不同工况下横通道开挖对隧道结构影响分析

王 蒙 高明德

(中铁城建集团北京工程有限公司，100020，北京//第一作者，高级工程师)

为服务于多线隧道后期的安全运营及日常维护工作，施工过程中经常需要修建用于连接两条平行隧道的横通道[1-3]。横通道的数量根据工程实际需求确定。横通道施工空间有限，而且其施工过程可能会对主线隧道的稳定性产生不利影响[4-5]，因此，横通道的设计、施工难度都相对较大。

为降低横通道施工对主线隧道的扰动，施工前通常需对地层进行预加固处理，并采取必要的支护措施。预加固的具体参数需结合地表情况、地质参数、隧道与横通道的结构尺寸等因素综合确定[6]。本文采用FLAC 3D软件，对横通道开挖过程及其对主线隧道产生的影响等进行模拟计算分析，以期为横通道优化设计及开挖施工提供一定的借鉴作用。

1 仿真模型

1.1 建立仿真模型

为了评估横通道开挖施工对外部环境的影响，采用FLAC 3D软件建立参数化仿真分析模型。假定服从摩尔库伦准则并采用总应力法，分别使用非摩擦材料(内摩擦角φ=0)和摩擦材料(φ≠0)进行参数分析。其中，非摩擦材料土体采用不排水抗剪强度(cu)计算。所建模型为隧道的交叉部位，主要包括两条平行主线隧道，以及与其相连的小尺寸横通道(见图1)。

主线隧道采用护盾式盾构机进行开挖施工。在仿真计算中，盾构机掘进及横通道开挖过程均采用逐步开挖方法进行模拟：① 开挖直径为4 m；② 在同一个施工步内，施加新的环形衬砌单元来支护前一开挖步；③ 重复进行计算步直到横通道开挖结束。

图1 隧道开挖仿真计算模型

1.2 设定边界参数

仿真计算条件中设置了4种不同的黏性土体、3种不同的摩擦土体、9种不同的几何尺寸(主要参数为隧道上覆土厚度H及两主线隧道间距D)。具体设定情况如下：

(1) 将不同的H及D看作是隧道直径d的函数，分别定义了3种不同的覆土厚度(H=2d，H=3d，H=4d)和3个不同的主线隧道间距(D=2d，D=4d，D=5d)。

(2) 针对黏性土体工况分析过程，假设黏性土的不排水强度cu随深度呈线性变化，其他岩土参数都是常数(泊松比ν=0.3，内摩擦角φ=0，密度γ=19 kN/m3，渗透系数k0=0.7)。

(3) 针对摩擦土体工况分析过程，假设所有岩土力学参数都是常数，其值分别为：ν=0.3，黏聚力c=0，γ=17 kN/m3，k0=0.7；φ分别为35°、40°、45°。并假定弹性模量是密度的函数。

2 位移影响分析

2.1 垂直位移分析

2.1.1 变化趋势分析

对H=2d、D=2d条件下的黏性土层(cu=40+3Z，kPa；其中，Z为垂向坐标值(m)，Z=0为地面,向上为正)及摩擦土层(φ=45°)进行模拟，计算主线隧道轴线上方及横通道中心线上方土体的垂向位移变化情况。分析结果如图2所示。

由图2可以看出，主线隧道轴线上方的垂向位移随深度增加而增大，而横通道中心线上方的垂向位移随深度增加而减小。此外，两种土体的垂向位移变化趋势相同。

2.1.2 影响因素分析

不同条件下的黏性土层、摩擦土层对横通道中心线上方垂直位移变化的影响模拟计算结果如图3所示。计算结果表明：黏性土层下的横通道中心线上方垂直位移随土体黏聚力和弹性模量的增加而减小；摩擦土体地层下的横通道中心线上方垂直位移随土体内摩擦角和弹性模量的增加而减小。

图2 不同地层垂向位移变化趋势曲线(H=2d、D=2d)

