超淺埋上下重疊鐵路隧道進洞施工的合理順序分析*

李元億 涂緒虎 謝卜均 徐前衛(wèi) 周 峰

(1.中鐵二局第五工程有限公司,610091,成都;2.同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室,201804,上海∥第一作者,工程師)

我國中西部地區(qū)山嶺隧道常遇到超淺埋隧道近距離重疊的情況。針對隧道施工,文獻[1]指出小間距重疊隧道施工順序的選擇及優(yōu)化是影響其施工安全與進度的關(guān)鍵;文獻[2]分析了各隧道群穩(wěn)定性判定指標的主次順序;文獻[3]從縱向位移和內(nèi)力的角度分析了軟土地區(qū)重疊盾構(gòu)隧道先下后上施工的安全性;文獻[4]研究了淺埋偏壓小凈距隧道合理開挖的順序問題;文獻[5]研究了陡坡偏壓條件下小凈距隧道的施工順序?qū)鷰r穩(wěn)定性的影響;文獻[6]基于有限元強度折減理論分析了圍巖發(fā)生極限破壞時的安全系數(shù)及塑性區(qū);文獻[7-8]分析了重疊隧道先上后下和先下后上兩種施工順序下圍巖的動力響應(yīng)。

1 工程概況

1.1 工程背景概述

重慶市雞公咀隧道采用超淺埋上下層重疊方式,上層為預(yù)留高鐵隧道,下層為重慶東環(huán)線鐵路隧道。圖1為該隧道在進口處(中心里程為AK63+715)的橫斷面示意圖。下層為東環(huán)線正線雙線隧道(中心里程為DK63+911.375),全長472.75 m,其隧道除進口端區(qū)段為曲線半徑等于1 600 m的右偏曲線(長度為336.60 m)外,其余區(qū)段均為直線,全隧采用5.4‰的縱坡單面下坡。上層為預(yù)留高鐵隧道(中心里程為AK63+890),全長380.00 m,全隧為曲線半徑等于1 300 m的右偏曲線。

圖1 上下層隧道進口處橫斷面示意圖

如圖1所示,隧道上下層軌面的最小高差約為13.96 m,最小凈巖層厚度為1.7 m,拱頂最大埋深為26 m。上層高鐵隧道進口延后設(shè)置了偏壓式明洞門及15 m偏壓明洞襯砌。下層隧道進口設(shè)置了明洞門及15 m偏壓明洞襯砌。

雞公咀隧道采用礦山法開挖,采用超前大管棚超前支護,并根據(jù)圍巖級別及現(xiàn)場地質(zhì)情況選用了兩臺階法并加裝臨時仰拱進行施工。初期支護采用厚27 cm的C25噴射混凝土,并設(shè)置φ22 mm的徑向錨桿;二次襯砌采用C35混凝土,上層隧道的襯砌厚度為55～65 cm,下層隧道的襯砌厚度為70 cm。

1.2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)情況

雞公咀隧道位于明月峽背斜西翼,隧區(qū)地層為單斜構(gòu)造,代表性產(chǎn)狀為N26°～33°/58°～70°NW,未見斷裂構(gòu)造。全隧圍巖分布為Ⅳ級及Ⅴ級,其中Ⅳ圍巖分布區(qū)間長度約為75 m,占上下層隧道全長(852.75 m)的8.8%。隧道進口端處覆有0～2 m粉質(zhì)黏土。

1.3 進洞方案

上下重疊隧道施工的進洞方案一般有2種:

1) 方案一(施工次序為先上后下),即:上層隧道先進洞,下層隧道后進洞;

2) 方案二(施工次序為先下后上),即:下層隧道先進洞,上層隧道后進洞。

本文對這兩種施工方案進行對比分析。雞公咀隧道開挖采用上、下層隧道均按臺階法加臨時橫撐施工,即上臺階開挖完后加設(shè)臨時橫撐。

2 數(shù)值模擬

2.1 模型建立及參數(shù)選取

選擇隧道進口端的橫斷面建立數(shù)據(jù)模型,進口端巖層屬V級圍巖,相應(yīng)的巖體力學參數(shù)按TB 10003—2016《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》選取。圍巖采用摩爾-庫倫本構(gòu)的平面應(yīng)變單元,二次襯砌采用彈性本構(gòu)的平面應(yīng)變單元。初期支護中的噴射混凝土和臨時橫撐采用彈性本構(gòu)一維梁單元進行模擬,錨桿主要起支護作用,在模型中將錨桿的作用區(qū)域等效為局部加固區(qū),加固區(qū)巖體參數(shù)按圍巖的1.1倍選取,材料參數(shù)取值如表1所示。

表1 模型材料物理力學參數(shù)表

計算模型的尺寸為90 m(長)×60 m(高)。在模型的側(cè)面和底面設(shè)置法向位移約束邊界,頂部為自由邊界。建立了二維有限元數(shù)值模擬網(wǎng)格模型,如圖2所示。

圖2 二維有限元模型

2.2 計算結(jié)果分析

2.2.1 圍巖豎向位移

圖3為兩種方案下引起的圍巖豎向位移云圖。由圖3可知:①方案一下,圍巖的豎向最大隆起值為3.82 mm,最大沉降值為3.13 mm,分別發(fā)生在下層隧道拱底及上下層隧道拱頂位置附近;下層隧道施工導致上層隧道拱頂沉降增大了94%,上部隧道拱底隆起減小了32%。②方案二下,圍巖的豎向最大隆起值為3.90 mm,最大沉降值為3.43 mm,分別發(fā)生在下層隧道拱底和上下層隧道拱頂位置附近;上層隧道施工導致下層隧道的拱底隆起和拱頂沉降分別增大了3.4%和6.0%。

