立交隧道“先下后上”施工力學(xué)特性

于國(guó)壘

摘 要：立交隧道“先下后上”施工時(shí)，為了研究下方隧道變形受力特性以及安全情況，根據(jù)大橫琴山一號(hào)隧道與珠機(jī)城際隧道交叉段施工實(shí)際，建立仿真模型，得出下方大橫琴山一號(hào)隧道周邊位移及圍巖應(yīng)力變化規(guī)律。結(jié)果表明：上方隧道的開挖對(duì)下方隧道影響范圍大致在交叉點(diǎn)前后20 m區(qū)域內(nèi)，下方隧道拱頂沉降及周邊圍巖應(yīng)力均存在一定的減小，但影響較小，下方隧道較安全。

關(guān)鍵詞：立交隧道；數(shù)值模擬；圍巖應(yīng)力；施工安全

中圖分類號(hào)：U459.3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：2096-6903（2024）02-0055-03

0引言

珠海大橫琴山隧道與上方的珠機(jī)城際隧道存在立體交叉情況，上方隧道施工將對(duì)下方的大橫琴山隧道產(chǎn)生影響。目前對(duì)立交隧道的研究較多，裴麗[1]則建立三維立交隧道數(shù)值模擬模型，對(duì)圍巖位移變化、支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化及圍巖應(yīng)力變化進(jìn)行分析，得出在0.25D、0.5D、0.75D、1D（D隧道外徑值）凈距下隧道力學(xué)性征變化規(guī)律。

李少剛[2]對(duì)5種施工順序進(jìn)行模擬（上上-下下、上-上-下-下、下下上上、下下-上上、下-下-上-上，全斷面法施工），得出地表沉降、周邊位移場(chǎng)、拱頂沉降、水平位移、交叉區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)、初期支護(hù)主應(yīng)力。顏勤[3]對(duì)上下垂直交叉隧道及上下60°交叉隧道進(jìn)行有限元模擬，分別對(duì)“先上后下”及“先下后上”兩種工況開挖完畢后的后行洞周邊圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力位移變化、地表沉降及塑性區(qū)特征進(jìn)行分析。

珠海大橫琴山隧道大跨段大角度下穿珠機(jī)城際鐵路橫琴隧道，于右線YK1+285.237（珠機(jī)城際鐵路橫琴隧道里程：DK21+263.023）相交，其與珠機(jī)城際隧道的豎向凈距為3.5 m。下穿珠機(jī)城際鐵路橫琴隧道段穿越巖體節(jié)理密集破碎帶，主要由中風(fēng)化花崗巖構(gòu)成，圍巖級(jí)別為Ⅲ、Ⅳ級(jí)圍巖。本文模擬研究先開挖下方大橫琴山一號(hào)隧道，后開挖上方珠機(jī)城際隧道時(shí)，下方大橫琴山隧道的變形受力特性以及施工安全性，從而為施工提供參考。

1有限元模型的建立

1.1 有限元參數(shù)的選取

本模型采取摩爾-庫(kù)倫土體本構(gòu)進(jìn)行模擬，據(jù)工程地勘說明書，圍巖為中-微風(fēng)化花崗巖，圍巖級(jí)別為Ⅳ級(jí)，錨桿區(qū)域以增大圍巖彈性模量及黏聚力等參數(shù)進(jìn)行等效代替，根據(jù)巖土設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)計(jì)值，選取表1參數(shù)設(shè)計(jì)值。

1.2 模型的建立

使用ABAQUS軟件建立160 m×200 m×180 m的三維實(shí)體單元模型模擬土體結(jié)構(gòu)，增大圍巖彈性模量及黏聚力10%為錨桿區(qū)域參數(shù)，采用實(shí)體單元建立支護(hù)結(jié)構(gòu)，根據(jù)大橫琴山一號(hào)隧道SD2斷面襯砌設(shè)計(jì)圖，建立31 cm初期支護(hù)，建立80 cm二次襯砌。根據(jù)珠機(jī)城際隧道斷面設(shè)計(jì)圖，建立30 cm支護(hù)結(jié)構(gòu)，對(duì)土體模型下部邊界的X、Y、Z方向進(jìn)行約束，對(duì)左右邊界的X方向進(jìn)行約束，對(duì)前后邊界的Y方向進(jìn)行約束，模型及網(wǎng)格劃分如圖1所示。大橫琴山一號(hào)隧道以CD法進(jìn)行施工，珠機(jī)城際隧道以全斷面法進(jìn)行施工。

