橫琴隧道主洞與匝道施工相互影響研究*

姜輝

(中鐵十六局集團(tuán) 路橋工程有限公司,北京 101500)

為適應(yīng)日益增長(zhǎng)的經(jīng)濟(jì)和交通發(fā)展要求,大斷面小凈距隧道建設(shè)越來(lái)越多,洞內(nèi)分叉隧道結(jié)構(gòu)形式日漸增多。由于這類(lèi)低扁平率隧道結(jié)構(gòu)形式的特殊性,其雙洞施工相互影響較大。針對(duì)大斷面小凈距隧道,龔建伍、夏才初等通過(guò)理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè),對(duì)大斷面小凈距隧道設(shè)計(jì)施工若干問(wèn)題進(jìn)行分析,結(jié)合公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范和普氏圍巖壓力理論,提出了大斷面小凈距公路隧道圍巖壓力與荷載分析模式,指出了施工開(kāi)挖對(duì)圍巖變形和穩(wěn)定性影響的時(shí)空效應(yīng)及影響范圍,提出了大斷面小凈距隧道施工的合理凈距取值的判斷準(zhǔn)則,在最小合理凈距研究的基礎(chǔ)上提出了隧道巖柱加固的基本原則和凈距范圍；王康等從應(yīng)力集中度的角度對(duì)隧道的圍巖力學(xué)特征進(jìn)行分析,在考慮施工過(guò)程中先行洞和后行洞相互影響的前提下,進(jìn)行了淺埋和深埋情況下超大斷面小凈距隧道圍巖壓力計(jì)算方法和公式推導(dǎo)；高璋生采用數(shù)值模擬及理論計(jì)算方法,對(duì)大斷面小凈距隧道拱頂位移、地表沉降、中間巖柱位移及圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行了對(duì)比分析；丁改改等針對(duì)西安地鐵一號(hào)線非等大斷面小凈距隧道進(jìn)行數(shù)值模擬,對(duì)不同施工方案進(jìn)行了比選；羅玉虎等通過(guò)數(shù)值模擬,采用不同施工方案及步驟對(duì)隧道圍巖變形、地表沉降、圍巖應(yīng)力進(jìn)行了對(duì)比分析；劉毅、張英杰等對(duì)分叉隧道設(shè)計(jì)與施工方法進(jìn)行了探討與論證；王忠昶等對(duì)分叉隧道施工對(duì)主隧道的影響、橫通隧道開(kāi)挖對(duì)主隧道的影響進(jìn)行了分析。但對(duì)洞內(nèi)分叉隧道的研究較少。該文對(duì)洞內(nèi)分叉隧道主洞與匝道施工的相互影響進(jìn)行分析。

1 工程概況

珠海大橫琴山一號(hào)隧道小凈距段里程為A匝道AK0＋233—271(長(zhǎng)38 m)、B匝道BK0＋299—357(長(zhǎng)58 m)、右線 YK1＋099—134(長(zhǎng)35 m)、左線ZK1＋038—107(長(zhǎng)69 m)；極小凈距里程為A匝道 AK0＋271—305(長(zhǎng)34 m)、B匝道BK0＋244—299(長(zhǎng)55 m)、右線 YK1＋134—166(長(zhǎng)32 m)、左線ZK1＋107—155(長(zhǎng)48 m)。其中A匝道與右線小凈距與極小凈距交界處兩洞凈距為5.16 m,B匝道與左線小凈距與極小凈距交界處兩洞凈距為5.23 m。模擬模型選取斷面里程YK1＋099(斷面a)、YK1＋115(斷面b)、YK1＋134(斷面c)、YK1＋150(斷面d,見(jiàn)圖1),兩斷面間距分別為13.09、10.02、5.16、3.21 m,埋深分別為54、58、63、69 m。兩洞采用臺(tái)階法開(kāi)挖,錨噴支護(hù)、鋼筋網(wǎng)和鋼拱架聯(lián)合支護(hù)體系,C25砼厚度24 cm。

圖1 小凈距段所選斷面位置

2 有限元模型的建立

建立180 m×150 m平面實(shí)體單元模型模擬土體結(jié)構(gòu)；采用3.5 m梁?jiǎn)卧Ｐ湍M錨桿結(jié)構(gòu),在隧道起拱線以上設(shè)置錨桿；采用梁?jiǎn)卧M支護(hù)結(jié)構(gòu)。對(duì)土體模型下部邊界的X、Y方向及左右邊界的X方向進(jìn)行約束。模型網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖2。主線與匝道均采用臺(tái)階法開(kāi)挖,施工步序?yàn)樵训郎吓_(tái)階→匝道下臺(tái)階→主線上臺(tái)階→主線下臺(tái)階。土體開(kāi)挖后即施加初期支護(hù)及錨桿。

圖2 模型面網(wǎng)格劃分

圍巖為中～微風(fēng)化花崗巖,級(jí)別為Ⅲ級(jí),采用摩爾－庫(kù)倫土體本構(gòu)模型模擬。圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)

3 數(shù)值模擬分析

3.1 位移分析

隧道開(kāi)挖后,即使及時(shí)進(jìn)行支護(hù),由于應(yīng)力釋放,巖體也會(huì)產(chǎn)生位移。通過(guò)有限元模擬觀察圍巖位移變化,有利于明確圍巖最不利部位,確定圍巖位移監(jiān)測(cè)著重點(diǎn)。圖3為隧道開(kāi)挖后斷面a的位移。

