立交隧道“先下后上”施工力學特性

于國壘

摘 要：立交隧道“先下后上”施工時，為了研究下方隧道變形受力特性以及安全情況，根據大橫琴山一號隧道與珠機城際隧道交叉段施工實際，建立仿真模型，得出下方大橫琴山一號隧道周邊位移及圍巖應力變化規律。結果表明：上方隧道的開挖對下方隧道影響范圍大致在交叉點前后20 m區域內，下方隧道拱頂沉降及周邊圍巖應力均存在一定的減小，但影響較小，下方隧道較安全。

關鍵詞：立交隧道；數值模擬；圍巖應力；施工安全

中圖分類號：U459.3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：2096-6903（2024）02-0055-03

0引言

珠海大橫琴山隧道與上方的珠機城際隧道存在立體交叉情況，上方隧道施工將對下方的大橫琴山隧道產生影響。目前對立交隧道的研究較多，裴麗[1]則建立三維立交隧道數值模擬模型，對圍巖位移變化、支護結構內力變化及圍巖應力變化進行分析，得出在0.25D、0.5D、0.75D、1D（D隧道外徑值）凈距下隧道力學性征變化規律。

李少剛[2]對5種施工順序進行模擬（上上-下下、上-上-下-下、下下上上、下下-上上、下-下-上-上，全斷面法施工），得出地表沉降、周邊位移場、拱頂沉降、水平位移、交叉區域應力場、初期支護主應力。顏勤[3]對上下垂直交叉隧道及上下60°交叉隧道進行有限元模擬，分別對“先上后下”及“先下后上”兩種工況開挖完畢后的后行洞周邊圍巖及支護結構的應力位移變化、地表沉降及塑性區特征進行分析。

珠海大橫琴山隧道大跨段大角度下穿珠機城際鐵路橫琴隧道，于右線YK1+285.237（珠機城際鐵路橫琴隧道里程：DK21+263.023）相交，其與珠機城際隧道的豎向凈距為3.5 m。下穿珠機城際鐵路橫琴隧道段穿越巖體節理密集破碎帶，主要由中風化花崗巖構成，圍巖級別為Ⅲ、Ⅳ級圍巖。本文模擬研究先開挖下方大橫琴山一號隧道，后開挖上方珠機城際隧道時，下方大橫琴山隧道的變形受力特性以及施工安全性，從而為施工提供參考。

1有限元模型的建立

1.1 有限元參數的選取

本模型采取摩爾-庫倫土體本構進行模擬，據工程地勘說明書，圍巖為中-微風化花崗巖，圍巖級別為Ⅳ級，錨桿區域以增大圍巖彈性模量及黏聚力等參數進行等效代替，根據巖土設計參數設計值，選取表1參數設計值。

1.2 模型的建立

使用ABAQUS軟件建立160 m×200 m×180 m的三維實體單元模型模擬土體結構，增大圍巖彈性模量及黏聚力10%為錨桿區域參數，采用實體單元建立支護結構，根據大橫琴山一號隧道SD2斷面襯砌設計圖，建立31 cm初期支護，建立80 cm二次襯砌。根據珠機城際隧道斷面設計圖，建立30 cm支護結構，對土體模型下部邊界的X、Y、Z方向進行約束，對左右邊界的X方向進行約束，對前后邊界的Y方向進行約束，模型及網格劃分如圖1所示。大橫琴山一號隧道以CD法進行施工，珠機城際隧道以全斷面法進行施工。

2數值模擬結果分析

2.1 位移變化規律

針對“先下后上”施工工況，分析珠機城際隧道開挖時對大橫琴山一號隧道的影響，根據珠機城際隧道每3 m一個開挖步，及珠機城際隧道與大橫琴山一號隧道相互影響，觀察珠機城際隧道開挖到中軸線前后24 m內時大橫琴山一號隧道圍巖位移變化情況，大橫琴一號拱頂沉降曲線圖如圖2所示。

從圖2可以看出，在珠機城際隧道開挖前，大橫琴山一號隧道拱頂沉降基本相等，其值約為15.1 mm。在大橫琴山一號隧道中軸線20 m范圍外，其拱頂沉降隨著珠機城際隧道的開挖逐漸增大，在珠機城際隧道開挖完畢后達到最大，其值為15.6 mm。隧道沿開挖方向開挖到中軸線前6 m之前，大橫琴山一號隧道中軸線20 m范圍內拱頂沉降持續增大，在中軸線6 m前時拱頂沉降達到最大，隨后拱頂沉降開始減小。這是由于珠機城際隧道的開挖，使得大橫琴山一號隧道上方的圍巖應力得到釋放，故拱頂沉降恢復。在開挖到中軸線后12 m時，拱頂沉降達到最小。由于珠機城際隧道開挖面的遠離，繼續開挖時，大橫琴山一號隧道拱頂沉降繼續增大，開挖完畢后達到最大，大橫琴山一號隧道中點上的拱頂沉降值約為14.7 mm。因此，在大橫琴山一號隧道中軸線20 m范圍外，隧道拱頂沉降隨珠機城際開挖逐漸增大，而20 m范圍內拱頂沉降則先增大后減小隨后又小范圍的增大，且沉降值變化較小，隧道較安全。

