重疊隧道夾角對施工的影響淺析

鄒逸倫

(西南交通大學土木工程學院，四川成都 610031)

近年來，隨著我國施工技術的發展以及對地下空間利用率的提高，重疊隧道越來越多地出現在地下空間規劃、設計、施工中。關于重疊隧道，自它在我國工程建設中出現以來，前人對其進行了許多研究。仇文革系統地分析了地下工程近接施工的力學機理，其中，以深圳地鐵重疊隧道為例，分析了重疊隧道施工時的注意措施及對策[1]。陳先國應用Ansys軟件，分析了重疊隧道對上洞彎矩、軸力、塑性區等的影響[2]。潘明亮研究了運用淺埋暗挖法修建地鐵單洞雙層重疊隧道的技術[3]。張頂立等采用FLAC3D結合現場測試研究了重疊隧道采用暗挖四步臺階法施工時地層三維變形規律[4]。鄭余朝等分析了重疊隧道“先下洞，后上洞”和“先上洞，后下洞”兩種施工工序下結構內力演變[5]。陳壽根等分析了長距離小凈距隧道不同凈距下地層位移及隧道內力，著重分析了凈距對隧道的影響[6-7]。

本文以之前學者的研究為基礎，研究前人很少涉及到的重疊隧道夾角問題。

1 工程背景

本文依托于某規劃中新建地鐵區間左右線，該兩條線為上下斜交重疊隧道，為了研究上下重疊隧道的夾角對施工的影響，本文選取不同夾角進行分析研究。

2 數值模型及參數選取

2.1 數值模型的建立及模型工況選取

為得出研究規律并考慮計算工作量，本次數值計算考慮上下兩隧道間夾角為15 °、30 °、45 °、60 °、75 °和90 °幾種情況，數值計算模型如表1所示。模型尺寸為60 m×60 m×45 m，邊界約束情況為四周和底面進行位移約束，頂面為自由表面。初始應力為土體的自重應力，土體破壞服從摩爾-庫倫準則。不同角度工況如圖1～圖6所示。

2.2 模型參數的選取

數值計算中土體模型及襯砌結構參數如表1所示。

3 計算結果分析

本次數值模擬中下洞隧道為斜隧道，上洞隧道為直隧道，施工順序為先施工下洞，后施工上洞。

(a)模型整體

(b)隧道位置關系

(a)模型整體

(b)隧道位置關系

(a)模型整體

(b)隧道位置關系

(a)模型整體

(b)隧道位置關系

(a)模型整體

(b)隧道位置關系

(a)模型整體

(b)隧道位置關系

編號巖土名稱重度/(kN·m-3)粘聚力/kPa內摩擦角/°彈性模量/MPa泊松比1素填土18.52010.2500.322粉土19.8828.0140.303粉細砂19.2633.11350.264圓礫20.2537.91650.255粉砂20.0634.01370.256襯砌26--345000.207注漿層22--185000.22

從圖7、圖8可以得出，不同疊交角度的交疊隧道施工對管片結構沉降具有不同的影響效應。最主要的表現為，當兩隧道疊交角度小于45 °時，影響區域范圍較大，整體沉降呈緩而平的趨勢。且隧道差異沉降隨疊交角度的增大而增大。當疊交角度大于45 °時，差異沉降區域趨于平穩，影響區域為距離隧道交叉中心左右約15 m范圍(去除隧道開挖直徑，則該范圍為開挖輪廓左右各12 m范圍，即2D范圍)。從上洞隧道管片拱頂和仰拱處差異沉降大小看，上洞平均拱頂沉降約為20 mm，仰拱沉降約為5 mm，各工況差異沉降基本相同，表明隧道在開挖過程中，管片是協調變形的。從差異沉降在隧道的分配情況分析，可得結論，交疊隧道夾角越小，平均每節管片分擔差異沉降越小，管片受力越均勻。故對于大角度交疊的情況，為避免交疊處管片因差異沉降過大造成應力集中，施工中應視掘進情況進行必要的補強加固。

圖7 上洞隧道施工完畢后的拱頂處沉降

圖8 上洞隧道施工完畢后的仰拱隆起

圖9～圖14顯示了不同疊交角度交疊隧道施工過程中管片附加應力的變化情況。為簡潔明了地說明問題，這里僅以豎向應力Szz為例進行說明。從上圖可以明顯的看出，在隧道由小角度逐漸變化為大角度交疊的過程中，上洞隧道施工會在交疊區域下洞管片內部產生明顯的附加應力。根據附加應力情況進行分析，可知，上洞隧道在開挖施工過程中，由于卸載作用，交疊區域卸載作用更為明顯，導致下洞襯砌結構發生隆起變形，在襯砌內部產生拉應力。同時，由于上下交疊隧道的相互作用，上洞隧道在交疊區域的應力狀態也發生明顯變化，具體表現為上洞隧道拱底處拉應力明顯增大。拱頂壓應力在大交疊角度的情況下，也出現明顯增大的情況，從附加應力的分布情況看，主要分布在疊交點左右約15 m范圍。綜合以上分析，基本可以認為交疊區域的影響主要是由于上洞隧道開挖卸載，使交疊區域的夾巖變松軟，上下隧道襯砌在施工完成后，上洞隧道在交疊區域產生下沉變形，下洞隧道產生隆起變形。

圖9 夾角為15°時管片附加應力

圖10 夾角為30°時管片附加應力

圖11 夾角為45°時管片附加應力

圖12 夾角為60°時管片附加應力

圖13 夾角為75°時管片附加應力

4 結論

(1)交疊隧道疊交角度對隧道施工有一定影響，具體表現為在交疊區域附近，上洞隧道開挖會使上下兩隧道整體產生擠壓夾巖效應，從而使襯砌結構產生差異變形。當交疊角度小于45 °時，該差異變形在隧道襯砌結構內部被多節管片均擔，隧道整體變形趨勢緩而平，對管片結構受力影響較小；相反，當交疊角度大于45 °時，該差異沉降由交疊區域附近一定范圍的管片環分擔，疊交角度越大，襯砌整體變形曲率越大，在管片內部應力集中越明顯。

圖14 夾角為90°時管片附加應力

(2)從附加應力的分布范圍，以及前述管片差異沉降范圍判斷，交疊隧道當疊交角度較大時，會在以交疊點為中心，距隧道中心軸線左右各15 m范圍內產生較明顯的擾動影響，且離交疊點中心越近，擾動越大，附加應力越大。因而，交疊隧道在進行施工時，該區域為施工控制應重點關注區域。

(3)重疊隧道施工時，應該及時進行監控量測，必要時可以采用加強注漿等加強支護的行為。