李存軍

（中鐵三局橋隧公司，河北邯鄲056036）

淺埋超近距離交叉隧道施工順序數(shù)值模擬研究

李存軍

（中鐵三局橋隧公司，河北邯鄲056036）

以長沙西北下行聯(lián)絡線羅家一號隧道下穿新建杭長正線曾家?guī)X一號隧道為工程背景，運用數(shù)值分析手段對淺埋條件下超近距離立體交叉隧道的施工順序進行了詳細分析。通過不同計算工況下圍巖和襯砌結構位移場、應力場以及圍巖塑性區(qū)的對比分析，得到“先下后上（先施工下洞后施工上洞）”的施工順序明顯優(yōu)于“先上后下（先施工上洞后施工下洞）”的施工順序。最后將該研究成果應用于工程實踐指導施工，目前該工程已經(jīng)順利竣工，說明該文提出的施工順序是可行的，安全可靠的。

淺埋隧道；超近距離；立體交叉隧道；施工順序；數(shù)值模擬；全斷面無支護開挖；臺階法加支護開挖

1 工程背景

長沙西北下行聯(lián)絡線羅家一號隧道在NXDK1+720~+790段暗洞下穿新建杭（州）長（沙）正線曾家?guī)X一號隧道，影響范圍為DK913+770~+852。曾家?guī)X一號隧道為雙線隧道，隧道全長172m，隧道進出口里程分別為：DK913+680、DK913+852；羅家一號隧道為單線隧道，隧道全長1040m，隧道進出口里程分別為：NXDK1+530、NXDK2+570。兩隧道立體交叉，交叉水平角為23°，曾家?guī)X一號隧道和羅家一號隧道均屬于Ⅴ級圍巖，地質(zhì)為泥巖。上部曾家?guī)X一號隧道地板標高距離下部羅家一號隧道拱頂標高僅1.3m，屬于超近距離立體交叉，上部曾家?guī)X一號隧道埋深2~12m，屬于淺埋隧道。曾家?guī)X一號隧道與羅家一號隧道的相對位置關系如圖1所示。

圖1 羅家一號隧道與曾家?guī)X一號隧道相對位置關系圖

本項目同時新建的兩座近接隧道，上部隧道埋深2~12m，隧道間近距僅為1.3m，且上部杭長線為350km/h的高速鐵路，隧道開挖面積達152.4m2，此類淺埋條件下超近距離立體交叉大斷面隧道的工程在國內(nèi)外實屬罕見。在這種背景下通過數(shù)值模擬手段對淺埋條件下超近距離立體交叉隧道的施工順序展開研究，以期一方面通過研究指導本工程的施工，降低工程風險，提高經(jīng)濟效益；另一方面其研究成果可為類似工程的施工提供借鑒，進一步推廣應用。

圖2 FLAC3D計算模型

2 數(shù)值計算模型及計算參數(shù)選擇

2.1 數(shù)值計算模型

采用FLAC3D大型通用有限差分軟件進行計算分析，計算模型以羅家一號隧道在NXDK1+720~+790段暗洞下穿新建杭長正線曾家?guī)X一號隧道為工程原型。兩隧道立體交叉，交叉水平角為23°，凈距1.3m。羅家一號隧道為單線鐵路隧道，初期支護厚度為23cm，二次襯砌厚度為40cm；曾家?guī)X一號隧道為時速350km/h雙線鐵路隧道，初期支護厚度28cm，二次襯砌厚度為50cm。

為了盡可能的消除邊界影響，該計算模型取長130m、寬100m、高80m，共322857個節(jié)點，86160個單元，整體網(wǎng)格劃分如圖2所示。計算中巖土體采用彈塑性實體單元模擬，隧道襯砌采用shell結構單元模擬；巖土體的本構方程采用莫爾-庫侖彈塑性本構模型[1-2]。

2.2 計算參數(shù)選擇

根據(jù)設計資料及地質(zhì)勘察報告，將地層參數(shù)按V級圍巖選取，襯砌參數(shù)依據(jù)設計資料選取，其物理力學參數(shù)均參照《鐵路隧道設計規(guī)范》TB10003-2005選取，具體物理參數(shù)見表1所示。

表1 計算物理力學參數(shù)

表2 計算工況及施工步驟

3 計算工況及研究目標斷面

為確定“先上后下（先施工上洞后施工下洞）”還是“先下后上（先施工下洞后施工上洞）”哪種施工順序更合理，在計算中采用如表2兩種計算工況：即全斷面開挖無支護和臺階法開挖加支護。研究斷面分別選取上洞和下洞的中間斷面作為目標面（圖3），分析其在隧道施工過程中的位移場、應力場、塑性區(qū)等的變化趨勢，從而確定最優(yōu)的施工順序[3]。

