陳培煌

（中鐵二十二局集團(tuán)第三工程有限公司 福建廈門 361010）

1 引言

上下交疊隧道近接施工的工程實(shí)例通常出現(xiàn)在城市地鐵隧道建設(shè)中，許多學(xué)者已針對盾構(gòu)法隧道近接施工的力學(xué)響應(yīng)問題，展開了深入研究［1-2］。近年來隨著我國交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，山嶺隧道中也開始出現(xiàn)上下交疊近接施工的案例［3］。

王清標(biāo)等［4］在FLAC3D平臺上，研究了近接交疊隧道施工中，不同開挖方式對圍巖變形的影響，認(rèn)為CRD法對圍巖變形的控制效果優(yōu)于眼鏡法和臺階法。毛新穎等［5］采用有限差分法對地鐵盾構(gòu)下穿公路隧道的施工全過程展開數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)既有隧道的存在對地層變形有一定約束作用，距離公路隧道越近，由盾構(gòu)穿越引起的地面橫向沉降越小。饒竹紅等［6］在PLAXIS平臺上，對海相淤泥地層中的交疊隧道的施工過程展開數(shù)值模擬，認(rèn)為新建隧道下穿施工對周圍地層影響極大，造成既有線路下沉14 mm，地表沉降69 mm。龔倫等［7］依托連霍高速公路路塹擴(kuò)挖工程，采用模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)控等手段研究了上方路塹開挖對下伏既有鐵路隧道的影響，給出保障既有隧道安全運(yùn)營的臨界埋深。

綜上所述，隨著交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的迅猛發(fā)展，山嶺隧道中近接施工的案例開始逐漸增多；同時(shí)由于近接施工問題的特殊性與復(fù)雜性，對其施工力學(xué)特性展開細(xì)致分析，是當(dāng)前隧道與地下工程建設(shè)中的熱點(diǎn)與難點(diǎn)問題。本文以廈門北動車應(yīng)用所新建劉塘隧道，上跨穿越既有杭深線鐵路隧道的近接施工為背景，利用現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值模擬手段，對山嶺隧道上下交疊近接施工的力學(xué)特性展開深入研究，為新建劉塘隧道的安全施工提供技術(shù)支持，也為其他類似近接穿越工程提供參考。

2 工程概況

廈門北動車運(yùn)用所新建劉塘隧道位于福建省廈門市境內(nèi)，穿越大帽山丘陵中的一段相對低緩山脊，其地表覆蓋層（第四紀(jì)全新統(tǒng)坡積、殘積土）厚度約為1～5 m不等，全～強(qiáng)風(fēng)化層約為1～10 m不等，下伏基巖為燕山早期花崗巖。隧道所穿越地層主要為中風(fēng)化花崗巖，其洞身范圍內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造較簡單，無斷裂帶或其他不良地質(zhì)體存在。

該隧道在DK1+480里程處，上跨杭深鐵路既有劉塘隧道（其對應(yīng)里程為DK240+840），其上跨段的平面示意圖與橫斷面示意圖，分別如圖1和圖2所示。

圖1 新建劉塘隧道上跨既有劉塘隧道的平面示意

圖2 新建劉塘隧道上跨既有劉塘隧道的橫斷面示意（單位：cm）

上下交疊兩座隧道的軸線平面交角為31.5°，上跨段全長約135 m，其中相交斷面前后20 m內(nèi)為正跨段，其余95 m為相鄰段。

上跨新建隧道為單洞單線鐵路隧道，其內(nèi)輪廓高度和寬度分別為6.7 m和6.5 m；下伏既有隧道為單洞雙線鐵路隧道，其內(nèi)輪廓高度和寬度分別為8.8 m和13.2 m。在其交叉斷面處，二者外輪廓之間的最小凈距僅有6.3 m。

上跨段范圍內(nèi)的地層主要為中風(fēng)化花崗巖，構(gòu)造節(jié)理或風(fēng)化節(jié)理稍發(fā)育，圍巖等級為Ⅳ級。

3 上下交疊隧道的精細(xì)化數(shù)值模擬

近接施工使得影響區(qū)附近的巖體和支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性發(fā)生復(fù)雜變化，探討近接施工的力學(xué)響應(yīng)規(guī)律，對上下交疊隧道的設(shè)計(jì)與施工有重要意義。本文在FLAC3D數(shù)值平臺上，對上下交疊隧道近接施工全過程展開細(xì)致模擬，通過數(shù)值計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)控量測結(jié)果的比較，為探討上下交疊隧道近接施工的力學(xué)特性，提供可靠的數(shù)據(jù)支持與工程驗(yàn)證。

