礦山法四洞空間小凈距隧道結構受力數值分析

何 濤

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司, 湖北武漢 430063)

隨著城市快速發展，城市區域修建高速公路限制條件增多，為減小占地需求，隧道由原來常規的平面布線，向空間布線延伸。工程建設條件更加復雜，隧道施工干擾增加，隧道結構受力受多因素影響。國內外學者對交叉隧道做了相關研究，鄭余朝[1]對深圳地鐵一期工程老街—大劇院區間礦山法疊交隧道模擬得出圍巖條件遠大于單純凈距影響，在相同條件的圍巖下開挖疊交隧道，兩洞凈距越小，襯砌和圍巖的應力越大。陳先國等[2]對深圳地鐵一期工程中典型的3種重疊斷面進行了二維平面應變彈塑性分析，結果表明上下重疊或交疊隧道地表和拱頂下沉及兩隧道間土體的穩定性難于控制，上層隧道易發生結構的整體下沉。麥家兒[3]對廣州地鐵3號線礦山法施工的支線與主線交叉重疊段進行研究，討論了不同斷面支護方案和施工輔助措施以及區間施工時的爆破方案及實施爆破后的監測。目前大部分研究多集中雙洞交叉隧道的研究，對四洞相互影響的研究還較少，本文結合三維地層結構法及二維荷載結構法模型，對四洞空間小凈距隧道結構受力及施工方案進行分析。

1 工程概況

本項目為雙向八車道隧道，四洞空間小凈距隧道形成于本項目隧道段為上下雙向疊層隧道向平層同向隧道轉化的過程中，同向車道逐步合并，同時疊層隧道逐步轉化為平層。

該段隧道具有的特點：

(1)隧道間凈距小：最小處僅60 cm，隧道間相互影響大。

(2)空間關系復雜：隧道呈上下左右4個象限分布，隧道施工干擾大。

(3)施工組織復雜：合理安排隧道施工組織和施工順序對隧道安全性影響大。

2 整體計算思路

四洞空間小凈距隧道相互干擾大，受力條件復雜，如何有效反應群洞效應對結構受力的影響是需要解決的難題。通過分析，確定如何計算流程：

(1)采用三維地層-結構模型，對四洞空間小凈距隧道段施工期及運營期不同工況條件下結構受力進行計算，分析四洞空間小凈距隧道結構變形的變化規律。

(2)采用二維荷載-結構模型對四洞空間小凈距隧道結構受力進行計算，主要步驟：①分別建立4個隧道的荷載-結構模型；②隧道的圍巖壓力荷載，根據淺埋隧道進行荷載計算，確定荷載原始分布；③根據三維模型計算結構變形規律(最不利工況結果)，調整荷載-結構法模型荷載分布；④分析四個隧道的施工相互影響，確定4個隧道初支二襯不同部位荷載分擔比例；⑤根據最終荷載情況，進行模型計算，得出結構受力情況；⑥完成結構初支方案及二襯結構厚度及配筋計算。

3 三維地層-結構法數值模擬

3.1 計算理論

(1)平衡方程見式(1)。

靜力有限元平衡方程，其形式為：

[K]{u}={F}

(1)

式中：{F}為荷載矢量列陣；[K]為總剛矩陣，與介質的力學特性有關；{u}為位移矢量列陣。

總剛矩陣[K]通過單剛矩陣累加求取。引入邊界條件(荷載和位移條件)，求解式(1)可得到節點位移矢量{u}。

(2)幾何方程見式(2)。

對式(1)求解得到節點位移矢量{u}后，可以通過幾何方程求得單元節點的應{ε}：

{e}=[D]g0gggggg

(2)

式中：{ε}為應變列陣；[D]為幾何矩陣，與形函數有關，反映了單元應變與節點位移之間的幾何關系，可由彈性力學的幾何方程導出；{δ}為位移列陣。

(3)物理方程——彈性本構關系見式(3)

由物理方程，可將單元的應力-應變關系寫為：

{s}=[C]{e}

(3)

