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 路橋工程有限公司,北京 101500)

為適應(yīng)日益增長的經(jīng)濟和交通發(fā)展要求,大斷面小凈距隧道建設(shè)越來越多,洞內(nèi)分叉隧道結(jié)構(gòu)形式日漸增多。由于這類低扁平率隧道結(jié)構(gòu)形式的特殊性,其雙洞施工相互影響較大。針對大斷面小凈距隧道,龔建伍、夏才初等通過理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)控量測,對大斷面小凈距隧道設(shè)計施工若干問題進行分析,結(jié)合公路隧道設(shè)計規(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,指出了施工開挖對圍巖變形和穩(wěn)定性影響的時空效應(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)力集中度的角度對隧道的圍巖力學(xué)特征進行分析,在考慮施工過程中先行洞和后行洞相互影響的前提下,進行了淺埋和深埋情況下超大斷面小凈距隧道圍巖壓力計算方法和公式推導(dǎo)；高璋生采用數(shù)值模擬及理論計算方法,對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)定性進行了對比分析；丁改改等針對西安地鐵一號線非等大斷面小凈距隧道進行數(shù)值模擬,對不同施工方案進行了比選；羅玉虎等通過數(shù)值模擬,采用不同施工方案及步驟對隧道圍巖變形、地表沉降、圍巖應(yīng)力進行了對比分析；劉毅、張英杰等對分叉隧道設(shè)計與施工方法進行了探討與論證；王忠昶等對分叉隧道施工對主隧道的影響、橫通隧道開挖對主隧道的影響進行了分析。但對洞內(nèi)分叉隧道的研究較少。該文對洞內(nèi)分叉隧道主洞與匝道施工的相互影響進行分析。

1 工程概況

珠海大橫琴山一號隧道小凈距段里程為A匝道AK0＋233—271(長38 m)、B匝道BK0＋299—357(長58 m)、右線 YK1＋099—134(長35 m)、左線ZK1＋038—107(長69 m)；極小凈距里程為A匝道 AK0＋271—305(長34 m)、B匝道BK0＋244—299(長55 m)、右線 YK1＋134—166(長32 m)、左線ZK1＋107—155(長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。兩洞采用臺階法開挖,錨噴支護、鋼筋網(wǎng)和鋼拱架聯(lián)合支護體系,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平面實體單元模型模擬土體結(jié)構(gòu)；采用3.5 m梁單元模型模擬錨桿結(jié)構(gòu),在隧道起拱線以上設(shè)置錨桿；采用梁單元模擬支護結(jié)構(gòu)。對土體模型下部邊界的X、Y方向及左右邊界的X方向進行約束。模型網(wǎng)格劃分見圖2。主線與匝道均采用臺階法開挖,施工步序為匝道上臺階→匝道下臺階→主線上臺階→主線下臺階。土體開挖后即施加初期支護及錨桿。

圖2 模型面網(wǎng)格劃分

圍巖為中～微風(fēng)化花崗巖,級別為Ⅲ級,采用摩爾－庫倫土體本構(gòu)模型模擬。圍巖及支護結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

表1 圍巖及支護結(jié)構(gòu)參數(shù)

3 數(shù)值模擬分析

3.1 位移分析

隧道開挖后,即使及時進行支護,由于應(yīng)力釋放,巖體也會產(chǎn)生位移。通過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)測著重點。圖3為隧道開挖后斷面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,且后行洞對先行洞產(chǎn)生一定影響(見圖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：后行洞開挖對先行洞有一定影響。從豎向位移來看,拱頂位移增大,對仰拱處的影響則很小；從水平位移來看,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,遠離后行洞一側(cè)的位移則略微向遠離后行洞的一側(cè)擴張。

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重,隧道穩(wěn)定性降低。在兩隧道凈距小的地方施工時,需對中夾巖柱進行加固,對隧道拱頂沉降及周邊位移進行監(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為隧道開挖時最大和最小主應(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),會對隧道的穩(wěn)定性產(chǎn)生一定影響,開挖過程中應(yīng)對這部分巖柱實施加固。由于匝道與主線隨著里程越來越接近,中夾巖柱的寬度越來越小,當兩隧道凈距越來越小時,中夾巖柱的應(yīng)力集中越來越明顯,穩(wěn)定性也越來越差。在中夾巖柱寬度變小時,需通過錨固錨桿或其他手段對中夾巖柱進行加固,增強中夾巖柱及兩隧道施工過程的穩(wěn)定性。

3.3 支護軸力、彎矩分析

支護結(jié)構(gòu)的軸力及彎矩變化見圖6。

由圖6可知：主線開挖后,主線隧道一側(cè)的支護結(jié)構(gòu)軸力及彎矩均變小,說明主線開挖對匝道處隧道有一定泄壓作用,但同時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重,隧道穩(wěn)定性降低。在兩隧道凈距小的地方施工時,需對中夾巖柱進行加固,對隧道拱頂沉降及周邊位移進行監(jiān)控,防止隧道失穩(wěn)破壞。

(2)后行洞開挖對先行洞有一定影響。從豎向位移來看,拱頂位移增大,對仰拱處的影響則很??；從水平位移來看,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,遠離后行洞一側(cè)的位移略微向遠離后行洞的一側(cè)擴張。

(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),會對隧道的穩(wěn)定性產(chǎn)生一定影響。在隧道開挖過程中應(yīng)對這部分巖柱實施加固,防止其發(fā)生破壞。同時由于匝道與主線隨著里程越來越接近,中夾巖柱的寬度越來越小,兩隧道凈距越來越小時,中夾巖柱的應(yīng)力集中越來越明顯,穩(wěn)定性也越來越差。在中夾巖柱寬度變小時,需通過錨固錨桿或其他手段對中夾巖柱進行加固,增強中夾巖柱及兩隧道施工的穩(wěn)定性。

(4)主線開挖后,主線隧道一側(cè)支護結(jié)構(gòu)的軸力及彎矩均變小,主線開挖對匝道處隧道有一定泄壓作用,但同時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)支護結(jié)構(gòu)的軸力及彎矩減小越明顯。