吳枋胤，何 川，潘文韜，寇 昊，謝金池，董增春，晏啟祥

(1.西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610031; 2.浙江數(shù)智交院科技股份有限公司,杭州 310013)

近年來(lái),隨著我國(guó)客運(yùn)和貨運(yùn)總量逐年增長(zhǎng),鐵路和高速公路項(xiàng)目得到了快速發(fā)展[1-3]。同時(shí),對(duì)路網(wǎng)的需求也逐年提高,同一區(qū)域內(nèi)單一的交通運(yùn)輸方式已難以滿足發(fā)展的需要,因此,公路隧道與鐵路隧道交叉工程會(huì)越來(lái)越多,這就提出了更高要求的施工質(zhì)量﹑施工周期以及施工安全性[4-5]。如何在確保工程建設(shè)滿足質(zhì)量與性能要求的前提下,使二者交叉的影響降到最低,并提出適宜的施工方案,就成為目前需要重點(diǎn)研究的問(wèn)題。

針對(duì)公路隧道與鐵路隧道交叉施工的擾動(dòng),國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者開(kāi)展了相關(guān)研究。KULESZA R、WILSON J M[6-7]研究了既有BART隧道上方新建MUNI隧道項(xiàng)目,在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行基于BART隧道的位移允許值研究,提出既有隧道工程的測(cè)量監(jiān)控方案和流程;徐柯、陸莎莎[8-9]通過(guò)建立有限元模型,模擬了多因素對(duì)交叉工程施工中鐵路路基的變形情況,分析了公路、鐵路交叉工程主要危險(xiǎn)源和安全風(fēng)險(xiǎn)因素,提出了相應(yīng)的安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系;張建[10]在單一隧道及兩重疊隧道施工后的彈性二次應(yīng)力狀態(tài)和單一隧道施工后,彈塑性二次應(yīng)力狀態(tài)及三次應(yīng)力狀態(tài)分布規(guī)律的基礎(chǔ)上,進(jìn)行了交叉隧道的施工力學(xué)研究,提出了預(yù)防新建隧道正交下穿施工引起既有隧道應(yīng)力變化較大的措施;先正平[11]采用有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬分析,研究高速公路荷載施加前后鐵路隧道結(jié)構(gòu)受力和安全系數(shù)的變化情況;黃海斌[12]針對(duì)新建隧道下穿既有鐵路隧道施工安全性問(wèn)題,基于有限元摩爾-庫(kù)倫原理對(duì)不同施工工法的三維隧道交叉模型進(jìn)行模擬分析。

在小凈距隧道施工方案上,目前的研究主要涉及施工順序、二襯施作時(shí)機(jī)以及施工工法上。在施工順序研究方面,趙俞成[13]基于砂土亞塑性本構(gòu)考慮土體小應(yīng)變剛度,通過(guò)數(shù)值模擬軟件分析了不同施工順序下上下交叉隧道影響;劉金剛[14]通過(guò)數(shù)值計(jì)算對(duì)不同施工順序下超小凈距交叉段圍巖與隧道結(jié)構(gòu)受力變形進(jìn)行探究,得出最為適宜的施工工法。在二襯影響研究方面,目前較少有針對(duì)小凈距隧道的研究,多針對(duì)大變形隧道與采空區(qū)隧道等領(lǐng)域[15-16],以及有關(guān)于二襯安全性與結(jié)構(gòu)受力的相關(guān)研究。在施工工法研究方面,陳衛(wèi)忠[17]通過(guò)數(shù)值模擬結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)安全控制要求,提出上下交叉隧道合理施工工法,并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)情況驗(yàn)證相關(guān)施工工法的正確性;文鑫[18]通過(guò)數(shù)值模擬方法對(duì)4種不同施工工法下交叉隧道圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行了研究,結(jié)果表明,交叉段采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法,主通道采用單側(cè)壁導(dǎo)坑法時(shí)隧道結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性最佳。

綜上,目前針對(duì)公路隧道與鐵路隧道交叉施工的影響與施工方案,大多數(shù)研究?jī)H限于新建隧道對(duì)既有隧道的影響。對(duì)于公路隧道與鐵路隧道均為新建,其交叉段的施工影響研究較少。并且甬舟公鐵路中交叉隧道最小凈距僅3.09 m,類似工程案例較少,鑒于此,依托甬舟公鐵路隧道中2個(gè)典型小凈距交叉段工程(雙螺1號(hào)公路隧道上穿大曬網(wǎng)村1號(hào)鐵路隧道、天彩坑崗公路隧道上穿雙石巖鐵路隧道),通過(guò)數(shù)值計(jì)算分析了小凈距隧道施工擾動(dòng)、施工順序、二襯施作時(shí)機(jī)、施工工法等方面,確定極小凈距交叉隧道施工方案,為類似工程施工提供借鑒及參考。