上方珠機城際隧道開挖對大橫琴山一號隧道水平位移有一定的影響，選取大橫琴山一號隧道拱腰處的特征線，以沿隧道開挖方向左邊拱腰為左拱腰，右邊拱腰為右拱腰。從圖3中可以看出，珠機城際隧道開挖掌子面先接觸左拱腰，相交處位于大橫琴山一號隧道中軸線前7.5 m左右處，后接觸右拱腰，相交處位于大橫琴山一號隧道中軸線后7.5 m左右處。珠機城際隧道開挖對大橫琴山一號隧道左右拱腰水平位移影響范圍大致為中軸線前后20 m內，由于開挖導致下方拱腰處的水平位移略微減小。從3a、3b兩圖對比可以看出，左拱腰水平位移為2～2.5 mm，右拱腰水平位移為2.5～3 mm，左拱腰水平位移普遍小于右拱腰水平位移，隧道在施工時可以保持安全。

大橫琴山一號隧道相交點拱腰處水平位移時程圖如圖4所示。其中左拱腰選擇大橫琴山一號隧道距中軸線前8 m處特征點，而右拱腰選擇距中軸線后8 m處特征點。從圖4中可以看出，大橫琴山一號隧道左右拱腰處水平位移隨著開挖的進行，使得左拱腰水平位移減小，使右拱腰水平位移增大。開挖珠機城際隧道前半段時，對左拱腰水平位移影響較大，而開挖珠機城際隧道后半段時對右拱腰水平位移較大。

綜合大橫琴山一號隧道拱腰處水平位移變化發現，珠機城際隧道在開挖至中軸線前45 m處時，對大橫琴山一號隧道左拱腰水平位移產生影響，此時珠機城際隧道掌子面距大橫琴山一號隧道左拱腰約為30 m左右。開挖至中軸線前18 m處時，對大橫琴山一號隧道右拱腰產生影響，隨后開挖至中軸線前15 m處（即大橫琴山左拱腰上方）時，對左拱腰影響最大，其水平位移減小至最小，隨后左拱腰水平位移開始增大。開挖至中軸線后15 m處（即大橫琴山右拱腰上方）時，開挖對右拱腰水平位移影響最大，其位移增大至最大，隨后右拱腰水平位移開始減小。因此，珠機城際隧道開挖對大橫琴山隧道拱腰處水平位移影響范圍，大致在珠機城際隧道軸線左右15 m范圍內。

2.2 應力變化規律

珠機城際隧道的開挖對大橫琴山一號隧道周邊圍巖應力有一定的影響。珠機城際隧道開挖前，大橫琴山一號隧道在軸向方向主應力分布均勻，隧道拱腳及邊墻處應力較為集中，其主應力極值位于隧道進口處，其值約為-1.63 MPa，原珠機城際隧道周邊圍巖主應力絕對值較小。隨著珠機城際隧道的開挖，珠機城際隧道開挖后拱腳及邊墻處主應力絕對值增大，當開挖至大橫琴山隧道上方時，對下方圍巖產生影響，大橫琴山一號隧道在交叉段內圍巖主應力絕對值減小，珠機城際隧道開挖至中軸線附近時，交叉段內圍巖主應力值減至最小，繼續開挖珠機城際隧道，圍巖主應力絕對值開始增大，但遠比珠機城際隧道未開挖時小。在珠機城際隧道開挖完畢后，大橫琴山一號隧道周邊圍巖主應力極值位于距中軸線20 m左右處，其值為-1.67 MPa，略大于珠機城際隧道開挖之前。

分析可知，珠機城際隧道的開挖會使大橫琴山一號隧道交叉段圍巖主應力絕對值減小，使交叉段外圍巖主應力絕對值增大，隨著距中橫線距離越遠，其影響越小。珠機城際隧道在開挖至中軸線前27 m處時，對大橫琴山一號隧道周邊圍巖應力開始影響，開挖至中軸線前3 m處時，對下方圍巖影響最大，隨后影響開始減小，在開挖至中軸線后24 m處時，對下方圍巖幾乎無影響。珠機城際隧道對大橫琴山一號隧道周邊圍巖應力影響范圍大致在距中軸線15 m范圍內。

3 結束語

從拱頂沉降來看，隨著上方隧道的開挖下方隧道拱頂沉降增大。在兩隧道靠近時，拱頂沉降變小，隨后小范圍增大，其影響范圍大致在中軸線前后20 m區域內。從水平位移來看，上方隧道開挖至交叉點前時，對下方隧道右拱腰影響較大，開挖至交叉點后時對下方隧道左拱腰影響較大，其影響范圍在大致在交叉處前后15 m區域內。

從圍巖應力來看，上方隧道開挖至中軸線前27 m處時，對下方隧道產生一定影響，下方隧道周邊圍巖應力減小，其影響范圍大致在中軸線前后15 m區域內。

綜合位移及應力變化情況，上方珠機城際隧道的開挖對下方大橫琴山一號隧道影響較小，下方大橫琴山一號隧道較為安全。

參考文獻

[1] 裴麗.立交隧道近接施工對既有隧道力學特性的影響研究[D].重慶：重慶大學，2010.

[2] 李少剛.地下互通立交隧道設計參數優化及施工技術研究[D].北京：北京交通大學，2011.

[3] 顏勤.互通式地下立交隧道施工力學研究及方案優化[D].重慶：重慶大學，2007.