景泉

摘要：相對于常規(guī)隧道工程來說，交叉隧道工程施工難度更大，安全隱患更多，因而對超前支護施工要求更高。基于此，以某工程作為研究對象，通過有限元分析的方式，對隧道施工安全性進行了分析，之后以此為基礎(chǔ)提出了超前支護施工措施，以此為高速鐵路交叉隧道超前支護施工提供支持。

關(guān)鍵詞：高速鐵路；交叉隧道；超前支護施工；有限元分析

0? ?引言

高速鐵路是現(xiàn)代社會當中較為常見的交通工具，具有運行速度快等特點，因而其對無砟軌道沉降具有更高的要求。但在現(xiàn)代高速鐵路工程領(lǐng)域，典型的施工案例并不是很多，特別是小凈距工況下下穿高速鐵路的案例更是稀少[1]。間距較小的下穿高速鐵路隧道施工，一般以盾構(gòu)法為主。盾構(gòu)法施工質(zhì)量雖然可以達到要求，但也存在一些缺陷，如投入成本較高，施工現(xiàn)場環(huán)境較為復(fù)雜，施工難度較高。同時，能夠選擇的通道越來越少，隧道后續(xù)擴建時，若采用爆破法會對隧道的安全性造成嚴重影響。

近年來，隨著我國高鐵覆蓋范圍的不斷擴大，逐漸出現(xiàn)了越來越多的交叉隧道工程。在交叉隧道施工過程中，必須要通過對隧道施工安全性的分析，進而制定出相應(yīng)的超前支護施工方案，以確保整個交叉隧道施工活動順利進行，從而為整個高速鐵路隧道后續(xù)使用打下良好基礎(chǔ)。本文以某工程作為研究對象，通過有限元分析的方式，對隧道施工安全性進行了分析，之后以此為基礎(chǔ)提出了超前支護施工措施，以此為高速鐵路交叉隧道超前支護施工提供支持。

1? ?工程概況

某高速公路隧道工程屬于鄭萬高速鐵路的一部分。由于原車站標高較低，在與某鐵路并線時，需要在原鐵路段WDTK2+370～WDYK2+420處下穿施工。在兩隧道相交處，內(nèi)部結(jié)構(gòu)的最低距離僅有5m，交角約30°，基本可將兩者看成是交叉隧道。在隧道交叉區(qū)域內(nèi)，圍巖等級是V級，巖層屬于弱風(fēng)化白云巖、泥灰?guī)r夾泥巖。其中，對于泥灰?guī)r來說，具體為中厚層狀結(jié)構(gòu)；對于所夾泥巖來說，以泥質(zhì)結(jié)構(gòu)為主。該工程斷面參數(shù)如圖1所示。

2? ?工程隧道的安全性分析

2.1? ?下穿段數(shù)值的模擬分析

在下穿段模擬分析時，首先要選擇最佳的分析方案。實際工程所處現(xiàn)場地質(zhì)條件存在一定差異，且受到外界氣候、天氣等方面的影響，增加了模擬分析的難度[2]。所以，為了降低工程分析難度，本文針對工程具體情況，將其假設(shè)成半無限空間，通過有限元建模的方式，分析新建隧道施工與既有高鐵隧道間的關(guān)聯(lián)性。

分析過程中，為了直觀展示出施工現(xiàn)場的具體狀況，本文構(gòu)建出一個有限元三維模型，其長度是240m，高度是156m，寬度是125m。同時為了確保計算結(jié)果的準確性，還需考慮某高速鐵路隧道相鄰近隧道工程的修建狀況。

將模型上邊界定義成自由邊界。將下邊界定義成固定約束，將模型的側(cè)面邊界則定義成位移約束。在巖體方面，忽略巖體內(nèi)部存在細微的區(qū)別，采用均質(zhì)的彈塑性模型，以莫爾-庫侖定律為原理，通過實體單元予以模擬。

初期支護與二次襯砌分析時，采用的是普通彈性模型。在模擬分析時，利用圍巖應(yīng)力釋放系數(shù)的修改，以此模擬出不同超前大管棚支護施工情況，使其顯示出不同施工情況與圍巖變形間的關(guān)聯(lián)性。有限元三維模型圖如圖2所示。

確定出分析模型后，應(yīng)設(shè)置合理的模型參數(shù)。模型參數(shù)設(shè)置時，應(yīng)以擬建隧道工程與原隧道工程的具體情況，結(jié)合相關(guān)規(guī)定標準要求而定。三維模型各項參數(shù)見表1。

2.2? ?隧道結(jié)構(gòu)的受力分析

在上述參數(shù)條件下，通過有限元分析的方式，對隧道受力情況進行了分析，得到如表2與表3所示結(jié)果。其中，表2為原高鐵速隧道二襯內(nèi)應(yīng)力分析結(jié)果。表3為擬建高速鐵路隧道二襯內(nèi)力變化分析結(jié)果。

通過對比能夠發(fā)現(xiàn)，擬建隧道工程施工過程中，會對已建隧道工程帶來一定干擾，但干擾程度并不是很大，不會使已建隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)安全隱患。已建隧道的襯砌內(nèi)應(yīng)力較高，承載性較強，符合相關(guān)規(guī)定要求，可繼續(xù)對其應(yīng)用。

2.3? ?交叉段隧道間夾巖力學(xué)分析

2.3.1? ?建立模型

高速鐵路交叉施工過程中，隨著擬建工程的不斷建設(shè)，會對已建隧道產(chǎn)生一定的擾動，且施工時間越長，所產(chǎn)生的擾動越大，使得交叉段隧道間夾巖的應(yīng)力狀態(tài)變化過程非常復(fù)雜。