1 工程概況

甬舟路網(wǎng)建設(shè)包括甬舟公路與甬舟鐵路兩部分,其中高速公路起于寧波鎮(zhèn)海接寧波繞城公路,經(jīng)舟山金塘島、冊(cè)子島、富翅島、里釣島,跨越5個(gè)水道和灰鱉洋,止于舟山本島接大陸連島接線,全長(zhǎng)約46 km,是高速公路網(wǎng)G92杭州灣地區(qū)環(huán)線的聯(lián)絡(luò)線。目前舟山僅有甬舟高速1條公路運(yùn)輸通道,尚不通鐵路,擬修建的甬舟鐵路采用與公路對(duì)稱布置平層斷面,代表性工程有金塘海底隧道、西堠門大橋主橋等。因而甬舟公鐵路建設(shè)對(duì)于浙江交通發(fā)展具有重要意義。

甬舟公路與鐵路修建過(guò)程中面臨小凈距交叉隧道施工問(wèn)題,其中代表性工程為雙螺1號(hào)公路隧道上穿大曬網(wǎng)村1號(hào)鐵路隧道及天彩坑崗公路隧道上穿雙石巖鐵路隧道,線路中公路隧道與鐵路隧道分屬于甬舟公路與甬舟鐵路。

1.1 雙螺1號(hào)公路隧道上穿大曬網(wǎng)村1號(hào)鐵路隧道

雙螺1號(hào)公路隧道與大曬網(wǎng)村1號(hào)鐵路隧道設(shè)計(jì)線路近乎平行,鐵路隧道位于公路隧道雙洞之間,關(guān)于三洞平行隧道的相關(guān)研究已有許多,故本文不做分析,但位于公路左右線里程ZK33+280、YK33+167處的車行橫通道與鐵路隧道最小結(jié)構(gòu)凈距僅3.09 m,相互影響較大。由地勘資料可知,該段為丘陵斜坡,植被覆蓋,隧道埋深50～104 m,下伏基巖為白堊系九里坪組流紋巖,流紋狀構(gòu)造,圍巖綜合評(píng)定為Ⅲ級(jí)。隧道交叉段示意如圖1所示。

圖1 雙螺1號(hào)公路隧道橫通道與鐵路隧道關(guān)系示意

1.2 天彩坑崗公路隧道右線上穿雙石巖鐵路隧道

天彩坑崗公路隧道右線與雙石巖鐵路隧道交叉段里程為YK41+577.5,鐵路隧道和公路隧道洞徑分別為12.8 m和15.6 m。該段為丘陵斜坡,植被覆蓋,隧道埋深83～155 m,擬建雙石巖鐵路隧道位于公路隧道下方。基巖為晚侏羅世潛火山巖流紋巖,流紋狀構(gòu)造,節(jié)理較發(fā)育,強(qiáng)風(fēng)化呈灰白色。

2 數(shù)值模型與計(jì)算工況

2.1 隧道建模及假定

由于交叉隧道建模較為復(fù)雜,因而首先參照CAD圖紙建立隧道不同工法下的三維橫斷面線框,將線框?qū)隦HINO中,通過(guò)拉伸及布爾運(yùn)算等方式建立三維實(shí)體模型,在ANSYS中進(jìn)行網(wǎng)格劃分,導(dǎo)入FLAC用于后續(xù)計(jì)算。

雙螺1號(hào)公路隧道與鐵路隧道模型邊界寬為車行橫通道長(zhǎng)度,在模型頂部施加等效重力荷載2.55 MPa;天彩坑崗公路隧道右線上穿雙石巖鐵路隧道模型邊界為3倍洞徑。模型四周及底部設(shè)置法向約束,數(shù)值計(jì)算模型中初支采用shell單元,圍巖及二襯采用實(shí)體單元[19],錨桿、小導(dǎo)管通過(guò)cable單元來(lái)模擬,初支厚度0.2 m,二襯厚度0.5 m,二襯在掌子面后20 m施作。圍巖與襯砌結(jié)構(gòu)滿足Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則[20]。

