復(fù)雜地形立體交叉隧道施工工序的數(shù)值仿真研究

余先知，王驍男，龐林軍，周躍飛，龔 超

(1.深圳市地鐵集團(tuán)有限公司，廣東深圳 518035；2.西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610031 3.中國(guó)水利水電第十四工程局有限公司，云南昆明 650041)

1 工程概況

深圳地鐵10號(hào)線涼帽山車輛段，其基地出入線段隧道群共有8條暗挖隧道，3個(gè)明挖基坑。暗挖群隧道走向相互并行以及立體交叉、凈距小、位置關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜。隧道群立體交叉點(diǎn)總計(jì)6處，交叉點(diǎn)隧道斷面均為單洞單線馬蹄形標(biāo)準(zhǔn)斷面，不同交叉點(diǎn)穿越不同的地質(zhì)條件，采取不同的支護(hù)參數(shù)。其中，出入線隧道分別由甘坑站及涼帽山站站前接出，自北向南敷設(shè)。試車線自西向東敷設(shè)，在里程SCXK0+361.111處與出入線以近900斜交(圖1)。試車線隧道在下，出入線左、右線在上，豎向最近距離僅0.87 m，所在地層為III、 IV級(jí)圍巖。試車線隧道為單洞單線馬蹄形斷面，隧道凈空尺寸6.0 m×6.61 m，采用錨噴支護(hù)+鋼筋混凝土二次襯砌復(fù)合式結(jié)構(gòu)，襯砌厚度500 mm。

出入線左、右線隧道為單洞單線馬蹄形斷面，隧道凈空尺寸5.4 m×5.805 m，采用格柵鋼架+鋼筋混凝土二次襯砌復(fù)合式結(jié)構(gòu)，襯砌厚度400 mm。出入線及試車線典型斷面圖如圖2所示。其中單線單洞斷面III級(jí)圍巖段采用全斷面法爆破開挖，IV級(jí)圍巖段采用臺(tái)階法開挖。交叉點(diǎn)相交形式為正交，交叉長(zhǎng)度21.5 m。下方試車線隧道連續(xù)下穿出入線左、右線隧道，與右線隧道凈空距離2.755 m，與出入線左線隧道凈空距離為0.867 m。

試車線隧道穿過地層及長(zhǎng)度依次為微風(fēng)化角巖(80 m)、強(qiáng)風(fēng)化角巖(62.6 m)、中風(fēng)化花崗巖(53.7 m)、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖(53.4 m)、微風(fēng)化花崗巖(250.5 m)、微風(fēng)化角巖(97.3 m)、微風(fēng)化花崗巖(37.3 m)、微風(fēng)化角巖(407.2 m)、中風(fēng)化角巖(7 m)、強(qiáng)風(fēng)化角巖(100.6 m)、全風(fēng)化角巖(34.6 m)、素填土(80.8 m)、黏土(73.4 m)。其中立體交叉點(diǎn)區(qū)域地質(zhì)狀況如圖3和圖4所示。

(a) 立體交叉段平面示意

(b) 立體交叉段橫斷面示意圖1 立體交叉段示意

涼帽山車輛基地出入線段隧道群在該處的立體交叉點(diǎn)，隧道上下凈空距離小，地質(zhì)條件復(fù)雜等特點(diǎn)。如何選擇不同的開挖方法，確保交叉點(diǎn)快速、安全、穩(wěn)定施工是關(guān)鍵，為此，在施工前利用數(shù)值分析軟件進(jìn)行多種不同開挖順序的模擬，有利于選擇最優(yōu)方法保證小凈距立體交叉段隧道快速、安全、穩(wěn)定開挖。

2 FLAC 3D數(shù)值仿真

2.1 分析工況介紹

考慮到三線交叉的施工順序合理性，設(shè)計(jì)施工方案見表1。

(a) 典型斷面1

(b) 典型斷面2

圖3 交叉點(diǎn)右線隧道縱斷面

圖4 交叉點(diǎn)左線隧道縱斷面

表1 模擬工況設(shè)計(jì)

