本文摘要：摘要：小凈距交叉隧道的施工順序問題一直未有定論。結(jié)合重慶鐵路樞紐東環(huán)線磨心坡隧道和柿子坪隧道超小凈距交叉段工程，通過數(shù)值模擬計算，對隧道襯砌結(jié)構(gòu)的位移和內(nèi)力響應(yīng)進(jìn)行研究，得出以下結(jié)論：1)不同的施工順序?qū)ο�、后行隧道結(jié)構(gòu)的位移和內(nèi)力影響均有較大影響，
摘要：小凈距交叉隧道的施工順序問題一直未有定論。結(jié)合重慶鐵路樞紐東環(huán)線磨心坡隧道和柿子坪隧道超小凈距交叉段工程，通過數(shù)值模擬計算，對隧道襯砌結(jié)構(gòu)的位移和內(nèi)力響應(yīng)進(jìn)行研究，得出以下結(jié)論：1)不同的施工順序?qū)ο�、后行隧道結(jié)構(gòu)的位移和內(nèi)力影響均有較大影響，且上層隧道所受影響更為顯著;2)近接交叉隧道施工時，結(jié)構(gòu)響應(yīng)會表現(xiàn)出強烈的空間相對性，即兩隧道結(jié)構(gòu)的凈距越小，相互影響越大，后行隧道位于先行隧道的某側(cè)，則對該側(cè)隧道的影響更為明顯。3)以襯砌豎向位移和主拉應(yīng)力控制作為主要考慮因素，建議磨心坡隧道和柿子坪隧道近接交叉段采用“先上后下”的施工順序。
關(guān)鍵詞：交叉隧道;超小凈距;施工順序;位移;內(nèi)力;先上后下
引言
超小凈距交叉隧道施工時，合理的先行、后行隧道的施工順序?qū)䦟伤淼酪r砌結(jié)構(gòu)的變形和受力都產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，但選擇“先上后下”還是“先下后上”的問題卻一直沒有定論，國內(nèi)外學(xué)者針對此問題進(jìn)行了大量研究。吳占瑞等研究了近距離交叉隧道施工過程中襯砌的變形、受力和安全系數(shù)，得出中間圍巖整體安全系數(shù)偏低，彎矩和軸力拱腰位置最大的結(jié)論[1]。李玉峰等采用數(shù)值計算方法研究了立體交叉隧道施工的影響因素，得出了圍巖級別、交叉角度和巖柱高度等3個影響因素分別對新建隧道施工引起的既有隧道拱頂沉降及初期支護(hù)內(nèi)力變化的影響規(guī)律[2]。
趙則超研究了立體交叉隧道不同近接距離下隧道圍巖壓力、結(jié)構(gòu)位移和內(nèi)力的變化規(guī)律，得出立交點附近兩隧道圍巖壓力得到一定釋放，出現(xiàn)向鄰近隧道方向的變形，內(nèi)力呈現(xiàn)一定的不對稱性，且隨著水平間距的增大，不對稱性十分明顯[3]。劉光耀采用“先下后上”和“先上后下”兩種施工方案對地下立交隧道的正交段施工過程進(jìn)行了研究，對比分析了兩種施工方案下圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移、應(yīng)力和洞周塑性區(qū)范圍等，得出正交隧道的“先上后下”施工方案更為合理的結(jié)論[4]。
陳玉龍對重慶市軌道交通六號線一期工程中的重疊隧道段進(jìn)行了開挖順序研究，通過分析地表沉降以及開挖過程中各洞室周圍圍巖變形和應(yīng)力變化情況，得出了“先上后下”對隧道間的施工擾動影響小于“先下后上”，并論證了隧道施工的安全性和合理施工間距[5]。江宇等對近距離重疊盾構(gòu)隧道施工的相互影響，得出采用“先上后下”的施工順序，對地表沉降和管片環(huán)向應(yīng)力應(yīng)變影響最小[6]。
而部分學(xué)者得出了不同的結(jié)論，如郭晨對深圳地鐵3號線老-東區(qū)間一段凈距僅為1.6m重疊盾構(gòu)隧道進(jìn)行了分析，得出采用“先下后上”的施工順序，后建隧道的施工對地表沉降和已建隧道的二次擾動更小[7]。呂奇峰等對深圳地鐵5號線和7號線中出現(xiàn)的重疊隧道段施工順序問題進(jìn)行了研究，結(jié)合塑性區(qū)分布和襯砌內(nèi)力的影響率，得出“先下后上”的施工順序較為有利的結(jié)論[8]。張杰研究了淺埋條件下超近距離立體交叉隧道的施工順序，得出無論是圍巖位移場、應(yīng)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”施工順序的影響均更小一些[9]。