式中：{σ}為應力列陣；[C]為本構矩陣，取決于介質的楊氏模量E和泊松比μ；{ε}為應變列陣。

根據隧道布置及結構設計方案，對模型范圍內的圍巖巖體、初期支護混凝土噴層、二次襯砌采用空間8節點等參實體單元進行離散，建立三位有限元計算模型(圖1)。

圖1 四洞空間小凈距隧道計算模型

3.2 計算工況及荷載組合

計算1～4號隧道結合不同施工工況，應力的變化，最主要是應力增大區域及應力增大數值。隧道結構所受荷載包括：結構自重、圍巖壓力、車輛荷載等，按以上所列結構上的荷載，進行不同工況的荷載效應組合。

主要計算工況：

(1)工況1：4個隧洞單獨開挖。

(2)工況2：施工期開挖流程1、2、3、4；1、2號隧道(開挖—加固—二襯)，3、4號隧道(開挖—加固—施加車輛荷載30 kPa)。

(3)工況3：施工期開挖流程1、2、4、3；1、2號隧道(開挖—加固—二襯)，4、3號隧道(開挖—加固—施加車輛荷載30 kPa)。

(4)工況4：運營期開挖流程1、2、3、4；1、2號隧道(開挖—加固—二襯)，3、4號隧道(開挖—加固—二襯—施加車輛荷載30 kPa)。

(5)工況5：運營期開挖流程1、2、4、3；1、2號隧道(開挖—加固—二襯)，4、3號隧道(開挖—加固—二襯—施加車輛荷載30 kPa)。

以上工況對施工期及運營期存在的各工況進行模擬，對應不同隧道，選取各工況下最不利情況進行計算分析。

3.3 應力計算結果

(1)在單獨開挖4個不同隧道的工況下，應力量值均較小，且變形量值也較小。隧洞群由于開挖擾動產生較大應力變形。

(2)由于地層的不均勻性，應力極值主要出現在不同巖層交界部位。

(3)在4個隧洞先后不同開挖工況下(圖2)：①1號隧洞受開挖擾動及應力重分布影響，襯砌最小壓應力為4.64 MPa，最大壓應力為4.81 MPa，量值提高幅度為3%左右；襯砌拉應力最小值為2.37 MPa，最大值為2.43 MPa，量值提高幅度為2.5%。②2號隧洞受開挖擾動及應力重分布影響，襯砌最小壓應力為3.69 MPa，最大壓應力為3.76 MPa，量值提高幅度為2%左右；襯砌拉應力最小值為1.69 MPa，最大值為2.15 MPa，量值提高幅度為27%。③3、4號隧洞采用相同隧道結構形式，綜合不同工況可以得出：上層隧道受開挖影響，相比于下層隧道應力量值較小，且根據不同開挖順序，先施工的隧道襯砌會受到后期施工影響，且影響較大。上層隧道先施工隧道，襯砌最小壓應力為2.13 MPa，最大壓應力為2.61 MPa，量值提高幅度為22.5%左右；上層后施工隧道襯砌壓應力最小值為0.06 MPa，最大值為0.12 MPa，量值提高幅度為100%。

圖2 隧道襯砌拉應力云圖(拉正壓負)

3.4 變形計算結果

根據計算工況中最不利組合，對4個隧道施工期及運營期結構變形進行分析統計(表1、圖3)。

表1 隧道結構變形結果 單位：mm

圖3 隧道豎向變形(單位:m)

3.5 計算結果分析

根據應力及變形計算可知：

(1)在單獨開挖4個不同隧道的工況下，應力量值均較小，且變形量值也較小。隧洞群由于開挖擾動產生較大應力變形。

(2)由于地層的不均勻性，應力極值主要出現在不同巖層交界部位。

(3)由于隧洞群的開挖擾動，后期開挖隧道會對前期隧道受力及變形產生較大影響。

4 二維荷載-結構法計算

4.1 計算內容及荷載荷載組合

(1)計算內容：荷載作用下結構受力對比分析，采用荷載結構法進行計算。

(2)荷載組合：永久荷載(襯砌自重、圍巖壓力)；活荷載(車輛荷載)。采用標準組合進行正常使用極限狀態進行校核。

4.2 荷載取值

4.2.1 單洞獨立開挖荷載

四洞隧道空間小凈距段圍巖級別主要為強、中風化泥質粉砂巖，圍巖級別為Ⅳ級淺埋段，根據規范確定圍巖及結構計算參數，計算得到隧道豎向及側向圍巖壓力見表2。

表2 圍巖壓力計算 單位：N

4.2.2 開挖影響荷載重分布

通過四洞空間小凈距隧道各工況不利組合與單洞獨立開挖隧道結構變形對比分析，同時根據變形荷載協調關系，對垂直圍巖壓力及側向圍巖壓力進行調整。調整比例按最不利組合與單洞獨立開挖隧道結構變形比例確定。

