圖3所示。計算結果表明：黏性土層下的橫通道中心線上方垂直位移隨土體黏聚力和彈性模量的增加而減小；摩擦土體地層下的橫通道中心線上方垂直位移隨土體內摩擦角和彈性模量的增加而減小。

圖2 不同地層垂向位移變化趨勢曲線(H=2d、D=2d)

圖3 不同地層橫通道中心線上方土體垂直位移曲線

2.1.3 開挖過程分析

在每一步的橫通道開挖與襯砌施工之后，都定義了對應的垂向位移變量。圖4為橫通道黏性土層及摩擦土層掘進過程中其中心線上方土體的垂向位移情況。

a) 黏性土層(cu=40+3Z)

b) 摩擦土層(φ=45°)

由圖4可知，隨著橫通道逐步向前開挖，兩種地層橫通道中心線上方垂向位移均呈增大趨勢。

2.2 地表沉降分析

對不同條件的黏性土層及摩擦土層地表沉降情況進行模擬分析，并采用常規解析法對摩擦土層中地表沉降進行了計算與對比。分析結果基本一致。通過總結分析模擬計算數據，提出了橫通道開挖前地表沉降公式：

(1)

式中：

S——地表沉降；

x、y——與cu有關的常數。

由上述分析結果可知，橫通道開挖行為與地表沉降增量之間關系為：

Δ=2.81-0.02cu

(2)

式中：

Δ——由于橫通道開挖導致的主線隧道上方地表沉降增量，mm。

3 隧道襯砌受力影響分析

3.1 影響因素分析

受橫通道開挖作用影響最大的部位在隧道襯砌拱頂處。以D=4d為例，不同地層條件下，橫通道開挖后主線隧道拱頂位置彎矩及軸力分布情況如圖5～6所示。

a) D=4d時的隧道襯砌拱頂彎矩

b) D=4d時的隧道襯砌拱頂軸力

a) D=4d時的隧道襯砌拱頂彎矩

b)D=4d時的隧道襯砌拱頂軸力

研究結果表明：隧道間距、隧道埋深是影響橫通道開挖對主線隧道襯砌受力作用大小的重要因素。隨著隧道埋深的增加，先行施工的主線隧道襯砌彎矩呈增大趨勢，軸力呈減小趨勢。

3.2 襯砌受力分析

3.2.1 對先行隧道襯砌內力影響

橫通道開挖引起的先行施工主線隧道襯砌內力增減比例情況如表1所示。

由表1可知，黏性土層中的橫通道開挖對隧道拱頂彎矩的影響較大,摩擦土層中的橫通道開挖對隧道拱頂軸力的影響也較大，其幅度均達到20%。

3.2.2 對橫通道襯砌內力影響

在黏性土層(cu=40+3Z)、摩擦土層(φ=40°)條件下，對橫通道第一環襯砌彎矩、軸力受橫通道后期開挖步的影響進行計算分析。橫通道開挖引起的橫通道第一環襯砌內力變化情況如表2所示。

表1 橫通道開挖引起的先行施工主線隧道襯砌內力變化情況

表2 橫通道開挖引起的橫通道第一環襯砌內力變化表

3.2.3 對后行隧道襯砌內力影響

在黏性土層(cu=40+3Z)和摩擦土層(φ=40°)條件下，對橫通道開挖對與其連接處的后行主線隧道襯砌內力影響情況也進行了分析計算。橫通道開挖最后幾個計算步引起的后行主線隧道襯砌內力變化情況如表3所示。

表3 橫通道開挖引起的后行主線隧道襯砌內力變化情況

4 結論

(1) 隧道襯砌結構設計是隧道整體設計與施工的關鍵環節之一，需充分考慮橫通道開挖對襯砌內力的影響。基于數值模擬軟件分析所得計算結果，有助于控制地質條件、幾何條件、橫通道開挖對隧道襯砌內力所帶來的不利影響。

(2) 隨著橫通道向前掘進，橫通道中心線上方的垂向位移和地表沉降都增加了。這一影響在橫通道中心線上方比在主線隧道上方更加顯著。不同地質條件和幾何尺寸對主線隧道上方和橫通道中心線上方的地表沉降影響也不盡相同。

(3) 隨著橫通道的開挖，先行施工隧道拱頂處的襯砌彎矩和邊墻處的襯砌軸力呈增加趨勢。后行隧道邊墻和拱頂處的彎矩，以及邊墻處的軸力在橫通道開挖結束的幾個計算步中呈增加趨勢。