2數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.1 位移變化規(guī)律

針對(duì)“先下后上”施工工況，分析珠機(jī)城際隧道開挖時(shí)對(duì)大橫琴山一號(hào)隧道的影響，根據(jù)珠機(jī)城際隧道每3 m一個(gè)開挖步，及珠機(jī)城際隧道與大橫琴山一號(hào)隧道相互影響，觀察珠機(jī)城際隧道開挖到中軸線前后24 m內(nèi)時(shí)大橫琴山一號(hào)隧道圍巖位移變化情況，大橫琴一號(hào)拱頂沉降曲線圖如圖2所示。

從圖2可以看出，在珠機(jī)城際隧道開挖前，大橫琴山一號(hào)隧道拱頂沉降基本相等，其值約為15.1 mm。在大橫琴山一號(hào)隧道中軸線20 m范圍外，其拱頂沉降隨著珠機(jī)城際隧道的開挖逐漸增大，在珠機(jī)城際隧道開挖完畢后達(dá)到最大，其值為15.6 mm。隧道沿開挖方向開挖到中軸線前6 m之前，大橫琴山一號(hào)隧道中軸線20 m范圍內(nèi)拱頂沉降持續(xù)增大，在中軸線6 m前時(shí)拱頂沉降達(dá)到最大，隨后拱頂沉降開始減小。這是由于珠機(jī)城際隧道的開挖，使得大橫琴山一號(hào)隧道上方的圍巖應(yīng)力得到釋放，故拱頂沉降恢復(fù)。在開挖到中軸線后12 m時(shí)，拱頂沉降達(dá)到最小。由于珠機(jī)城際隧道開挖面的遠(yuǎn)離，繼續(xù)開挖時(shí)，大橫琴山一號(hào)隧道拱頂沉降繼續(xù)增大，開挖完畢后達(dá)到最大，大橫琴山一號(hào)隧道中點(diǎn)上的拱頂沉降值約為14.7 mm。因此，在大橫琴山一號(hào)隧道中軸線20 m范圍外，隧道拱頂沉降隨珠機(jī)城際開挖逐漸增大，而20 m范圍內(nèi)拱頂沉降則先增大后減小隨后又小范圍的增大，且沉降值變化較小，隧道較安全。

上方珠機(jī)城際隧道開挖對(duì)大橫琴山一號(hào)隧道水平位移有一定的影響，選取大橫琴山一號(hào)隧道拱腰處的特征線，以沿隧道開挖方向左邊拱腰為左拱腰，右邊拱腰為右拱腰。從圖3中可以看出，珠機(jī)城際隧道開挖掌子面先接觸左拱腰，相交處位于大橫琴山一號(hào)隧道中軸線前7.5 m左右處，后接觸右拱腰，相交處位于大橫琴山一號(hào)隧道中軸線后7.5 m左右處。珠機(jī)城際隧道開挖對(duì)大橫琴山一號(hào)隧道左右拱腰水平位移影響范圍大致為中軸線前后20 m內(nèi)，由于開挖導(dǎo)致下方拱腰處的水平位移略微減小。從3a、3b兩圖對(duì)比可以看出，左拱腰水平位移為2～2.5 mm，右拱腰水平位移為2.5～3 mm，左拱腰水平位移普遍小于右拱腰水平位移，隧道在施工時(shí)可以保持安全。

大橫琴山一號(hào)隧道相交點(diǎn)拱腰處水平位移時(shí)程圖如圖4所示。其中左拱腰選擇大橫琴山一號(hào)隧道距中軸線前8 m處特征點(diǎn)，而右拱腰選擇距中軸線后8 m處特征點(diǎn)。從圖4中可以看出，大橫琴山一號(hào)隧道左右拱腰處水平位移隨著開挖的進(jìn)行，使得左拱腰水平位移減小，使右拱腰水平位移增大。開挖珠機(jī)城際隧道前半段時(shí)，對(duì)左拱腰水平位移影響較大，而開挖珠機(jī)城際隧道后半段時(shí)對(duì)右拱腰水平位移較大。

綜合大橫琴山一號(hào)隧道拱腰處水平位移變化發(fā)現(xiàn)，珠機(jī)城際隧道在開挖至中軸線前45 m處時(shí)，對(duì)大橫琴山一號(hào)隧道左拱腰水平位移產(chǎn)生影響，此時(shí)珠機(jī)城際隧道掌子面距大橫琴山一號(hào)隧道左拱腰約為30 m左右。開挖至中軸線前18 m處時(shí)，對(duì)大橫琴山一號(hào)隧道右拱腰產(chǎn)生影響，隨后開挖至中軸線前15 m處（即大橫琴山左拱腰上方）時(shí)，對(duì)左拱腰影響最大，其水平位移減小至最小，隨后左拱腰水平位移開始增大。開挖至中軸線后15 m處（即大橫琴山右拱腰上方）時(shí)，開挖對(duì)右拱腰水平位移影響最大，其位移增大至最大，隨后右拱腰水平位移開始減小。因此，珠機(jī)城際隧道開挖對(duì)大橫琴山隧道拱腰處水平位移影響范圍，大致在珠機(jī)城際隧道軸線左右15 m范圍內(nèi)。