3.1 數(shù)值模型建立

數(shù)值模型由上下兩部分組成，上部為新建劉塘隧道，下部為既有劉塘隧道，其整體尺寸（長×寬×高）為160 m×52 m×87 m，如圖3所示。模型頂面取自由邊界，但施加0.9 MPa的豎向壓力，大致對應(yīng)50 m的上覆圍巖。模型側(cè)面為法向約束邊界，模型底面為全約束邊界。

圖3 上下交疊隧道數(shù)值模型示意

圍巖采用8節(jié)點(diǎn)六面體單元模擬（共計(jì)108 558個(gè)單元），其本構(gòu)采用摩爾-庫倫模型。根據(jù)工程地質(zhì)勘查報(bào)告［8］，隧道穿越地層為中風(fēng)化花崗巖，其主要物性參數(shù)如表1所示。

表1 圍巖（中風(fēng)化花崗巖）物性參數(shù)

既有隧道的二襯采用3節(jié)點(diǎn)Liner單元模擬，其初支并非本文研究重點(diǎn)，故簡單將其等效為周邊圍巖強(qiáng)度參數(shù)提高20%來考慮。新建隧道初支中的噴砼采用3節(jié)點(diǎn)Liner單元模擬，錨桿采用2節(jié)點(diǎn)cable單元模擬。上述各結(jié)構(gòu)單元均采用線彈性本構(gòu)，其主要物性參數(shù)如表2所示。

表2 結(jié)構(gòu)單元物性參數(shù)

3.2 開挖過程及典型工況

上下交疊隧道近接施工過程的數(shù)值模擬，可大致分為以下3大步驟：（1）初始地層在自重作用下達(dá)到地應(yīng)力平衡，并將位移清零；（2）采用上下臺階法將下伏隧道逐段開挖，并逐段施作二襯，再次將位移清零；（3）采用上下臺階法對上跨隧道進(jìn)行逐段開挖，單循環(huán)進(jìn)尺1 m，并逐段施作初期支護(hù)（噴砼與錨桿），同時(shí)記錄初支及圍巖中若干關(guān)鍵點(diǎn)的位移與內(nèi)力情況，如圖4所示。

圖4 新建劉塘隧道開挖工況示意

4 上下交疊隧道近接施工的力學(xué)特性

選取正跨段交叉斷面（即新建隧道DK1+480和既有隧道DK2+240）為目標(biāo)斷面，研究上下兩座隧道水平收斂、拱頂沉降隨施工步的發(fā)展規(guī)律，研究下伏既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)力變化規(guī)律。

4.1 上跨新建隧道的位移

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，新建隧道目標(biāo)斷面的水平收斂與拱頂沉降如圖5和圖6中的空心線所示。其水平收斂和拱頂沉降大致包含1個(gè)陡增階段和2個(gè)平緩增長階段。施工步未觸及到目標(biāo)斷面前，開挖引起應(yīng)力釋放對目標(biāo)斷面的影響較小，水平收斂和拱頂沉降表現(xiàn)為平緩增長；施工步接近及通過目標(biāo)斷面時(shí)，水平收斂和拱頂沉降迅速增大；施工步通過目標(biāo)斷面后，水平收斂及拱頂沉降的變化逐漸趨于平緩，與既有研究成果基本一致［9-10］。最終，拱頂沉降累計(jì)達(dá)16.2 mm，水平收斂累計(jì)達(dá)14.8 mm。

為便于比較，將新建隧道目標(biāo)斷面上水平收斂與拱頂沉降實(shí)測值，也繪制于圖5和圖6中（如實(shí)心線所示）。需要說明的是，監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)前發(fā)生的前期變形，實(shí)際工作中是無法觀測的；本文將數(shù)值模擬中對應(yīng)于監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)工況時(shí)所發(fā)生的位移，作為前期位移累加到實(shí)測值上。從圖中可以看出，監(jiān)控量測數(shù)據(jù)所反映的目標(biāo)斷面水平收斂與拱頂沉降規(guī)律，與數(shù)值模擬結(jié)果基本一致。