2.2 雙螺1號(hào)公路隧道上穿大曬網(wǎng)村1號(hào)鐵路隧道模型及參數(shù)

雙螺1號(hào)公路隧道橫通道上穿大曬網(wǎng)村1號(hào)鐵路隧道模型示意如圖3所示,支護(hù)結(jié)構(gòu)示意如圖4所示,上下最小凈距僅為3.09 m,屬小凈距隧道。

圖3 雙螺1號(hào)公路隧道上穿大曬網(wǎng)村1號(hào)鐵路隧道計(jì)算模型

圖4 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)模型

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)踏勘資料結(jié)合圍巖等級(jí)確定隧道圍巖參數(shù),如表1所示。

表1 隧道圍巖參數(shù)

2.3 天彩坑崗公路隧道右線上穿雙石巖鐵路隧道模型及參數(shù)

天彩坑崗公路隧道上穿雙石巖鐵路隧道模型示意如圖5所示,上下凈距最小為13.5 m。模型計(jì)算參數(shù)與表1一致。

圖5 天彩坑崗公路隧道右線上穿雙石巖鐵路隧道數(shù)值計(jì)算模型

2.4 計(jì)算工況

雙螺1號(hào)公路隧道上穿大曬網(wǎng)村1號(hào)鐵路隧道與天彩坑崗公路隧道上穿雙石巖鐵路隧道計(jì)算工況與思路一致,為避免多個(gè)變量對(duì)計(jì)算結(jié)果分析的影響,需提前確定其他參量。首先分析施工順序,控制鐵路隧道均施作二襯的方式,并考慮圍巖整體較好(Ⅲ級(jí)圍巖),因而控制變量均采用全斷面施工;其次考慮二襯施作時(shí)機(jī);最后,在最優(yōu)施工方案下,改變施工工法并進(jìn)行橫向?qū)Ρ确治?得到合理施工工法。相關(guān)計(jì)算工況如表2所示。

表2 計(jì)算工況

3 雙螺1號(hào)公路隧道上穿大曬網(wǎng)村1號(hào)鐵路隧道計(jì)算結(jié)果分析

3.1 合理施工順序研究

(1)塑性區(qū)分布

提取不同施工順序下鐵路隧道及公路隧道橫剖面圍巖塑性區(qū)分布如圖6所示,兩種工況塑性區(qū)分布較為相近,塑性區(qū)主要分布在兩洞四周,橫通道拱頂位置塑性區(qū)較小,無(wú)論采用何種施工順序,交叉段塑性區(qū)發(fā)生貫通,圍巖處于不穩(wěn)定狀態(tài),工況1中僅在橫通道下側(cè)以及鐵路隧道上側(cè)部位發(fā)生張拉剪切破壞,而工況2開(kāi)挖時(shí)在兩洞四周較大范圍都發(fā)生了張拉剪切破壞,因而工況2更為不利。

圖6 不同施工順序下圍巖塑性區(qū)分布

由圖6可知,下部鐵路隧道后開(kāi)挖造成上部巖體擾動(dòng)損傷,塑性區(qū)范圍擴(kuò)大。上部公路隧道橫通道后開(kāi)挖由于斷面較小,擾動(dòng)范圍也較小,且不受鐵路隧道開(kāi)挖的影響。對(duì)比分析兩工況塑性區(qū)范圍,總體來(lái)說(shuō)工況1要優(yōu)于工況2,即鐵路隧道先行開(kāi)挖要優(yōu)于公路隧道橫通道先行開(kāi)挖。

(2)初支受力

不同開(kāi)挖順序下初支應(yīng)力對(duì)比如表3所示,無(wú)論采用何種施工順序,初支壓應(yīng)力均出現(xiàn)在交叉隧道連線部位,鐵路隧道初支拉應(yīng)力出現(xiàn)在拱底,而公路隧道初支拉應(yīng)力出現(xiàn)在左右邊墻位置。

表3 不同開(kāi)挖順序下初支應(yīng)力對(duì)比 MPa

比較表3可知,工況2相比工況1會(huì)造成公路隧道橫通道初支最大壓應(yīng)力以及鐵路隧道初支最大拉應(yīng)力較大幅度增長(zhǎng),因工況2對(duì)開(kāi)挖穩(wěn)定性而言較為不利,但與此同時(shí)也會(huì)減小公路橫通道初支拉應(yīng)力。