綜上所述，城市軌道交通工程中的近接交叉問題較為顯著，山嶺隧道工程相對較少，但總體上，不同隧道立體交叉、重疊、并行等近接施工問題越來越多，然而對于立體交叉隧道的先、后行施工順序并無統(tǒng)一的結(jié)論，均需要根據(jù)實際工程情況、圍巖特性、交叉角度和近接距離等參數(shù)進(jìn)行具體分析，而且判定影響大小的參數(shù)也對結(jié)論影響極大。因此，本文以重慶鐵路樞紐東環(huán)線工程磨心坡隧道和柿子坪隧道交叉段為工程背景，通過數(shù)值模擬分析，以兩隧道結(jié)構(gòu)位移和內(nèi)力作為影響判據(jù)，確定了合理的隧道施工順序。
1依托工程概況
重慶鐵路樞紐東環(huán)線起于江津區(qū)，經(jīng)珞璜、南彭、茶園等地，重點接軌于襄渝鐵路磨心坡站，正線全長155.5km，線路存在幾處隧道近接交叉段，隧道交叉段結(jié)構(gòu)凈間距均小于3m，交叉角度從重疊到49°不等，是隧道近接交叉的典型工程。在先行隧道小于3m范圍內(nèi)修建后行隧道，屬于超小凈距隧道施工，后行隧道施工對先行隧道的影響極大。其中，磨心坡隧道與柿子坪隧道近距離交叉，且磨心坡隧道位于柿子坪隧道上方，埋深約為70m，兩隧道斜交角度約32°，軌面高差約11.5m，結(jié)構(gòu)間凈距僅約0.9m。
1.1計算工況
為減小隧道近接交叉段的施工影響，確定磨心坡隧道與柿子坪隧道交叉段的合理施工順序。通過建立有限差分?jǐn)?shù)值計算模型，進(jìn)行隧道開挖模擬，并根據(jù)隧道結(jié)構(gòu)的位移及應(yīng)力響應(yīng)情況，確定合理的施工順序。為簡化計算過程，僅考慮后行隧道施工對先行隧道的影響。其中，當(dāng)“先下后上”施工時，下隧道一次性挖通并支護(hù)，上隧道正常施工。而當(dāng)“先上后下”施工時，上隧道一次性挖通并支護(hù)，下隧道正常施工。
1.2計算模型及參數(shù)
1.2.1模型介紹
以磨心坡隧道與柿子坪隧道交叉段結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)和設(shè)計施工工法為依據(jù)，建立有限差分?jǐn)?shù)值計算模型。交叉段隧道采用上下臺階法開挖，臺階長度為5m左右，開挖步距為1.0m。初支落后開挖面1環(huán)支護(hù)，二次襯砌一次性支護(hù)長度為9m。錨桿加固區(qū)取3.5m，其中，洞口為大管棚加固區(qū)，其余地段為小導(dǎo)管加固區(qū)。
1.2.2參數(shù)設(shè)置
數(shù)值模型四周和底部均設(shè)置法向位移約束，頂部為地表，無約束。圍巖采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型，襯砌結(jié)構(gòu)采用彈性本構(gòu)模型，加固區(qū)范圍按錨桿作用范圍設(shè)計，參數(shù)在圍巖基礎(chǔ)上根據(jù)經(jīng)驗適當(dāng)提高。
1.3監(jiān)測斷面布置
為簡化計算結(jié)果分析和說明，分別在兩隧道上取3個考察斷面代表全隧變形和受力情況。其中B、E斷面分別為兩隧道的交叉斷面，A-B-C斷面分別相距20m，處于柿子坪隧道上，D-E-F斷面也分別相距20m，處于磨心坡隧道上。
2計算結(jié)果對比分析
2.1位移結(jié)果對比分析
分別提取上層隧道開挖前、后的兩隧道位移計算結(jié)果進(jìn)行分析。限于篇幅，僅選擇最具代表性的柿子坪隧道B斷面及磨心坡隧道E斷面計算結(jié)果進(jìn)行分析說明。上層的磨心坡隧道開挖后，柿子坪隧道的整體變形規(guī)律并未發(fā)生改變，但上層隧道周圍圍巖向隧道內(nèi)變形形成卸荷區(qū)，柿子坪隧道受上方隧道施工影響，隧道有整體抬升的趨勢，其拱頂沉降量大幅減小，而仰拱隆起值增大。
上層的磨心坡隧道開挖后，柿子坪隧道左右邊墻水平位移同步增大，且增幅也較為接近。這是由于在交叉斷面處，上下層隧道近似對稱分布，左右邊墻所受影響幾乎相同，但上、下隧道均開挖完成后，圍巖塑性區(qū)聯(lián)通，導(dǎo)致圍巖變形加劇，周邊收斂增大。先行柿子坪隧道在B斷面處受后行磨心坡隧道施工影響最大。其中，B斷面仰拱隆起變形增大了44%，A、C斷面增大了約30%，B斷面拱頂沉降減小了55%，A、C斷面僅減小了10%左右;B斷面水平位移同步增大了約70%，A斷面向左的最大變形減小了70%，向右最大變形增大了約30%，而C斷面變形趨勢與A斷面正好相反。