圖3 研究目標斷面（單位：m）

4 數(shù)值計算結果及分析

4.1 全斷面無支護開挖方法

全斷面無支護開挖，可以有效地反映出圍巖破壞形態(tài)及應力從分布情況，且能直接反映出交叉隧道圍巖的穩(wěn)定性，故首先采用全斷面無支護開挖，對圍巖的位移、應力及塑性區(qū)的分布變化規(guī)律進行研究，初步確定開挖順序。

4.1.1 先上洞后下洞開挖順序

通過計算，分別提取了上洞開挖后和上下洞全部開挖后的圍巖位移場、圍巖應力場以及圍巖塑性區(qū)分布的計算結果，限于篇幅，本文只給出塑性區(qū)的計算結果，如圖4及圖5所示。

圖4 上洞開挖后圍巖的塑性區(qū)分布

圖5 上下洞開挖后圍巖的塑性區(qū)分布

由計算結果可以看出：

（1）上洞開挖后，上洞的拱頂最大位移為-8.18mm，仰拱最大位移為13.9mm；下洞開挖完成后，上洞的拱頂最大位移為-9.27mm，仰拱最大位移為1.32mm，下洞的拱頂最大位移為-2.2mm，仰拱最大位移為-6.0mm，下洞開挖對上洞拱頂?shù)奈灰曝暙I率為12%。

（2）在上洞開挖時，初始應力場變化較大，應力集中區(qū)主要分布在上洞的拱腰、拱頂及仰拱處，且影響范圍已經(jīng)影響到了下洞；下洞開挖時已經(jīng)處于上洞應力影響范圍之內(nèi)。

（3）在上洞開挖后，下洞所在區(qū)域幾乎全部處于上洞開挖所引起的塑性區(qū)內(nèi)，雖然由于下洞斷面較小，開挖后塑性區(qū)發(fā)展范圍不大，但是在大部分為塑性區(qū)的圍巖中開挖隧道，明顯提高了隧道的施工風險。

4.1.2 先下洞后上洞開挖順序

同樣通過計算，分別提取了上洞開挖后和上下洞全部開挖后的圍巖位移場、圍巖應力場以及圍巖塑性區(qū)分布的計算結果，限于篇幅，本文只給出位移場的計算結果，如圖6及圖7所示。由計算結果可以看出：

圖6 下洞開挖后圍巖的豎向位移（單位：m）

圖7 上下洞開挖后圍巖的豎向位移（單位：m）

（1）下洞開挖完成后，下洞的拱頂最大位移為-5.24mm，仰拱最大位移為9.32mm；上洞開挖完成后，由于上洞開挖的“卸荷”作用，使下洞拱頂上移，這對下方隧道是有利的，上洞拱頂最大位移為-7.02mm，仰拱最大位移為-12.4mm。

（2）下洞開挖后，應力集中區(qū)主要分布在下洞的拱腰處，且應力重分布對上洞的影響極小，幾乎沒有影響到上洞的原巖應力分布，且上洞開挖后，由于一定的“卸荷”作用，最大應力由1.14MPa減小到了0.97MPa。

（3）在下洞開挖后，塑性區(qū)范圍較小，且塑性區(qū)并未完全發(fā)展到上洞范圍內(nèi)，對上洞的影響較小；在上洞開挖完成后，下洞周圍的塑性區(qū)發(fā)展較小，即說明上洞的開挖雖對下洞有一定影響，但是影響較小。

4.1.3 數(shù)值計算結果分析

綜合以上分析結果，無論是圍巖位移場、應力場，還是塑性區(qū)的發(fā)展，采用“先下后上”施工順序比采用“先上后下”施工順序的量值或影響范圍均要小一些，因此建議在施工過程中采用“先下后上”的施工順序。

4.2 臺階法加支護開挖方法

4.2.1 先上洞后下洞開挖順序

通過計算，分別提取了上洞開挖后和上下洞全部開挖后的圍巖及襯砌位移場、圍巖及襯砌應力場以及圍巖塑性區(qū)分布的計算結果，限于篇幅，本文只給出塑性區(qū)的計算結果，如圖8及圖9所示。由計算結果可以看出：

圖8 上洞開挖后圍巖的塑性區(qū)分布

圖9 上下洞開挖后圍巖的塑性區(qū)分布

（1）上洞開挖完成后拱頂最大位移為-8.2mm，下洞開挖完成后上洞拱頂最大位移為-9.8mm，下洞拱頂最大位移為-2mm，下洞開挖導致上洞Y向位移增加了16%左右。