(3)錨桿受力

不同施工順序下錨桿應(yīng)力如圖7所示,由兩工況錨桿應(yīng)力可知,錨桿應(yīng)力主要集中于隧道拱頂位置。工況1中公路隧道橫通道錨桿最大應(yīng)力約為15.32 MPa,鐵路隧道錨桿最大應(yīng)力約為241.6 MPa;工況2中公路隧道橫通道錨桿最大應(yīng)力約為33.56 MPa,鐵路隧道錨桿最大應(yīng)力約為103.73 MPa。整體來(lái)說(shuō),鐵路隧道錨桿應(yīng)力數(shù)值較大,而先行開(kāi)挖隧道會(huì)造成該隧道錨桿應(yīng)力顯著增大,雖然不同開(kāi)挖順序下錨桿應(yīng)力均在荷載承受范圍內(nèi),但出于減小最大錨桿應(yīng)力角度,應(yīng)先開(kāi)挖公路隧道。

圖7 不同施工順序下錨桿受力分布(單位:Pa)

(4)二襯受力

提取不同施工順序下二襯應(yīng)力如圖8所示,工況1公路隧道橫通道二襯最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在邊墻與拱肩位置,鐵路隧道最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在拱頂;工況2則分別出現(xiàn)在拱底與兩側(cè)邊墻。工況1公路隧道最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在拱底與邊墻,鐵路隧道最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在右拱腰,而工況2則出現(xiàn)在邊墻與拱頂附近。從最大值數(shù)值上來(lái)看,先開(kāi)挖隧洞將會(huì)造成二襯最大拉壓應(yīng)力增大,橫通道較為脆弱,是本線的薄弱環(huán)節(jié),應(yīng)該先開(kāi)挖鐵路隧道來(lái)減小橫通道二襯的受力,并且工況2的二襯拉應(yīng)力達(dá)0.74 MPa,可能發(fā)生受拉破壞,因而較為不利。

圖8 不同開(kāi)挖順序下二襯受力對(duì)比

(5)圍巖變形

提取不同施工順序下鐵路隧道與公路隧道拱頂沉降、左拱腰收斂、右拱腰收斂,如圖9～圖11所示。由圖9可知,工況1鐵路隧道拱頂沉降隨著隧道開(kāi)挖快速增長(zhǎng),后開(kāi)挖公路隧道時(shí),鐵路隧道拱頂沉降還會(huì)略微回彈減小,公路隧道拱頂沉降在公路隧道開(kāi)挖時(shí)快速增長(zhǎng);工況2公路隧道拱頂沉降隨隧道開(kāi)挖快速增長(zhǎng),此時(shí)鐵路隧道拱頂處會(huì)出現(xiàn)較為明顯的隆起,隆起的現(xiàn)象在鐵路隧道開(kāi)挖后逐漸消失,轉(zhuǎn)為快速向下沉降。

圖9 不同開(kāi)挖順序下拱頂沉降對(duì)比

從數(shù)值上來(lái)講,先開(kāi)挖公路隧道拱頂沉降基本不變,鐵路隧道拱頂沉降最終值明顯減小,但由于工況2鐵路隧道開(kāi)挖過(guò)程中經(jīng)歷隆起過(guò)程,會(huì)對(duì)上方已施工的公路隧道橫通道產(chǎn)生不利影響,因而從拱頂沉降分析推薦先開(kāi)挖鐵路隧道。

由圖10、圖11可知,左右拱腰收斂變化規(guī)律基本一致,從最終數(shù)值上來(lái)講,采用何種施工順序影響不大,但不同施工順序會(huì)明顯影響左右拱腰數(shù)值變化。工況1鐵路隧道拱腰收斂隨隧道開(kāi)挖快速增加,后開(kāi)挖公路隧道時(shí),其數(shù)值有先減小后略微增大趨勢(shì),而公路隧道在鐵路隧道開(kāi)挖時(shí)數(shù)值先減小后略微增大,其后在公路隧道開(kāi)挖時(shí)拱腰收斂明顯增大;工況2公路隧道拱腰收斂在隧道開(kāi)挖以及鐵路隧道開(kāi)挖時(shí)均有明顯增加,而鐵路隧道拱腰收斂受公路隧道開(kāi)挖影響較小,在鐵路隧道開(kāi)挖段其收斂變形快速增大。