分析可知，近接交叉隧道施工時，其位移變形規(guī)律與兩隧道的空間位置表現(xiàn)出極大的相關(guān)性，且兩隧道的凈距越小，所受影響越大。當(dāng)采用“先下后上”順序施工時，后行隧道對先行隧道的豎向位移影響表現(xiàn)為整體抬升，而對其水平位移而言，則當(dāng)后行隧道位于先行隧道的某側(cè)，則出現(xiàn)向某側(cè)變形的趨勢，當(dāng)然后行隧道也會受到先行隧道開挖卸荷的影響而呈現(xiàn)出不同的空間反應(yīng)。
先行磨心坡隧道在E斷面處受后行柿子坪隧道施工影響最大。其中，E斷面仰拱隆起變形減小了18%，A、C斷面僅減小了約7%，三個斷面拱頂沉降增大了23%左右;E斷面向右最大水平位移增大了33%，A斷面向左最大變形增大了12%，F(xiàn)斷面向右最大變形增大了27%。柿子坪隧道在B斷面處仰拱隆起遠(yuǎn)大于拱頂沉降值，也略大于A、C斷面;其水平位移較為對稱，且量值大于A、C斷面，斷面A向右最大變形更大，而C斷面向左最大變形更大，趨勢正好相反。這與“先下后上”施工時提出的空間相對性十分吻合。
2.2內(nèi)力結(jié)果對比分析
2.2.1“先下后上”順序
柿子坪隧道在磨心坡隧道開挖前、后，整體受力規(guī)律未發(fā)生變化，均表現(xiàn)為初支的拱腰~邊墻處壓應(yīng)力較大，而二襯整體所受壓應(yīng)力較小，三個斷面的主壓應(yīng)力在后行隧道開挖前、后也變化不大。
柿子坪隧道在磨心坡隧道開挖前、后，二次襯砌的主拉應(yīng)力量值和分布出現(xiàn)了較大的變化。后行隧道開挖前，柿子坪隧道三個斷面的主拉應(yīng)力量值較為接近，均不超過0.3MPa。但后行隧道開挖后，柿子坪隧道左、右拱腰~邊墻的內(nèi)側(cè)出現(xiàn)了極大的對稱分布的拉引力集中，量值最大可達(dá)8.475MPa，已經(jīng)超過了C35混凝土的抗拉極限強度，可能會造成襯砌開裂。
而從A、C兩斷面的最大拉應(yīng)力分別出現(xiàn)在右墻角和左墻角，趨勢相反，這剛好與磨心坡隧道和柿子坪隧道的相對空間位置吻合。上層磨心坡隧道開挖前、后，柿子坪隧道的主壓應(yīng)力變化不大，在B斷面處降低了8%，而在A、C斷面則增加了7%。主拉應(yīng)力變化劇烈，在B斷面處增大了32倍，而A、C斷面增加了15倍左右。且兩隧道的襯砌結(jié)構(gòu)的主拉應(yīng)力和主壓應(yīng)力均有超限的情況，或造成結(jié)構(gòu)開裂和破壞，需調(diào)整相應(yīng)的施工工法以及施作對應(yīng)的防控措施。
3施工順序選擇
通過對“先上后下”和“先下后上”兩種施工順序進(jìn)行模擬開挖計算，將兩種工況下隧道結(jié)構(gòu)各考察斷面的豎直位移、水平位移、主壓應(yīng)力和主拉應(yīng)力的最大值進(jìn)行統(tǒng)計分析，結(jié)果列于表7中。由表可知，就柿子坪隧道而言，“先下后上”順序?qū)ζ湮灰瓶刂葡鄬Ω鼮橛欣r砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)力控制效果不佳。對磨心坡隧道而言，“先上后下”對其位移控制和拉應(yīng)力控制更為有利。
從現(xiàn)階段隧道施工技術(shù)水平來看，隧道的豎向位移和拉裂縫往往是施工單位較為頭疼的問題。因此，本次計算以豎向位移和主拉應(yīng)力作為施工順序選擇的主要控制因素，整體上看，對上、下層隧道而言，采用“先上后下”順序?qū)伤淼澜Y(jié)構(gòu)主拉應(yīng)力控制非常有利，同時對磨心坡隧道的豎向位移影響也更小，僅柿子坪隧道的最大沉降略大，但其最大值也未超過10mm，屬于可控范圍。因此，磨心坡和柿子坪隧道近接交叉段施工推薦采用“先上后下”順序。
4結(jié)論與建議
(1)不同的施工順序?qū)λ淼澜咏徊娑我r砌結(jié)構(gòu)的位移和內(nèi)力均有較大影響。但總體上對上層隧道的影響比對下層隧道的影響更大。(2)隧道近接交叉段施工時，結(jié)構(gòu)的位移和內(nèi)力響應(yīng)表現(xiàn)出極強的空間相對性。先、后行隧道的凈距越小，影響越大，且后行隧道位于先行隧道某側(cè)時，對先行隧道該側(cè)的影響更為明顯。(3)以襯砌豎向位移和主拉應(yīng)力控制為主要考慮因素，建議磨心坡隧道和柿子坪隧道近接交叉段合理的施工順序為“先上后下”。
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作者：劉金剛1
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