王 蒙 高明德

(中鐵城建集團(tuán)北京工程有限公司，100020，北京//第一作者，高級(jí)工程師)

為服務(wù)于多線隧道后期的安全運(yùn)營(yíng)及日常維護(hù)工作，施工過(guò)程中經(jīng)常需要修建用于連接兩條平行隧道的橫通道[1-3]。橫通道的數(shù)量根據(jù)工程實(shí)際需求確定。橫通道施工空間有限，而且其施工過(guò)程可能會(huì)對(duì)主線隧道的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響[4-5]，因此，橫通道的設(shè)計(jì)、施工難度都相對(duì)較大。

為降低橫通道施工對(duì)主線隧道的擾動(dòng)，施工前通常需對(duì)地層進(jìn)行預(yù)加固處理，并采取必要的支護(hù)措施。預(yù)加固的具體參數(shù)需結(jié)合地表情況、地質(zhì)參數(shù)、隧道與橫通道的結(jié)構(gòu)尺寸等因素綜合確定[6]。本文采用FLAC 3D軟件，對(duì)橫通道開挖過(guò)程及其對(duì)主線隧道產(chǎn)生的影響等進(jìn)行模擬計(jì)算分析，以期為橫通道優(yōu)化設(shè)計(jì)及開挖施工提供一定的借鑒作用。

1 仿真模型

1.1 建立仿真模型

為了評(píng)估橫通道開挖施工對(duì)外部環(huán)境的影響，采用FLAC 3D軟件建立參數(shù)化仿真分析模型。假定服從摩爾庫(kù)倫準(zhǔn)則并采用總應(yīng)力法，分別使用非摩擦材料(內(nèi)摩擦角φ=0)和摩擦材料(φ≠0)進(jìn)行參數(shù)分析。其中，非摩擦材料土體采用不排水抗剪強(qiáng)度(cu)計(jì)算。所建模型為隧道的交叉部位，主要包括兩條平行主線隧道，以及與其相連的小尺寸橫通道(見圖1)。

主線隧道采用護(hù)盾式盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行開挖施工。在仿真計(jì)算中，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)及橫通道開挖過(guò)程均采用逐步開挖方法進(jìn)行模擬：① 開挖直徑為4 m；② 在同一個(gè)施工步內(nèi)，施加新的環(huán)形襯砌單元來(lái)支護(hù)前一開挖步；③ 重復(fù)進(jìn)行計(jì)算步直到橫通道開挖結(jié)束。

圖1 隧道開挖仿真計(jì)算模型

1.2 設(shè)定邊界參數(shù)

仿真計(jì)算條件中設(shè)置了4種不同的黏性土體、3種不同的摩擦土體、9種不同的幾何尺寸(主要參數(shù)為隧道上覆土厚度H及兩主線隧道間距D)。具體設(shè)定情況如下：

(1) 將不同的H及D看作是隧道直徑d的函數(shù)，分別定義了3種不同的覆土厚度(H=2d，H=3d，H=4d)和3個(gè)不同的主線隧道間距(D=2d，D=4d，D=5d)。

(2) 針對(duì)黏性土體工況分析過(guò)程，假設(shè)黏性土的不排水強(qiáng)度cu隨深度呈線性變化，其他巖土參數(shù)都是常數(shù)(泊松比ν=0.3，內(nèi)摩擦角φ=0，密度γ=19 kN/m3，滲透系數(shù)k0=0.7)。

(3) 針對(duì)摩擦土體工況分析過(guò)程，假設(shè)所有巖土力學(xué)參數(shù)都是常數(shù)，其值分別為：ν=0.3，黏聚力c=0，γ=17 kN/m3，k0=0.7；φ分別為35°、40°、45°。并假定彈性模量是密度的函數(shù)。

2 位移影響分析

2.1 垂直位移分析

2.1.1 變化趨勢(shì)分析

對(duì)H=2d、D=2d條件下的黏性土層(cu=40+3Z，kPa；其中，Z為垂向坐標(biāo)值(m)，Z=0為地面,向上為正)及摩擦土層(φ=45°)進(jìn)行模擬，計(jì)算主線隧道軸線上方及橫通道中心線上方土體的垂向位移變化情況。分析結(jié)果如圖2所示。

由圖2可以看出，主線隧道軸線上方的垂向位移隨深度增加而增大，而橫通道中心線上方的垂向位移隨深度增加而減小。此外，兩種土體的垂向位移變化趨勢(shì)相同。

2.1.2 影響因素分析

不同條件下的黏性土層、摩擦土層對(duì)橫通道中心線上方垂直位移變化的影響模擬計(jì)算結(jié)果如圖3所示。計(jì)算結(jié)果表明：黏性土層下的橫通道中心線上方垂直位移隨土體黏聚力和彈性模量的增加而減小；摩擦土體地層下的橫通道中心線上方垂直位移隨土體內(nèi)摩擦角和彈性模量的增加而減小。

圖2 不同地層垂向位移變化趨勢(shì)曲線(H=2d、D=2d)