圖10 不同開(kāi)挖順序下左拱腰收斂對(duì)比

圖11 不同開(kāi)挖順序下右拱腰收斂對(duì)比

(6)施工順序確定

考慮圍巖塑性區(qū)以及二襯受力等情況,選取塑性區(qū)未廣泛發(fā)生剪切破壞的工況1,并且避免隧道二襯受拉破壞,同時(shí)從前文數(shù)值模擬結(jié)果中可以看到,先開(kāi)挖隧道會(huì)造成其二襯、錨桿等受力增大,后開(kāi)挖隧道受力較小,考慮橫通道是相對(duì)薄弱的部位,其受力不能太大,因而,先開(kāi)挖鐵路隧道對(duì)橫通道進(jìn)行保護(hù)。因此,雙螺1號(hào)公路隧道車行橫通道與大曬網(wǎng)村1號(hào)鐵路隧道交叉段的合理開(kāi)挖順序建議為:鐵路隧道-公路隧道橫通道。

3.2 鐵路隧道二襯施作時(shí)機(jī)影響研究

提取鐵路隧道不同二襯施作時(shí)機(jī)下(在公路隧道開(kāi)挖前施作或開(kāi)挖后施作)公路及鐵路隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力如表4所示。從表4可知,大曬網(wǎng)村1號(hào)鐵路隧道二襯施作時(shí)機(jī)對(duì)交叉段有較大影響。除公路隧道初支拉應(yīng)力變化不大外,無(wú)論是初支應(yīng)力還是錨桿應(yīng)力,鐵路隧道與橫通道受力在公路隧道開(kāi)挖后再施作二襯的情況下均有較大幅度增大,因而,建議鐵路隧道施作二襯后再進(jìn)行公路隧道開(kāi)挖以保證安全。

表4 不同二襯施作時(shí)機(jī)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力結(jié)果對(duì)比 MPa

3.3 合理施工工法研究

為研究雙螺1號(hào)公路隧道與大曬網(wǎng)村1號(hào)鐵路隧道交叉段施工工法影響,提出公路隧道橫通道和鐵路隧道適宜施工工法。公路隧道橫通道采用全斷面及兩臺(tái)階法開(kāi)挖,鐵路隧道采用全斷面、臺(tái)階法、CD法開(kāi)挖,如圖12所示。工況1為鐵路隧道與公路橫通道均采用全斷面開(kāi)挖;工況4為鐵路隧道與公路橫通道均采用臺(tái)階法開(kāi)挖;工況5為鐵路隧道采用CD法開(kāi)挖,公路橫通道采用臺(tái)階法開(kāi)挖。

圖12 隧道不同施工工法示意

(1)支護(hù)結(jié)構(gòu)受拉

不同施工工法下支護(hù)結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力對(duì)比如圖13所示,從圖13可知,全斷面下支護(hù)結(jié)構(gòu)受力穩(wěn)定性較好,支護(hù)結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力數(shù)值也較小;而采用臺(tái)階法后支護(hù)結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力進(jìn)一步增大;CD法下支護(hù)結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力最大。主要原因在于隧道圍巖為Ⅲ級(jí),圍巖條件較好,此時(shí)采用全斷面能較好發(fā)揮圍巖優(yōu)勢(shì),避免分臺(tái)階以及分部開(kāi)挖對(duì)圍巖造成的二次擾動(dòng),并且考慮全斷面開(kāi)挖施工速度快、成本低,因而,從支護(hù)結(jié)構(gòu)受拉出發(fā)因選擇全斷面開(kāi)挖方式。

圖13 不同施工工法支護(hù)結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力對(duì)比

(2)支護(hù)結(jié)構(gòu)受壓

不同施工工法下公路隧道、鐵路隧道初支壓應(yīng)力分布分別如圖14、圖15所示,全斷面-臺(tái)階法-CD法公路隧道初支壓應(yīng)力最大值逐漸減小,鐵路隧道初支壓應(yīng)力最大值逐漸增大;從出現(xiàn)部位上來(lái)說(shuō),全斷面轉(zhuǎn)化為臺(tái)階法以及CD法,公路隧道初支最大壓應(yīng)力由左邊墻轉(zhuǎn)移到左拱腰,鐵路隧道初支最大壓應(yīng)力由拱頂轉(zhuǎn)移到左拱腰。

圖14 不同施工工法公路隧道初支壓應(yīng)力對(duì)比(單位:MPa)

圖15 不同施工工法鐵路隧道初支壓應(yīng)力對(duì)比(單位:MPa)