2.2 材料參數(shù)選取

根據(jù)勘察報(bào)告，計(jì)算選取各材料物理力學(xué)參數(shù)取值見表2。

2.3 數(shù)值模型建立

數(shù)值分析模型左右邊界考慮外擴(kuò)不小于2倍洞徑取20 m，底邊界考慮下延40 m。模型左右、前后邊界為可動(dòng)鉸支座，底邊界為固定鉸支座。模型整體三維及隧道空間位置示意見圖5。

圖5 隧道模型示意

材料重度/(kN·m-3)彈性模量/GPa泊松比粘聚力/kPa內(nèi)摩擦角/°回填土18.20.0570.3210.010.0黏性土17.90.0600.3023.022.0土狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖18.50.120.2526.029.0微風(fēng)化花崗巖27.00.800.2060042.0加固圍巖27.00.30.318038初期支護(hù)22.022.30.2——二襯25.032.40.20——

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 襯砌應(yīng)力

隧道支護(hù)選取復(fù)合式襯砌，結(jié)構(gòu)主要由初期支護(hù)和二次襯砌組成。按照新奧法理念，二次襯砌承載著較小的荷載比例，更重要作為安全儲(chǔ)備構(gòu)建存在。因此二次襯砌的應(yīng)力能較好地反映隧道結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)。經(jīng)過計(jì)算，四個(gè)施工方案的襯砌應(yīng)力云圖如圖6所示。

由圖6可知，方案2的襯砌壓應(yīng)力8.34 MPa，在四個(gè)方案中最小。但四個(gè)方案結(jié)果差距較小，四個(gè)方案的襯砌應(yīng)力

方案1(最大襯砌應(yīng)力8.40MPa)

方案2(最大襯砌應(yīng)力8.34MPa)

方案3(最大襯砌應(yīng)力8.37MPa)

方案4(最大襯砌應(yīng)力8.35MPa)

均在混凝土結(jié)構(gòu)安全范圍內(nèi)，遠(yuǎn)小于襯砌承載極限，有較大安全儲(chǔ)備。

3.2 豎向位移

立體交叉隧道主要研究豎直方向上不同結(jié)構(gòu)之間的影響，其中位移變化主要反映在豎向的沉降和隆起。依照方案設(shè)計(jì)，模擬施工完成后的隧道豎向位移計(jì)算結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知，方案1～3最大沉降可視為均在8.50 mm，均優(yōu)于方案4的8.98 mm。同時(shí)四個(gè)方案中均有7 mm左右的隆起產(chǎn)生，在施工中不可忽略。同時(shí)依據(jù)《鐵路隧道監(jiān)控量測(cè)技術(shù)規(guī)程》[1]的規(guī)定，計(jì)算結(jié)果均處于安全范圍，可知該設(shè)計(jì)的施工工法工序可以保證隧道的穩(wěn)定。

4 結(jié)論

(1)分析計(jì)算結(jié)果，四個(gè)方案中方案2的襯砌應(yīng)力最小，但四個(gè)方案差距不大均在安全范圍內(nèi)；方案1～3最大沉降可視為均在8.50 mm，較優(yōu)于方案4的8.98 mm。

方案1(最大沉降8.50mm)

方案2(最大沉降8.51mm)

方案3(最大沉降8.50mm)

方案4(最大沉降8.98mm)

(2)在綜合分析應(yīng)力及位移等多方面因素情況下，選取方案2(依次開挖入線、出線、試車線)較其他各方案整體占優(yōu)。依據(jù)實(shí)際工程允許范圍，建議優(yōu)先選取方案2。

(3)依據(jù)實(shí)際下層隧道的回彈變形在施工中不容忽視，而上層隧道先期施工的條件下能較好保證回彈變形的穩(wěn)定。

總體而言，各施工開挖方案圍巖沉降和應(yīng)力均在可控范圍，均是可行的施工方案。相比之下，方案2相對(duì)占優(yōu)，可以作為優(yōu)先選項(xiàng)。