4.2.3 初支二襯荷載分配

根據JTG/T D70-2010《公路隧道設計細則》10.3.3，Ⅳ級圍巖淺埋地段，雙車道隧道，二襯荷載承擔比例為60%。

根據隧道空間關系，隧道1拱頂上層錨桿在隧道3及隧道4施工時被破壞，隧道整體性降低，影響初支承擔圍巖壓力能力，二維荷載-結構模型計算時，將二襯承擔頂部垂直壓力比例提高到80%。

隧道2拱頂右側上層錨桿在隧道3施工時被破壞，隧道整體性降低，影響初支承擔圍巖壓力能力，二維荷載-結構模型計算時，將二襯承擔頂部右側垂直壓力比例提高到80%。

隧道3二襯荷載承擔比例維持為60%。隧道4二襯荷載承擔比例維持為60%。

4.3 結構受力分析

通過對各隧道不同工況不利組合的綜合分析，選取施工期及運營期最不利荷載對隧道進行二維荷載-結構法計算。

計算得到各隧道最不利的內力值(彎矩、剪力、軸力),以隧道1組合1為例,見圖4～圖6。

圖4 彎矩

圖5 剪力

圖6 軸力

利用計算得到的內力值，對隧道結構承載力及裂縫進行驗算，確定隧道結構厚度及鋼筋配置。

根據四洞空間小凈距隧道二維荷載-結構法結構計算各工況包絡結果，得出結果：

(1)隧道1(ZK線)結構需采用C40混凝土，襯砌厚度65 cm，每1 m結構內外側需配置9根φ36 mm的鋼筋；箍筋采用φ10 mm的光圓鋼筋，間距不小于250 mm。

(2)隧道2(Z2K線)結構需采用C40混凝土，襯砌厚度60 cm，每1 m結構內外側需配置5根φ22 mm的鋼筋；箍筋采用φ10 mm的光圓鋼筋，間距不小于250 mm。

(3)隧道3(Y2K線)結構需采用C40混凝土，襯砌厚度65 cm，每1 m結構內外側需配置10根φ40 mm的鋼筋；箍筋采用φ10 mm的光圓鋼筋，間距不小于250 mm。

(4)隧道4(YK線)結構需采用C40混凝土，襯砌厚度65 cm，每1 m結構內外側需配置5根φ32 mm的鋼筋；箍筋采用φ10 mm的光圓鋼筋，間距不小于250 mm。

(5)計算結果顯示，上層隧道中夾巖對下層隧道拱頂受力有較大影響，考慮上層隧道補充中夾巖加固方案。

5 結論

根據三維及二維計算結果，得出結論：

(1)超前支護：①由于地層的不均勻性，應力極值主要出現在不同巖層交界部位，在工程施工過程中應對巖層分層部位進行加固處理，防止不均勻變形引起應力突變。對巖層交接面，破碎帶處建議采取加強超前支護的方案。②上層隧道中夾巖對下層隧道拱頂受力有較大影響，建議上層隧道補充中夾巖加固方案，采用注漿小導管加固+對拉預應力錨桿。

(2)初支方案：隧洞群由于開挖擾動產生較大應力變形。需采取加強初支方案控制圍巖初期變形。下層隧道采用2層初支方案對控制圍巖變形有利，建議維持該設計方案。

(3)結構襯砌方案：建議加強隧道1(ZK線)、隧道3(Y2K線)、隧道4(YK線)襯砌厚度，襯砌厚度厚65 cm，同時增強結構內外側配筋。

(4)施工措施建議：①組織有關專家進行支護方案、施工方案、爆破方案確定，編制專項施工方案文件，進行方案專項評估后方可實施；②嚴格遵守“管超前、嚴注漿、短開挖、強支護、弱爆破、勤量測、早成環” 的施工原則，初期支護緊跟掌子面，杜絕冒進現象；③建議隧道開挖嚴格按照分艙開挖進行，分艙開挖時建議先開挖遠離下層隧道側；④嚴格控制施工工序，加強監控量測，及時反饋隧道支護受力和變形情況，并制定專項的風險控制預案。