圖3 兩種方案下圍巖的豎向位移云圖

2.2.2 圍巖水平位移

圖4為兩種方案下引起的圍巖水平位移云圖。由圖4可知:①方案一下,圍巖的最大水平位移值為2.10 mm(水平位移取向右為正),發(fā)生在下層隧道左拱腰附近;上層隧道左右拱腰處的水平位移收斂值分別為0.21 mm和0.89 mm;下層隧道施工導致上層隧道左側(cè)拱腰處的水平位移收斂值減小了72%,右側(cè)拱腰處的水平位移收斂值增大了27%。②方案二下,圍巖的最大水平位移值為1.81 mm,發(fā)生在下層隧道左拱腰附近;下層隧道左右拱腰處的水平位移收斂值分別1.77 mm和1.48 mm;上層隧道施工導致下層隧道右側(cè)拱腰處的水平位移收斂值收斂減小了19%,左側(cè)拱腰處的水平位移收斂值增大了5%。

圖4 兩種方案下圍巖的水平位移云圖

2.2.3 圍巖最大剪應(yīng)力

圖5為兩種方案下引起的圍巖最大剪應(yīng)力云圖。

圖5 兩種方案下圍巖的最大剪應(yīng)力云圖

由圖5可知:后行施工的隧道進洞后,圍巖的剪應(yīng)力主要分布在隧道周圍4 m范圍內(nèi);上層隧道的剪應(yīng)力主要分布在左右拱腰處,下層隧道的剪應(yīng)力主要分布在左右拱腰及拱肩處附近;方案一和方案二的最大剪應(yīng)力值分別為0.98 MPa和0.70 MPa,兩個方案在上下層隧道的連接部位均出現(xiàn)了剪應(yīng)力集中。

2.3 不同方案施工位移力學特性的對比分析

2.3.1 方案一

1) 豎向位移:先建隧道(上層隧道)進洞后,拱頂沉降值為1.27 mm,拱底隆起值為2.25 mm;后建隧道(下層隧道)進洞后,上層隧道的拱頂沉降值為2.47 mm,拱底隆起值為1.54 mm,拱頂處的沉降值增大了94%,拱底處的隆起值減小了32%。

2) 水平位移:先建隧道進洞后,左拱腰處的水平收斂值為0.76 mm,右拱腰處的收斂值為0.70 mm;后建隧道進洞后,上層隧道左拱腰處的水平收斂值為0.21 mm,右拱腰處的收斂值為0.89 mm,左拱腰處的收斂值減小了72%,右拱腰處的收斂值增大了27%。

3) 應(yīng)力水平:圍巖的最大主應(yīng)力為0.87 MPa,最大剪應(yīng)力為0.98 MPa。

2.3.2 方案二

1)豎向位移:先建隧道(下層隧道)進洞后,拱頂沉降值為3.23 mm,拱底隆起值為3.75 mm;后建隧道(上層隧道)進洞后,下層隧道的拱頂沉降值為3.43 mm,拱底隆起值為3.88 mm,分別增大了6%和增大3%。

2)水平位移:先建隧道進洞后,左拱腰處的位移收斂值為1.69 mm,右拱腰處的收斂值為1.83 mm;后建隧道進洞后,下層隧道左拱腰處的位移收斂值為1.77 mm,右拱腰處的收斂值1.48 mm,分別增大5%和減小19%。

3)應(yīng)力水平:地層最大主應(yīng)力0.64 MPa,最大剪應(yīng)力0.70 MPa。

2.3.3 推薦方案

綜上所述,先下后上施工順序不僅能減小施工引起的隧道變形,而且更有利于改善隧道結(jié)構(gòu)承載性能,控制塑性區(qū)范圍,故推薦采用方案二施工。

3 模擬結(jié)果與實際監(jiān)測結(jié)果對比分析

在下層隧道的拱頂和兩側(cè)拱腰處布置了監(jiān)測點,用以監(jiān)測隧道的實際位移數(shù)據(jù)。圖6為下層隧道拱頂處累計沉降及拱腰處累計周邊水平收斂的實測值。

由圖6可知:在實際施工中,下層隧道拱頂處的累計沉降最大值為3.43 mm,拱腰處的累計水平位移收斂最大值為3.25 mm。這兩個指標在監(jiān)測21 d后(2019年9月21日)趨于穩(wěn)定。

以方案二為例驗證模擬計算結(jié)果的可靠性。圖7為方案二下層隧道拱頂處累計沉降和拱腰處累計水平收斂的模擬結(jié)果和實測結(jié)果的對比情況。由圖7可知,模擬計算結(jié)果與實際監(jiān)測結(jié)果較為吻合。

4 結(jié)論

1) 方案一下,后建的下層隧道開挖會導致先建的上層隧道變形加劇;方案二下,后建的上層隧道對先建的下層隧道的影響較小。

2) 后建隧道對先建隧道水平位移的影響主要表現(xiàn)為后建隧道開挖后,先建隧道在左右拱腰處朝后建隧道方向有一定的水平收斂。

3) 與方案一相比,方案二更優(yōu),更有利于改善隧道結(jié)構(gòu)承載性能,控制塑性區(qū)范圍,降低支護結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞風險。