超淺埋上下重疊鐵路隧道進(jìn)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(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(duì)隧道施工,文獻(xiàn)[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(jìn)度的關(guān)鍵;文獻(xiàn)[2]分析了各隧道群穩(wěn)定性判定指標(biāo)的主次順序;文獻(xiàn)[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(xiàn)[4]研究了淺埋偏壓小凈距隧道合理開挖的順序問題;文獻(xiàn)[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(xiàn)[6]基于有限元強(qiáng)度折減理論分析了圍巖發(fā)生極限破壞時(shí)的安全系數(shù)及塑性區(qū);文獻(xiàn)[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(dòng)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(hù),并根據(jù)圍巖級(jí)別及現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況選用了兩臺(tái)階法并加裝臨時(shí)仰拱進(jìn)行施工。初期支護(hù)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(jí)及Ⅴ級(jí),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(jìn)口端處覆有0～2 m粉質(zhì)黏土。

1.3 進(jìn)洞方案

上下重疊隧道施工的進(jìn)洞方案一般有2種:

1) 方案一(施工次序?yàn)橄壬虾笙?,即:上層隧道先進(jìn)洞,下層隧道后進(jìn)洞;

2) 方案二(施工次序?yàn)橄认潞笊?,即:下層隧道先進(jìn)洞,上層隧道后進(jìn)洞。

本文對(duì)這兩種施工方案進(jìn)行對(duì)比分析。雞公咀隧道開挖采用上、下層隧道均按臺(tái)階法加臨時(shí)橫撐施工,即上臺(tái)階開挖完后加設(shè)臨時(shí)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(jìn)口端的橫斷面建立數(shù)據(jù)模型,進(jìn)口端巖層屬V級(jí)圍巖,相應(yīng)的巖體力學(xué)參數(shù)按TB 10003—2016《鐵路隧道設(shè)計(jì)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(hù)中的噴射混凝土和臨時(shí)橫撐采用彈性本構(gòu)一維梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬,錨桿主要起支護(hù)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(xué)參數(shù)表

計(jì)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(jì)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(jìn)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(gè)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(xué)特性的對(duì)比分析

2.3.1 方案一

1) 豎向位移:先建隧道(上層隧道)進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析

在下層隧道的拱頂和兩側(cè)拱腰處布置了監(jiān)測(cè)點(diǎn),用以監(jiān)測(cè)隧道的實(shí)際位移數(shù)據(jù)。圖6為下層隧道拱頂處累計(jì)沉降及拱腰處累計(jì)周邊水平收斂的實(shí)測(cè)值。

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

以方案二為例驗(yàn)證模擬計(jì)算結(jié)果的可靠性。圖7為方案二下層隧道拱頂處累計(jì)沉降和拱腰處累計(jì)水平收斂的模擬結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果的對(duì)比情況。由圖7可知,模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測(cè)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(huì)導(dǎo)致先建的上層隧道變形加劇;方案二下,后建的上層隧道對(duì)先建的下層隧道的影響較小。

2) 后建隧道對(duì)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(hù)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞風(fēng)險(xiǎn)。