從初支壓應(yīng)力分布來(lái)說(shuō),無(wú)論是公路隧道橫通道還是鐵路隧道,臺(tái)階法施工方式會(huì)導(dǎo)致初支應(yīng)力往上臺(tái)階轉(zhuǎn)移,CD法施工方式會(huì)導(dǎo)致初支壓應(yīng)力往左側(cè)轉(zhuǎn)移,這主要是由施工方式?jīng)Q定的,因而,從初支壓應(yīng)力均勻分布角度應(yīng)選擇全斷面開(kāi)挖。

不同施工工法下公路隧道、鐵路隧道二襯壓應(yīng)力數(shù)值如表5所示。從表5可知,全斷面-臺(tái)階法-CD法二襯壓應(yīng)力整體逐漸減小,公路隧道二襯壓應(yīng)力在臺(tái)階法時(shí)最優(yōu),鐵路隧道二襯壓應(yīng)力在CD法時(shí)最優(yōu)。

表5 不同施工工法二襯壓應(yīng)力對(duì)比 MPa

(3)錨桿受力

不同施工工法下公路隧道、鐵路隧道錨桿受力如表6所示,全斷面開(kāi)挖公路隧道錨桿應(yīng)力最優(yōu),臺(tái)階法開(kāi)挖鐵路隧道錨桿應(yīng)力最優(yōu)。

表6 不同施工工法錨桿受力對(duì)比 MPa

(4)施工工法確定

不同工法下圍巖隧道受力變形結(jié)果如表7所示,由表可知,工況4(均采用臺(tái)階法開(kāi)挖)僅在鐵路隧道錨桿應(yīng)力以及二襯壓應(yīng)力上有優(yōu)勢(shì);工況5(橫通道采用臺(tái)階法,鐵路隧道采用CD法)在橫通道上初支與二襯壓應(yīng)力上有優(yōu)勢(shì);而工況1(均采用全斷面開(kāi)挖)在初支與二襯拉應(yīng)力、橫通道錨桿受力以及鐵路隧道初支壓應(yīng)力方面均較為優(yōu)秀,并且此時(shí)初支壓應(yīng)力分布更為均勻,考慮全斷面開(kāi)挖施工速度快、成本低,并且由于隧道圍巖為Ⅲ級(jí),圍巖條件較好,考慮施工條件及工期,建議鐵路隧道采用全斷面法開(kāi)挖。

表7 不同施工工法對(duì)比 MPa

4 天彩坑崗公路隧道右線上穿雙石巖鐵路隧道計(jì)算結(jié)果分析

4.1 合理施工順序研究

(1)塑性區(qū)分布

提取不同施工順序下圍巖塑性區(qū)分布如圖16所示。由圖16可知,隧道塑性區(qū)集中在開(kāi)挖范圍頂部和下部,以及公路右線與鐵路隧道中夾巖處,由于超前小導(dǎo)管的作用,在小導(dǎo)管施作范圍內(nèi)塑性區(qū)范圍明顯較小,鐵路隧道與公路隧道右線間凈距13.5 m,兩洞先后開(kāi)挖擾動(dòng)影響對(duì)中夾巖造成了累計(jì)損傷,導(dǎo)致兩洞間中夾巖處塑性區(qū)范圍增大。對(duì)比分析工況1、工況2的塑性區(qū)范圍,總體來(lái)說(shuō)工況1要優(yōu)于工況2,即鐵路隧道先行開(kāi)挖要優(yōu)于公路隧道先行開(kāi)挖。并且隧道塑性區(qū)分布相比3.1節(jié)明顯減小,表明增大隧道凈距對(duì)于控制塑性區(qū)的作用效果顯著。

圖16 不同施工順序下圍巖塑性區(qū)分布

(2)結(jié)構(gòu)受力

提取中間斷面位置處初支變形與初支最大壓應(yīng)力,如圖17所示。

圖17 不同施工順序下初支受力變形(變形單位:m;應(yīng)力單位:Pa)

公路隧道初支變形主要集中在拱頂,鐵路隧道初支變形主要集中在右拱肩,初支最大壓應(yīng)力在拱腳處取最大值,為9.01～13.88 MPa。從量值上來(lái)說(shuō),工況1依然為最優(yōu)工況,這與前述塑性區(qū)分析及圍巖位移分析中的結(jié)果一致,先開(kāi)挖公路隧道會(huì)全面增大初支受力以及變形。