由圖3可知：各隧道空洞上下的中部位置均產(chǎn)生了較大位移,上部向下沉降,下部向上隆起,水平位移小于豎向位移,且后行洞對(duì)先行洞產(chǎn)生一定影響(見(jiàn)圖4)。

圖3 斷面a位移云圖(單位：m)

圖4 小凈距斷面a雙洞施工的相互影響

由圖4可知：后行洞開(kāi)挖對(duì)先行洞有一定影響。從豎向位移來(lái)看,拱頂位移增大,對(duì)仰拱處的影響則很小；從水平位移來(lái)看,先行洞的邊墻處出現(xiàn)位移變化,后行洞一側(cè)的位移向洞內(nèi)收斂,遠(yuǎn)離后行洞一側(cè)的位移則略微向遠(yuǎn)離后行洞的一側(cè)擴(kuò)張。

表2為各隧道斷面匝道與主線拱頂位移。由表2可知：隨著兩隧道凈距的減小,匝道與主線的拱頂位移增大。說(shuō)明隨著凈距的減小,中夾巖柱的支撐作用減小,兩隧道相互影響更嚴(yán)重,隧道穩(wěn)定性降低。在兩隧道凈距小的地方施工時(shí),需對(duì)中夾巖柱進(jìn)行加固,對(duì)隧道拱頂沉降及周邊位移進(jìn)行監(jiān)控,防止隧道失穩(wěn)破壞。

表2 不同小凈距斷面匝道與主洞拱頂位移

3.2 主應(yīng)力分析

圖5為隧道開(kāi)挖時(shí)最大和最小主應(yīng)力分布。

圖5 不同小凈距段各斷面雙洞施工主應(yīng)力云圖(單位：Pa)

從圖5可看出：隧道在拱腳及邊墻位置產(chǎn)生較明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象,中夾巖柱處亦存在明顯的應(yīng)力集中區(qū),會(huì)對(duì)隧道的穩(wěn)定性產(chǎn)生一定影響,開(kāi)挖過(guò)程中應(yīng)對(duì)這部分巖柱實(shí)施加固。由于匝道與主線隨著里程越來(lái)越接近,中夾巖柱的寬度越來(lái)越小,當(dāng)兩隧道凈距越來(lái)越小時(shí),中夾巖柱的應(yīng)力集中越來(lái)越明顯,穩(wěn)定性也越來(lái)越差。在中夾巖柱寬度變小時(shí),需通過(guò)錨固錨桿或其他手段對(duì)中夾巖柱進(jìn)行加固,增強(qiáng)中夾巖柱及兩隧道施工過(guò)程的穩(wěn)定性。

3.3 支護(hù)軸力、彎矩分析

支護(hù)結(jié)構(gòu)的軸力及彎矩變化見(jiàn)圖6。

由圖6可知：主線開(kāi)挖后,主線隧道一側(cè)的支護(hù)結(jié)構(gòu)軸力及彎矩均變小,說(shuō)明主線開(kāi)挖對(duì)匝道處隧道有一定泄壓作用,但同時(shí)要注意中夾巖柱的穩(wěn)定性。隨著兩隧道凈距的減小,先行洞靠近后行洞一側(cè)的支護(hù)結(jié)構(gòu)的軸力及彎矩減小越明顯。

圖6 不同小凈距段各斷面雙洞施工襯砌內(nèi)力分布

4 結(jié)論

(1)隨著兩隧道凈距的減小,匝道與主線的拱頂位移增大,中夾巖柱的支撐作用減小,兩隧道相互影響更嚴(yán)重,隧道穩(wěn)定性降低。在兩隧道凈距小的地方施工時(shí),需對(duì)中夾巖柱進(jìn)行加固,對(duì)隧道拱頂沉降及周邊位移進(jìn)行監(jiān)控,防止隧道失穩(wěn)破壞。

(2)后行洞開(kāi)挖對(duì)先行洞有一定影響。從豎向位移來(lái)看,拱頂位移增大,對(duì)仰拱處的影響則很小；從水平位移來(lái)看,先行洞的邊墻處位移發(fā)生變化,后行洞一側(cè)的位移向洞內(nèi)收斂,遠(yuǎn)離后行洞一側(cè)的位移略微向遠(yuǎn)離后行洞的一側(cè)擴(kuò)張。

(3)隧道在拱腳及邊墻位置產(chǎn)生較明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象,中夾巖柱處亦存在明顯的應(yīng)力集中區(qū),會(huì)對(duì)隧道的穩(wěn)定性產(chǎn)生一定影響。在隧道開(kāi)挖過(guò)程中應(yīng)對(duì)這部分巖柱實(shí)施加固,防止其發(fā)生破壞。同時(shí)由于匝道與主線隨著里程越來(lái)越接近,中夾巖柱的寬度越來(lái)越小,兩隧道凈距越來(lái)越小時(shí),中夾巖柱的應(yīng)力集中越來(lái)越明顯,穩(wěn)定性也越來(lái)越差。在中夾巖柱寬度變小時(shí),需通過(guò)錨固錨桿或其他手段對(duì)中夾巖柱進(jìn)行加固,增強(qiáng)中夾巖柱及兩隧道施工的穩(wěn)定性。

(4)主線開(kāi)挖后,主線隧道一側(cè)支護(hù)結(jié)構(gòu)的軸力及彎矩均變小,主線開(kāi)挖對(duì)匝道處隧道有一定泄壓作用,但同時(shí)要注意中夾巖柱的穩(wěn)定性。隨著兩隧道凈距的減小,先行洞靠近后行洞一側(cè)支護(hù)結(jié)構(gòu)的軸力及彎矩減小越明顯。