隧道交疊段變形規律及支護應力研究

閆鑫雨

(中交第二航務工程局有限公司 武漢 430040)

隨著國家交通建設快速發展，山嶺多丘地區高等級公路建設不可避免地會出現在建隧道下穿既有公路隧道的情況，目前，許多學者和工程師對于交疊隧道之間的相互影響進行了研究，取得了豐富的研究成果。研究表明，當交疊隧道中在建隧道施工過程存在埋深淺、近距離、圍巖差等不利影響因素，研究下穿過程中的在建隧道施工力學問題和既有運營隧道的變形問題至關重要[1-2]。王清標等[3]針對近距離交疊隧道施工過程中的襯砌變形和應力-應變關系，通過有限元計算，對不同開挖方式進行了研究。張耀軍[4]對零間距下穿既有隧道的隧道施工工法進行了優化，同時提出了一些控制措施。

眾多研究結果表明，交疊隧道施工過程圍巖擾動、施工動力學機理，以及結構應力-應變關系極為復雜，目前，對于交疊隧道的施工過程相互影響更多是針對新建隧道的圍巖變形收斂進行分析，但既有隧道底板變形直接影響通車安全，更應進行針對性研究。

本文以某公路隧道交疊段為對象，對四洞分離式隧道開挖進行全過程數值模擬，研究開挖過程對既有隧道底板變形的影響及新建隧道支護應力及圍巖變形機理，同時針對四洞下穿這一特殊工況，尋求合理施工措施，以為類似隧道施工提供借鑒。

1 工程概況

某在建國道隧道斷面形成四洞分離式隧道，四洞依次下穿既有繞城高速隧道，平面交角約64°，繞城隧道交叉范圍(右線YK54+260-470，左線ZK54+240-450)，國道隧道與繞城隧道間豎向凈距24～28 m，目前繞城隧道已雙線貫通。下穿區域埋深在300 m左右。

在建隧道為中間布置雙洞八車道主路隧道，兩側布置雙洞雙向四車道輔路隧道，隧道布置型式見圖1。洞身大部分段落以相鄰隧道凈距大于25 m控制，主路、輔路隧道進出口端均為小凈距隧道形式，洞身為分離式隧道形式，主路隧道最大開挖跨度為20.21 m，最大開挖高度為13.81 m，輔路隧道最大開挖跨度為12.18 m，最大開挖高度為10.03 m。

圖1 交疊隧道剖面關系坐標圖

2 新建隧道變形規律及支護應力分析

2.1 計算參數

在建隧址區上部為第四系坡積層，下伏基巖為侏羅系凝灰熔巖及其風化層，根據其風化程度分為全風化凝灰熔巖、砂土狀凝灰熔巖、碎塊狀凝灰熔巖、中風化凝灰熔巖。根據相關公路設計規范及地勘報告資料，模擬計算參數見表1。

表1 圍巖計算參數表

對于初支鋼拱架的作用采用等效方法計算，即將鋼拱架的彈性模量折算給混凝土，其計算方法為

式中：Ec為折算后混凝土彈性模量，GPa；E0為原混凝土彈性模量，GPa；As為鋼拱架截面面積，cm2；Es為鋼材彈性模量，GPa；Ac為混凝土截面面積，cm2。

2.2 計算工況

新建四洞分離式隧道開挖順序為先開挖左右兩輔洞，輔洞開挖完成后，再進行左主洞開挖然后進行右主洞開挖。根據圍巖地質和隧道實際情況，進洞采用雙側壁導坑法施工，洞身開挖施工采用上臺階預留核心土法施工。

2.3 模型建立

隧道開挖對圍巖影響范圍有限，一般在3～5倍洞徑范圍，取整個模型尺寸長220 m×寬200 m×高144 m，模型尺寸足以消除邊界效應對計算結果的影響。其計算模型見圖2。

圖2 計算模型(單位:m)

模型中新建隧道初支采用板單元單元模擬，暫不考慮二襯，對已貫通隧道的支護僅考慮二次襯砌的作用。超前支護等效為周邊土體參數的加強。邊界條件為除了模型上表面為自由面外，其余面均采用法向位移約束，計算中僅考慮自重荷載作用。為簡化計算過程，對隧道穿越地層網格尺寸適當加大，網格大小依據從外邊界圍巖到隧道結構由疏到密的原則，隧道結構本身與圍巖接觸部分范圍采用細密單元。隧道網格尺寸劃分保證耦合。

計算中模擬了開挖、施做初期支護的全過程，以及施工期間開挖釋放荷載的分步釋放，即開挖釋放荷載由圍巖和初期支護共同分擔，開挖結束時荷載釋放率為 40%，而在完成初期支護施作后，再釋放 30%的荷載，荷載釋放率在定義施工階段中通過設置荷載釋放系數LDF實現。

2.4 計算結果與分析

2.4.1圍巖應力

隧道開挖過程中，地下結構圍巖最可能的破壞形式是剪切破壞?？紤]隧道交疊下穿，通過圍巖應力計算模擬，分析隧道開挖后圍巖拉壓應力狀態。最后施工步的圍巖第一、 三主應力見圖3、圖4。

圖3 圍巖第一主應力云圖

圖4 圍巖第三主應力云圖

由圖3可見， 最大主拉應力為 0.58 MPa，最大主壓應力為5.73 MPa，可知隨著隧道開挖，產生了較大的附加應力，拱腳處于受拉狀態，局部出現應力集中。圍巖為微風化凝灰熔巖，易受地質活動影響發育密集節理帶，對支護結構安全造成不利影響，隧道開挖中應對拱腳位置采取相應措施，防止應力集中發生垮塌。