圖5 新建隧道目標(biāo)斷面的水平收斂變化

圖6 新建隧道目標(biāo)斷面的拱頂沉降變化

4.2 下伏既有隧道的位移

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，既有隧道目標(biāo)斷面的水平收斂與拱頂隆起如圖7和圖8中的空心線所示。

圖7 既有隧道目標(biāo)斷面的水平收斂變化

圖8 既有隧道目標(biāo)斷面的拱頂隆起變化

施工步未觸及目標(biāo)斷面前，上跨隧道開挖卸載對下伏既有隧道目標(biāo)斷面的影響，表現(xiàn)為輕微的水平反向收斂和拱頂隆起。施工步近接及通過目標(biāo)斷面過程中，水平收斂和拱頂隆起均迅速增大。施工步通過目標(biāo)斷面后，水平收斂和拱頂隆起逐漸趨于平緩，最終累計(jì)收斂值為1.8 mm，累計(jì)隆起值達(dá)2.3 mm。從量值上看，若不考慮爆破振動效應(yīng)，上跨隧道開挖對下伏既有隧道的力學(xué)影響有限。

為便于比較，將既有隧道目標(biāo)斷面的水平收斂與拱頂沉降實(shí)測值，也繪制于圖7和圖8中（如實(shí)心線所示）。從圖中可以看出，監(jiān)控量測數(shù)據(jù)所反映的規(guī)律，與數(shù)值模擬結(jié)果基本一致。從定性分析上看，上方圍巖壓力部分卸載后，使得側(cè)壓力系數(shù)相對增大，因此襯砌結(jié)構(gòu)發(fā)生水平向收斂和豎直向隆起，這與既有研究成果是一致的［11-12］。

4.3 下伏既有隧道的襯砌內(nèi)力

由于無法對既有隧道襯砌上的內(nèi)力進(jìn)行實(shí)測，本節(jié)僅根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，進(jìn)一步討論既有隧道襯砌內(nèi)力（軸力與彎矩）隨施工步的變化規(guī)律。選擇既有隧道目標(biāo)斷面中的拱頂、左右拱腰與拱底4個(gè)測點(diǎn)，繪制其軸力與彎矩隨施工步的變化如圖9和圖10所示。

圖9 既有隧道目標(biāo)斷面的軸力變化

圖10 既有隧道目標(biāo)斷面的彎矩變化

隨著施工步的推進(jìn)，既有隧道目標(biāo)斷面襯砌上的軸力值總體呈減小趨勢。由于上下交疊隧道呈小角度斜交，故左拱肩處（迎挖側(cè)）的軸力顯著降低，其降幅達(dá)16%（約100 kN），而背挖側(cè)（右拱肩）與拱頂處的軸力變化幅值較小。另一方面，隨著施工步的推進(jìn)，既有隧道目標(biāo)斷面襯砌拱頂處的彎矩顯著減小，其降幅達(dá)31%（約20 kN·m），而其余部位的彎矩基本不變。這與前文所述關(guān)于襯砌結(jié)構(gòu)位移的發(fā)展趨勢（水平向收斂和豎直向隆起）是相符的。

5 結(jié)論

以廈門北動車運(yùn)用所新建劉塘隧道為背景，通過現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬數(shù)據(jù)來分析上跨新建隧道開挖對下伏既有隧道的影響，所得結(jié)論如下：

（1）從定性分析來看，上方圍巖壓力卸載后，使得側(cè)壓力系數(shù)相對增大，因此既有隧道襯砌的位移發(fā)生水平向收斂和豎直向隆起。

（2）受上跨隧道卸載的影響，下伏既有隧道襯砌上的內(nèi)力總體呈減小趨勢：其中迎挖側(cè)襯砌軸力的降幅顯著大于背挖側(cè)，而拱頂處襯砌彎矩的降幅顯著大于其他位置。

（3）從量值上看，若不考慮爆破振動效應(yīng)，上跨隧道開挖對下伏既有隧道的力學(xué)影響有限。