夾巖來是交叉段重疊隧道共同的圍巖，其力學(xué)性能是否良好，直接關(guān)系到整個隧道工程的使用效果[3]。所以，在交叉段隧道施工之前，應(yīng)對夾巖層力學(xué)特性予以計算分析。分析過程中，順著隧道建設(shè)的方向，以60m為間隔，分別設(shè)置一個斷面。

2.3.2? ?力學(xué)參數(shù)計算

本次研究當中，為了降低分析難度，需要做出以下假設(shè)：在巖土材料方面，滿足Mohr-Coulomb屈服準則的要求。當材料處于破壞界面時，其力學(xué)參數(shù)可通過下述公式表示：

其中，p表示整個分析面的應(yīng)力均值，q表示等效應(yīng)力，σ1表示第一主應(yīng)力，σ2表示第二主應(yīng)力，σ表示第三主應(yīng)力，θ表示羅德角，F(xiàn)表示屈服函數(shù)方程。對于彈塑性材料來說，忽略細微因素影響的條件下，當F在處于0以下時，表明其處于彈性狀態(tài)；若F=0，則表明其處于屈服狀態(tài)[4]。其中羅德角θ的計算如下：

通過對交叉段隧道施工全過程夾巖單元應(yīng)力水平的監(jiān)測，可以得到所有夾層單元屈服函數(shù)值達到最大F2值時的應(yīng)力水平。

2.3.3? 施工前后夾巖單元屈服函數(shù)值對比

將夾層單元屈服函數(shù)值值，與初始應(yīng)力水平值予以比較，從而得到工程施工前后夾巖單元屈服函數(shù)值對比如表4所示。

通過表4的觀察能夠發(fā)現(xiàn)，擬建隧道施工時，所有夾巖單元的屈服函數(shù)均處于0以下。根據(jù)上述條件判斷，夾巖處于彈性狀態(tài)，并未達到屈服狀態(tài)。只考慮交叉段兩隧道挖掘施工時，相對初始應(yīng)力水平來說，原高鐵隧道挖掘完工后，將圍巖應(yīng)力釋放設(shè)置成30%時，夾巖單元屈服函數(shù)逐漸提升。而擬建鐵路隧道施工后，將圍巖應(yīng)力釋放設(shè)置成40%時，屈服函數(shù)變得更高，數(shù)值更加趨近于0，表明夾巖逐漸的屈服性更加良好。

分析認為，下部索道挖掘時，若沒有對上部隧道進行加固處理，會使得夾巖區(qū)域的屈服力度逐漸提高，特別擬建隧道工程支護結(jié)構(gòu)快速施工后，夾巖部分單元屈服函數(shù)較下部隧道挖掘后增加的F值更低一些。因兩工程相交叉在一起，且距離非常接近，因而上部隧道挖掘施工過程中，相對于初始情況，下部隧道施工后，夾巖單元屈服函數(shù)值將會出現(xiàn)更加明顯的改變。

綜合分析后表明，從具體施工層面而言，在擬建隧道工程施工過程中，通過超前支護的構(gòu)建，結(jié)合初支與二襯的建設(shè)，對抵抗夾巖屈服具有重要意義，可明顯降低夾巖中出現(xiàn)的屈服力，從而減弱屈服力對夾巖乃至整個隧道工程的干擾[5]。

3? ?超前支護施工措施

針對上述分析，可制定出相應(yīng)的超前支護施工方案：擬建隧道工程施工時，選擇的是φ159mm大管棚加強超前支護；初期支護施工時，選擇的是I20初期支護；二次襯砌施工時，選擇的是55cm鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。同時，為了確保整個支護結(jié)構(gòu)在隧道施工中發(fā)揮出最大的作用，應(yīng)盡量縮短進尺尺度，分階段施工，且在最短的時間內(nèi)將隧道封閉。

擬建工程于2021年8月16日開始，于2021年9月13日竣工，整個工期為28d。分別在隧道內(nèi)部選擇多個檢測點，共檢測半年時間，以此觀察該隧道工程的變形沉降量。通過觀察發(fā)現(xiàn)，沉降量僅有3.9mm，沉降量并不是很大，在規(guī)定要求范圍內(nèi)，且在結(jié)構(gòu)表面未發(fā)現(xiàn)損傷，由此表明該隧道工程達標。

4? ?結(jié)束語

高速鐵路交叉隧道施工時，受到擬建工程擾動因素的影響，交叉段夾巖部位的應(yīng)力水平會出現(xiàn)明顯改變，提升了夾巖內(nèi)部的屈服力，更容易導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損傷。所以，在新建隧道施工時，應(yīng)針對整個工程的具體情況，設(shè)計出合理的超前支護及初支、二襯施工方案，以加強對屈服力的抵制，從而提升整個隧道工程施工的質(zhì)量。

參考文獻

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[2] 張哲.長大管棚超前支護在鐵路隧道洞口施工中的應(yīng)用[J].智能城市，2021，7（19）：145-146.

[3] 翟歡樂.超前支護施工技術(shù)在高速公路隧道施工中的應(yīng)用措施探討[J].建材發(fā)展導(dǎo)向，2021，19（16）：235-236.

[4] 畢志剛，王凱，王儀宇，等.閩南山區(qū)軟弱圍巖小凈距隧道超前支護力學(xué)機理與施工技術(shù)[J].河南科技大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2021，42（6）：46-53+7.

[5] 黃昌富，張帥龍，王艷輝，等.高速鐵路隧道薄板狀近水平巖層的穩(wěn)定性分析及施工控制[J].鐵道建筑，2020，60（11）：59-63.