2.4.2新建隧道變形

新建隧道開挖模擬結束后位移云圖見圖5、圖6。

圖5 新建隧道豎向位移云圖

圖6 新建隧道水平位移云圖

由圖5、圖6可見，隧道開挖后，豎向位移最大值出現在兩主洞隧道拱頂部位，其最大拱頂沉降值為6.83 mm，水平位移最值出現在主洞左右邊墻部位，最大水平位移為1.39 mm。在交疊隧道施工影響區內，沉降最大值出現在交叉隧道中心線對應的上方地表，距離中心線越遠，地表沉降越小。

2.4.3支護應力

新建隧道開挖后，初支上最大拉應力為9.26 MPa，最大壓應力為14.97 MPa，設計初支采用C25混凝土，其極限抗拉強度為2.0 MPa，極限抗壓強度為19.0 MPa，故可以看出初支不會發生壓壞的情況，在主洞左右邊墻角部位可能出現局部拉裂破壞。支護應力結果圖見圖7和圖8。

圖7 新建隧道初支最大主應力云圖

圖8 新建隧道初支最小主應力云圖

3 下穿隧道施工對既有運營隧道影響分析

根據上述模擬研究，重點研究下穿四洞分離式隧道施工對既有運營隧道影響分析，取受下穿隧道施工影響最大的控制因素——既有運營隧道底板變形進行分析。既有隧道底板沉降曲線見圖9，新建隧道開挖對既有線底板豎向位移影響見圖10。

圖9 既有隧道底板沉降曲線

圖10 新建隧道開挖對既有線底板豎向位移影響曲線

計算結果表明，新建隧道施工對既有線的沉降會產生一定的影響，由圖9可見，既有線沉降最大位置出現新建隧道主洞頂部上方位置，既有左線隧道最大沉降值3.30 mm，既有右線隧道最大沉降值為3.47 mm。

由圖10可見，在隧道開挖過程中，在開挖距離既有線較遠時，豎向位移影響較小，靠近既有線時豎向位移開挖逐步增大，到達既有線底板下方時，豎向位移變化速率達到最大，繼續往前開挖時，位移變化速率變緩，豎向位移曲線逐漸趨向于平穩。

4 交疊隧道密集節理帶影響區支護結構研究

隧道下穿既有構筑物過程中，通常采用超前大管棚、超前小導管及拱腳加固、掌子面封閉、地表注漿、控制爆破等加固措施[5-6]加固。當新建隧道采用大斷面形式時，通常采用優化開挖、爆破工法等開挖施工方式，同時嚴格控制進尺循環長度等[7-9]。四洞分離式隧道下穿既有隧道過程中，為保證在建隧道施工安全及既有隧道運營安全，對支護結構進行了優化。

交疊隧道臨近施工范圍地層主要為IV級圍巖，同時局部受節理密集帶影響，考慮隧道施工工況，采用荷載結構法對初支結構軸力進行計算，分析局部節理密集帶初支結構受力情況。對于初支結構強度校核，通常以襯砌結構的極限狀態方程判斷結構是否安全，包括彎矩、軸力、偏心距、大小偏心等依據。根據JTG/T D70-2010 《公路隧道設計細則》中10.4.19條和10.4.20條說明建議公式計算，其中安全系數限值通過規范中支護結構計算綜合安全系數確定，其噴混凝土軸力，鋼拱架軸力、彎矩及其安全系數計算結果見表2。

表2 不同工況下噴射混凝土及鋼拱架計算結果

由表2可知，在施工過程中噴混的安全系數最小為5.28，大于規范限值，噴混結構安全性滿足要求；在IV級圍巖一般區域，左右輔洞初支結構鋼拱架的安全系數均滿足規范要求，但在左右主洞開挖的過程中，其鋼拱架的抗拉和抗壓安全系數最小值為0.84和1.01，均小于規范限值2.0，另外由于混凝土早期強度較低，前期主要是鋼拱架起主要承載作用，鋼拱架安全系數較低，在施工中可能出現由于鋼拱架受力過大超過其承載而導致在混凝土尚未起作用時，隧道出現大的變形，進而可能引起塌方，因此建議對局部節理密集帶鋼拱架進行設計優化，保證施工過程安全。

5 結語

1) 在下穿段，新建隧道開挖后，豎向位移最大值出現兩主洞隧道拱頂部位，其最大拱頂沉降值為6.83 mm，水平位移最值出現主洞左右邊墻部位，最大水平位移最值為1.39 mm，計算結果與設計說明中結果差別不大。

2) 在下穿段，新建隧道開挖后，既有線沉降最大位置出現新建隧道主洞頂部上方位置，既有左線隧道最大沉降值3.30 mm，既有右線隧道最大沉降值為3.47 mm。

3) 在下穿段，新建隧道開挖后，初支不會發生壓壞的情況，但在主洞左右邊墻角部位可能出現局部拉裂破壞，施工中應注意采取加固措施和監控量測，保證施工安全。

4) 從初支結構受力上來看，在節理密集影響區域，支護結構中鋼拱架設計偏弱會給在建隧道帶來較大安全風險，為保證隧道施工安全，應對左右主洞的鋼拱架進行加強設計。

5) 分析中未考慮爆破的影響， 并將圍巖理想化為完整連續的各向同性體，在計算過程中，由于考慮了模型簡化，部分荷載參數選取參考相關文獻可能與實際有所差異，計算結果僅作為參考，施工過程中實際變形以現場監測為主。下穿過程中，應嚴格控制爆破，對各已貫通隧道進行嚴密監控，確保施工順利進行。