圖3 不同地層橫通道中心線上方土體垂直位移曲線

2.1.3 開挖過(guò)程分析

在每一步的橫通道開挖與襯砌施工之后，都定義了對(duì)應(yīng)的垂向位移變量。圖4為橫通道黏性土層及摩擦土層掘進(jìn)過(guò)程中其中心線上方土體的垂向位移情況。

a) 黏性土層(cu=40+3Z)

b) 摩擦土層(φ=45°)

由圖4可知，隨著橫通道逐步向前開挖，兩種地層橫通道中心線上方垂向位移均呈增大趨勢(shì)。

2.2 地表沉降分析

對(duì)不同條件的黏性土層及摩擦土層地表沉降情況進(jìn)行模擬分析，并采用常規(guī)解析法對(duì)摩擦土層中地表沉降進(jìn)行了計(jì)算與對(duì)比。分析結(jié)果基本一致。通過(guò)總結(jié)分析模擬計(jì)算數(shù)據(jù)，提出了橫通道開挖前地表沉降公式：

(1)

式中：

S——地表沉降；

x、y——與cu有關(guān)的常數(shù)。

由上述分析結(jié)果可知，橫通道開挖行為與地表沉降增量之間關(guān)系為：

Δ=2.81-0.02cu

(2)

式中：

Δ——由于橫通道開挖導(dǎo)致的主線隧道上方地表沉降增量，mm。

3 隧道襯砌受力影響分析

3.1 影響因素分析

受橫通道開挖作用影響最大的部位在隧道襯砌拱頂處。以D=4d為例，不同地層條件下，橫通道開挖后主線隧道拱頂位置彎矩及軸力分布情況如圖5～6所示。

a) D=4d時(shí)的隧道襯砌拱頂彎矩

b) D=4d時(shí)的隧道襯砌拱頂軸力

a) D=4d時(shí)的隧道襯砌拱頂彎矩

b)D=4d時(shí)的隧道襯砌拱頂軸力

研究結(jié)果表明：隧道間距、隧道埋深是影響橫通道開挖對(duì)主線隧道襯砌受力作用大小的重要因素。隨著隧道埋深的增加，先行施工的主線隧道襯砌彎矩呈增大趨勢(shì)，軸力呈減小趨勢(shì)。

3.2 襯砌受力分析

3.2.1 對(duì)先行隧道襯砌內(nèi)力影響

橫通道開挖引起的先行施工主線隧道襯砌內(nèi)力增減比例情況如表1所示。

由表1可知，黏性土層中的橫通道開挖對(duì)隧道拱頂彎矩的影響較大,摩擦土層中的橫通道開挖對(duì)隧道拱頂軸力的影響也較大，其幅度均達(dá)到20%。

3.2.2 對(duì)橫通道襯砌內(nèi)力影響

在黏性土層(cu=40+3Z)、摩擦土層(φ=40°)條件下，對(duì)橫通道第一環(huán)襯砌彎矩、軸力受橫通道后期開挖步的影響進(jìn)行計(jì)算分析。橫通道開挖引起的橫通道第一環(huán)襯砌內(nèi)力變化情況如表2所示。

表1 橫通道開挖引起的先行施工主線隧道襯砌內(nèi)力變化情況

表2 橫通道開挖引起的橫通道第一環(huán)襯砌內(nèi)力變化表

3.2.3 對(duì)后行隧道襯砌內(nèi)力影響

在黏性土層(cu=40+3Z)和摩擦土層(φ=40°)條件下，對(duì)橫通道開挖對(duì)與其連接處的后行主線隧道襯砌內(nèi)力影響情況也進(jìn)行了分析計(jì)算。橫通道開挖最后幾個(gè)計(jì)算步引起的后行主線隧道襯砌內(nèi)力變化情況如表3所示。

表3 橫通道開挖引起的后行主線隧道襯砌內(nèi)力變化情況

4 結(jié)論

(1) 隧道襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是隧道整體設(shè)計(jì)與施工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，需充分考慮橫通道開挖對(duì)襯砌內(nèi)力的影響?；跀?shù)值模擬軟件分析所得計(jì)算結(jié)果，有助于控制地質(zhì)條件、幾何條件、橫通道開挖對(duì)隧道襯砌內(nèi)力所帶來(lái)的不利影響。

(2) 隨著橫通道向前掘進(jìn)，橫通道中心線上方的垂向位移和地表沉降都增加了。這一影響在橫通道中心線上方比在主線隧道上方更加顯著。不同地質(zhì)條件和幾何尺寸對(duì)主線隧道上方和橫通道中心線上方的地表沉降影響也不盡相同。

(3) 隨著橫通道的開挖，先行施工隧道拱頂處的襯砌彎矩和邊墻處的襯砌軸力呈增加趨勢(shì)。后行隧道邊墻和拱頂處的彎矩，以及邊墻處的軸力在橫通道開挖結(jié)束的幾個(gè)計(jì)算步中呈增加趨勢(shì)。