(3)錨桿受力

提取中間斷面位置處錨桿受力如圖18所示。錨桿最大應(yīng)力主要出現(xiàn)在鐵路隧道拱頂至右拱肩之間,從數(shù)值上來(lái)說(shuō),先開(kāi)挖鐵路隧道錨桿最大受力為49.94 kN,而先開(kāi)挖公路隧道錨桿最大受力為57.02 kN,因而先開(kāi)挖鐵路隧道的方式更為有利。

圖18 不同施工順序下錨桿受力分布(單位:N)

(4)圍巖變形

圍巖隧道變形云圖以工況1為例,如圖19所示,不同施工順序隧道變形數(shù)值如表8所示。

表8 不同施工順序圍巖隧道最大變形對(duì)比 mm

圖19 工況1圍巖隧道變形云圖(單位:m)

由圖19及表8可知,整體來(lái)說(shuō)水平變形發(fā)生在左右拱腰,豎向沉降發(fā)生在拱頂,豎向隆起發(fā)生在拱底;公路隧道與鐵路隧道的水平變形區(qū)發(fā)生貫通,主要由于兩者凈距較小,表明兩者水平變形互相影響,并且由于計(jì)算段埋深較小,圍巖隧道變形以豎向位移為主,且位移量明顯受地形影響,不論開(kāi)挖順序如何,雙石巖鐵路隧道洞周位移始終最大。對(duì)比工況1、工況2可知,水平位移由大至小為工況2>工況1;豎直隆起位移由大至小為工況2>工況1,由此對(duì)比可知,公路隧道應(yīng)在鐵路隧道施工完成后再開(kāi)挖更為合理,因此,天彩坑崗公路隧道與雙石巖鐵路隧道交叉段的合理開(kāi)挖順序?yàn)?鐵路隧道-公路隧道右線。

(5)施工順序確定

鐵路隧道先行開(kāi)挖在塑性區(qū)分布、初支變形與受力、圍巖變形以及錨桿受力等方面均更為優(yōu)異,因而天彩坑崗公路隧道與雙石巖鐵路隧道交叉段的合理開(kāi)挖順序?yàn)?鐵路隧道-公路隧道右線。并且天彩坑崗公路隧道右線上穿雙石巖鐵路隧道工程相較雙螺1號(hào)公路隧道上穿大曬網(wǎng)村1號(hào)鐵路隧道工程隧道凈距大,計(jì)算所得的施工擾動(dòng)更小,表明隧道凈距增加可以減小施工擾動(dòng),并且在不同凈距下均推薦采用下行隧道先行的施工順序。

4.2 鐵路隧道二襯施作時(shí)機(jī)影響研究

(1)塑性區(qū)分布

鐵路隧道不同二襯施作時(shí)機(jī)情況下圍巖塑性區(qū)分布如圖20所示,工況3中鐵路隧道二襯在公路隧道開(kāi)挖后施作,與工況1中在公路隧道開(kāi)挖前施作的結(jié)果對(duì)比可以看出,塑性區(qū)范圍大幅增大,增大范圍主要在鐵路隧道四周,而且在隧道拱底出現(xiàn)正在發(fā)育的塑性區(qū)。因此,工況1明顯要優(yōu)于工況3,即鐵路隧道二襯在公路隧道開(kāi)挖前施作對(duì)圍巖塑性區(qū)分布更有利。

圖20 不同二襯施作時(shí)機(jī)下圍巖塑性區(qū)分布對(duì)比

(2)支護(hù)結(jié)構(gòu)與錨桿受力

鐵路隧道不同二襯施作時(shí)機(jī)下初支最大壓應(yīng)力與錨桿軸向受拉如表9所示。后施作二襯工況,初支最大壓應(yīng)力以及錨桿受力均有明顯增大,考慮初支壓應(yīng)力過(guò)大易造成混凝土開(kāi)裂,因而,建議選用鐵路隧道先施作二襯的方式。

表9 鐵路隧道不同二襯施作時(shí)機(jī)下初支與錨桿受力

(3)圍巖隧道變形

提取鐵路隧道不同二襯施作時(shí)機(jī)下圍巖隧道變形如圖21所示。從圖21可知,鐵路隧道二襯后施作時(shí)圍巖隧道變形均有較為明顯增大,其中對(duì)隧道洞周變形以及初支變形的增加效果最為明顯,因而,出于安全角度應(yīng)在公路隧道開(kāi)挖前施作二襯。

圖21 不同二襯施作時(shí)機(jī)下圍巖隧道變形

(4)二襯施作時(shí)機(jī)