（2）上洞開挖完成后支護最大應力為1.2MPa左右，主要集中在左右邊墻處；下洞開挖完成后，上洞支護的最大應力為1.3MPa左右，且主要集中在左側邊墻。

（3）在上下洞開挖完成后，塑性區(qū)的變化不大，但是在上洞開挖完成后產(chǎn)生的塑性區(qū)已影響到了下洞開挖區(qū)域。

4.2.2 先下洞后上洞開挖順序

通過計算，分別提取了上洞開挖后和上下洞全部開挖后的圍巖及襯砌位移場、圍巖及襯砌應力場以及圍巖塑性區(qū)分布的計算結果，限于篇幅，本文只給出位移場的計算結果，如圖10～圖13所示。由計算結果可以看出：

圖10 下洞開挖完成后圍巖最大豎向位移（單位：m）

圖11 下洞開挖完成后襯砌最大豎向位移（單位：m）

圖12 上下洞開挖完成后圍巖豎向位移（單位：m）

圖13 上下洞開挖完成后襯砌豎向位移（單位：m）

（1）下洞開挖完成后拱頂最大豎向位移為2mm，上洞開挖完成后，下洞拱頂由于上洞開挖導致的“卸載”作用，使拱頂上浮了約4mm左右，此時上洞的最大豎向位移為5mm。

（2）下洞開挖完成后，襯砌最大主應力為1.3MPa，主要集中在拱腰位置；上洞開挖后，由于“卸載”作用，使拱腰處最大主應力減小，轉移到仰拱位置，最大主應力減小為1.2MPa，上洞襯砌的最大主應力為1.2MPa。

（3）由于下洞斷面較小，在開挖完成后幾乎未產(chǎn)生塑性區(qū)，即其對圍巖擾動較小，上洞開挖時才開始產(chǎn)生大范圍的塑性區(qū)，而此時下洞支護結構已經(jīng)完成，對抵抗上洞的擾動能力較強。

4.2.3 數(shù)值計算結果分析

不同開挖順序下，襯砌結構的最大豎向位移、最大主應力如表3所示。

表3 襯砌結構最大豎向位移及最大主應力統(tǒng)計表

由表3及計算結果可以看出：由于上洞埋深較淺且斷面較大，首先開挖上洞時，會產(chǎn)生較大的位移，且對土體擾動相對較大，產(chǎn)生的塑性區(qū)已經(jīng)影響到了下洞開挖區(qū)域；而后開挖下洞時，會導致上洞整體下沉，在實際施工時兩洞距離太小，可能發(fā)生拱頂塌落進而影響到上洞支護結構安全的風險極高；如果首先開挖下洞時，由于下洞斷面較小且埋深較深，故位移較小且對周圍土體擾動較小，幾乎沒有塑性區(qū)產(chǎn)生，并且上洞開挖后，由于卸載作用會使下洞襯砌應力減小，且下洞的支護結構對上洞起到支撐作用使上洞整體位移減小，兩者相互作用更加有利于結構的受力。綜上所述，采用“先下后上”的施工順序明顯優(yōu)于“先上后下”的施工順序。

5 結論

論文以長沙西北下行聯(lián)絡線羅家一號隧道下穿新建杭長正線曾家?guī)X一號隧道為工程背景，運用數(shù)值分析手段對立體交叉隧道的施工順序進行了詳細分析。通過不同計算工況下圍巖和襯砌結構位移場、應力場以及圍巖塑性區(qū)的對比分析，得到“先下后上”的施工順序明顯優(yōu)于“先上后下”的施工順序，從而建議本工程先施工羅家一號隧道，并將二次襯砌全部施工完成后，再進行曾家?guī)X一號隧道的施工。目前該工程已經(jīng)順利竣工，說明本文提出的施工順序是可行的，安全可靠的。

[1]龔倫.上下交叉隧道近接施工力學原理及對策研究[D].成都：西南交通大學博士學位論文，2008，6.

[2]關寶樹.隧道力學概論[M].成都:西南交通大學出版社，1993.

[3]范永波，伍法權，胡社榮，等.交叉隧道塑性區(qū)分布規(guī)律、成因及支護探討[J].工程地質(zhì)學報，2008，16(2):268-272.

責任編輯：孫蘇，李紅

DigitalSimulation Study on Construction Order for Shallow Buried Interchange Tunnel

Based on the project of Luojia tunnel1 to Zengjialing tunnel 1 in Northwestern Changsha,construction order for shallow buried interchange tunnels with extra close distance is analyzed in detail.Through the comparison and analysis on the surrounding rock,displacement field of lining structure,stress field and plastic zone of surrounding rock,it is known that construction order of"down first,up second"is superior than that of"up first, down second".The study resultis applied to guide the construction and achieve the finalgoal.Itis proved thatthe construction order presented is feasible and reliable.

shallow buried tunnel;extra close distance;interchange tunnel;construction order;digital simulation;whole section excavation without support;step excavation with support

U452

A

1671-9107（2013）05-0035-04

10.3969／j.issn.1671-9107.2013.05.035

2013-03-25

李存軍（1977-），男，河北邯鄲人，本科，工程師，主要從事鐵路施工技術和管理工作。