图3 不同地层横通道中心线上方土体垂直位移曲线

2.1.3 开挖过程分析

在每一步的横通道开挖与衬砌施工之后，都定义了对应的垂向位移变量。图4为横通道黏性土层及摩擦土层掘进过程中其中心线上方土体的垂向位移情况。

a) 黏性土层(cu=40+3Z)

b) 摩擦土层(φ=45°)

由图4可知，随着横通道逐步向前开挖，两种地层横通道中心线上方垂向位移均呈增大趋势。

2.2 地表沉降分析

对不同条件的黏性土层及摩擦土层地表沉降情况进行模拟分析，并采用常规解析法对摩擦土层中地表沉降进行了计算与对比。分析结果基本一致。通过总结分析模拟计算数据，提出了横通道开挖前地表沉降公式：

(1)

式中：

S——地表沉降；

x、y——与cu有关的常数。

由上述分析结果可知，横通道开挖行为与地表沉降增量之间关系为：

Δ=2.81-0.02cu

(2)

式中：

Δ——由于横通道开挖导致的主线隧道上方地表沉降增量，mm。

3 隧道衬砌受力影响分析

3.1 影响因素分析

受横通道开挖作用影响最大的部位在隧道衬砌拱顶处。以D=4d为例，不同地层条件下，横通道开挖后主线隧道拱顶位置弯矩及轴力分布情况如图5～6所示。

a) D=4d时的隧道衬砌拱顶弯矩

b) D=4d时的隧道衬砌拱顶轴力

a) D=4d时的隧道衬砌拱顶弯矩

b)D=4d时的隧道衬砌拱顶轴力

研究结果表明：隧道间距、隧道埋深是影响横通道开挖对主线隧道衬砌受力作用大小的重要因素。随着隧道埋深的增加，先行施工的主线隧道衬砌弯矩呈增大趋势，轴力呈减小趋势。

3.2 衬砌受力分析

3.2.1 对先行隧道衬砌内力影响

横通道开挖引起的先行施工主线隧道衬砌内力增减比例情况如表1所示。

由表1可知，黏性土层中的横通道开挖对隧道拱顶弯矩的影响较大,摩擦土层中的横通道开挖对隧道拱顶轴力的影响也较大，其幅度均达到20%。

3.2.2 对横通道衬砌内力影响

在黏性土层(cu=40+3Z)、摩擦土层(φ=40°)条件下，对横通道第一环衬砌弯矩、轴力受横通道后期开挖步的影响进行计算分析。横通道开挖引起的横通道第一环衬砌内力变化情况如表2所示。

表1 横通道开挖引起的先行施工主线隧道衬砌内力变化情况

表2 横通道开挖引起的横通道第一环衬砌内力变化表

3.2.3 对后行隧道衬砌内力影响

在黏性土层(cu=40+3Z)和摩擦土层(φ=40°)条件下，对横通道开挖对与其连接处的后行主线隧道衬砌内力影响情况也进行了分析计算。横通道开挖最后几个计算步引起的后行主线隧道衬砌内力变化情况如表3所示。

表3 横通道开挖引起的后行主线隧道衬砌内力变化情况

4 结论

(1) 隧道衬砌结构设计是隧道整体设计与施工的关键环节之一，需充分考虑横通道开挖对衬砌内力的影响。基于数值模拟软件分析所得计算结果，有助于控制地质条件、几何条件、横通道开挖对隧道衬砌内力所带来的不利影响。

(2) 随着横通道向前掘进，横通道中心线上方的垂向位移和地表沉降都增加了。这一影响在横通道中心线上方比在主线隧道上方更加显著。不同地质条件和几何尺寸对主线隧道上方和横通道中心线上方的地表沉降影响也不尽相同。

(3) 随着横通道的开挖，先行施工隧道拱顶处的衬砌弯矩和边墙处的衬砌轴力呈增加趋势。后行隧道边墙和拱顶处的弯矩，以及边墙处的轴力在横通道开挖结束的几个计算步中呈增加趋势。