綜上所示,后施作二襯時(shí),圍巖塑性區(qū)、初支變形、錨桿受力以及圍巖隧道變形均有較為明顯增大,因而,建議雙石巖鐵路隧道施作二襯后再進(jìn)行后續(xù)施工。

4.3 合理施工工法研究

(1)塑性區(qū)分布

工況4和工況5塑性區(qū)分布如圖22所示,并將相關(guān)結(jié)果與工況1進(jìn)行比較可知,3種工況下塑性區(qū)范圍相差不大。與工況1相比,工況4公路隧道右線拱底部的塑性區(qū)范圍有所減少;工況5出現(xiàn)了張拉塑性區(qū)?？傮w來(lái)說(shuō),工況4略好,即采用臺(tái)階法開(kāi)挖施工。

圖22 工況4、工況5塑性區(qū)分布

(2)支護(hù)結(jié)構(gòu)與錨桿受力

不同工法下初支與錨桿受力如圖23所示,從圖23可知,初支壓應(yīng)力在工況4中取得最小值,錨桿軸向拉力最小值在工況1取得,工況1、工況4、工況5錨桿軸向拉力最大值都在鐵路隧道中取得,由于鐵路隧道開(kāi)挖時(shí)受到擾動(dòng)更大,因此,軸向拉力更大,但其值都遠(yuǎn)小于錨桿屈服強(qiáng)度。

圖23 不同工法下初支與錨桿受力情況

(3)圍巖隧道變形

不同施工工況下圍巖隧道變形如圖24所示。從圖24可知,從全斷面—臺(tái)階法—CD法,地表及拱頂沉降、洞周收斂先增加后減小,全斷面施工時(shí)變形最小,初支變形臺(tái)階法最小,全斷面次之,總體來(lái)說(shuō),從圍巖隧道變形上分析全斷面最優(yōu)。

圖24 不同工法下圍巖隧道變形情況

(4)施工工法確定

綜上所述,不同工法下圍巖隧道受力變形情況如表10所示,臺(tái)階法施工方式在初支受壓以及初支變形上最優(yōu),全斷面施工方式在地表變形、洞周變形、錨桿受力上最優(yōu),考慮圍巖條件較好,并且結(jié)合施工的難易程度,全斷面施工較為便捷經(jīng)濟(jì),因而推薦選用全斷面施工。

表10 施工工法比選

(5)兩種交叉隧道施工方案

總結(jié)前文關(guān)于甬舟公鐵路中兩個(gè)典型小凈距交叉段工程相關(guān)研究,針對(duì)大交角交叉隧道與小交角交叉隧道,推薦下方隧道先行施工,上方隧道施工前下方隧道二襯應(yīng)施工完畢,并在Ⅲ級(jí)圍巖下可采用全斷面施工,兩種交叉隧道施工方案建議如表11所示。

表11 兩種交叉隧道施工方案建議

4 結(jié)論與展望

依托甬舟公鐵路中雙螺1號(hào)公路隧道橫通道上穿大曬網(wǎng)村1號(hào)鐵路隧道、天彩坑崗公路隧道右線上穿雙石巖鐵路隧道兩個(gè)典型小凈距交叉段工程,通過(guò)數(shù)值計(jì)算分析了小凈距隧道施工擾動(dòng)、施工順序、二襯施作時(shí)機(jī)、施工工法的影響,主要研究結(jié)論如下。

(1)隧道極小凈距上穿時(shí),塑性區(qū)貫通,初支應(yīng)力出現(xiàn)在交叉隧道連線處;隧道小凈距上穿時(shí),塑性區(qū)集中于隧道上下側(cè)及交叉隧道中夾巖處,交叉隧道水平變形區(qū)域發(fā)生貫通且公路隧道拱頂初支發(fā)生較大變形。建議優(yōu)先施工下方隧道,并在上方隧道施工前施作二襯。

(2)Ⅲ級(jí)圍巖下,隧道上穿施工建議結(jié)合施工難度與掘進(jìn)速度選用全斷面法。

文中主要研究確定小凈距隧道施工方案,山區(qū)隧道多采用爆破法施工,爆破振動(dòng)下小凈距交叉隧道安全性、結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)以及超前加固方式與參數(shù)對(duì)小凈距交叉隧道施工影響,有待進(jìn)一步展開(kāi)研究,后續(xù)重點(diǎn)研究小凈距交叉隧道爆破影響與預(yù)加固措施。