2.2 應(yīng)力變化規(guī)律

珠機(jī)城際隧道的開挖對(duì)大橫琴山一號(hào)隧道周邊圍巖應(yīng)力有一定的影響。珠機(jī)城際隧道開挖前，大橫琴山一號(hào)隧道在軸向方向主應(yīng)力分布均勻，隧道拱腳及邊墻處應(yīng)力較為集中，其主應(yīng)力極值位于隧道進(jìn)口處，其值約為-1.63 MPa，原珠機(jī)城際隧道周邊圍巖主應(yīng)力絕對(duì)值較小。隨著珠機(jī)城際隧道的開挖，珠機(jī)城際隧道開挖后拱腳及邊墻處主應(yīng)力絕對(duì)值增大，當(dāng)開挖至大橫琴山隧道上方時(shí)，對(duì)下方圍巖產(chǎn)生影響，大橫琴山一號(hào)隧道在交叉段內(nèi)圍巖主應(yīng)力絕對(duì)值減小，珠機(jī)城際隧道開挖至中軸線附近時(shí)，交叉段內(nèi)圍巖主應(yīng)力值減至最小，繼續(xù)開挖珠機(jī)城際隧道，圍巖主應(yīng)力絕對(duì)值開始增大，但遠(yuǎn)比珠機(jī)城際隧道未開挖時(shí)小。在珠機(jī)城際隧道開挖完畢后，大橫琴山一號(hào)隧道周邊圍巖主應(yīng)力極值位于距中軸線20 m左右處，其值為-1.67 MPa，略大于珠機(jī)城際隧道開挖之前。

分析可知，珠機(jī)城際隧道的開挖會(huì)使大橫琴山一號(hào)隧道交叉段圍巖主應(yīng)力絕對(duì)值減小，使交叉段外圍巖主應(yīng)力絕對(duì)值增大，隨著距中橫線距離越遠(yuǎn)，其影響越小。珠機(jī)城際隧道在開挖至中軸線前27 m處時(shí)，對(duì)大橫琴山一號(hào)隧道周邊圍巖應(yīng)力開始影響，開挖至中軸線前3 m處時(shí)，對(duì)下方圍巖影響最大，隨后影響開始減小，在開挖至中軸線后24 m處時(shí)，對(duì)下方圍巖幾乎無影響。珠機(jī)城際隧道對(duì)大橫琴山一號(hào)隧道周邊圍巖應(yīng)力影響范圍大致在距中軸線15 m范圍內(nèi)。

3 結(jié)束語

從拱頂沉降來看，隨著上方隧道的開挖下方隧道拱頂沉降增大。在兩隧道靠近時(shí)，拱頂沉降變小，隨后小范圍增大，其影響范圍大致在中軸線前后20 m區(qū)域內(nèi)。從水平位移來看，上方隧道開挖至交叉點(diǎn)前時(shí)，對(duì)下方隧道右拱腰影響較大，開挖至交叉點(diǎn)后時(shí)對(duì)下方隧道左拱腰影響較大，其影響范圍在大致在交叉處前后15 m區(qū)域內(nèi)。

從圍巖應(yīng)力來看，上方隧道開挖至中軸線前27 m處時(shí)，對(duì)下方隧道產(chǎn)生一定影響，下方隧道周邊圍巖應(yīng)力減小，其影響范圍大致在中軸線前后15 m區(qū)域內(nèi)。

綜合位移及應(yīng)力變化情況，上方珠機(jī)城際隧道的開挖對(duì)下方大橫琴山一號(hào)隧道影響較小，下方大橫琴山一號(hào)隧道較為安全。

參考文獻(xiàn)

[1] 裴麗.立交隧道近接施工對(duì)既有隧道力學(xué)特性的影響研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2010.

[2] 李少剛.地下互通立交隧道設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化及施工技術(shù)研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2011.

[3] 顏勤.互通式地下立交隧道施工力學(xué)研究及方案優(yōu)化[D].重慶：重慶大學(xué)，2007.