复杂地形立体交叉隧道施工工序的数值仿真研究
2019-11-06余先知王骁男庞林军周跃飞
余先知，王骁男，庞林军，周跃飞，龚 超
(1.深圳市地铁集团有限公司，广东深圳 518035；2.西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，四川成都 610031 3.中国水利水电第十四工程局有限公司，云南昆明 650041)
1 工程概况
深圳地铁10号线凉帽山车辆段，其基地出入线段隧道群共有8条暗挖隧道，3个明挖基坑。暗挖群隧道走向相互并行以及立体交叉、净距小、位置关系错综复杂。隧道群立体交叉点总计6处，交叉点隧道断面均为单洞单线马蹄形标准断面，不同交叉点穿越不同的地质条件，采取不同的支护参数。其中，出入线隧道分别由甘坑站及凉帽山站站前接出，自北向南敷设。试车线自西向东敷设，在里程SCXK0+361.111处与出入线以近900斜交(图1)。试车线隧道在下，出入线左、右线在上，竖向最近距离仅0.87 m，所在地层为III、 IV级围岩。试车线隧道为单洞单线马蹄形断面，隧道净空尺寸6.0 m×6.61 m，采用锚喷支护+钢筋混凝土二次衬砌复合式结构，衬砌厚度500 mm。
出入线左、右线隧道为单洞单线马蹄形断面，隧道净空尺寸5.4 m×5.805 m，采用格栅钢架+钢筋混凝土二次衬砌复合式结构，衬砌厚度400 mm。出入线及试车线典型断面图如图2所示。其中单线单洞断面III级围岩段采用全断面法爆破开挖，IV级围岩段采用台阶法开挖。交叉点相交形式为正交，交叉长度21.5 m。下方试车线隧道连续下穿出入线左、右线隧道，与右线隧道净空距离2.755 m，与出入线左线隧道净空距离为0.867 m。
试车线隧道穿过地层及长度依次为微风化角岩(80 m)、强风化角岩(62.6 m)、中风化花岗岩(53.7 m)、强风化花岗岩(53.4 m)、微风化花岗岩(250.5 m)、微风化角岩(97.3 m)、微风化花岗岩(37.3 m)、微风化角岩(407.2 m)、中风化角岩(7 m)、强风化角岩(100.6 m)、全风化角岩(34.6 m)、素填土(80.8 m)、黏土(73.4 m)。其中立体交叉点区域地质状况如图3和图4所示。
(a) 立体交叉段平面示意
(b) 立体交叉段横断面示意图1 立体交叉段示意
凉帽山车辆基地出入线段隧道群在该处的立体交叉点，隧道上下净空距离小，地质条件复杂等特点。如何选择不同的开挖方法，确保交叉点快速、安全、稳定施工是关键，为此，在施工前利用数值分析软件进行多种不同开挖顺序的模拟，有利于选择最优方法保证小净距立体交叉段隧道快速、安全、稳定开挖。
2 FLAC 3D数值仿真
2.1 分析工况介绍
考虑到三线交叉的施工顺序合理性，设计施工方案见表1。
(a) 典型断面1
(b) 典型断面2
图3 交叉点右线隧道纵断面
图4 交叉点左线隧道纵断面
表1 模拟工况设计
2.2 材料参数选取
根据勘察报告，计算选取各材料物理力学参数取值见表2。
2.3 数值模型建立
数值分析模型左右边界考虑外扩不小于2倍洞径取20 m，底边界考虑下延40 m。模型左右、前后边界为可动铰支座，底边界为固定铰支座。模型整体三维及隧道空间位置示意见图5。
图5 隧道模型示意
材料重度/(kN·m-3)弹性模量/GPa泊松比粘聚力/kPa内摩擦角/°回填土18.20.0570.3210.010.0黏性土17.90.0600.3023.022.0土状强风化花岗岩18.50.120.2526.029.0微风化花岗岩27.00.800.2060042.0加固围岩27.00.30.318038初期支护22.022.30.2——二衬25.032.40.20——
3 计算结果及分析
3.1 衬砌应力
隧道支护选取复合式衬砌，结构主要由初期支护和二次衬砌组成。按照新奥法理念，二次衬砌承载着较小的荷载比例，更重要作为安全储备构建存在。因此二次衬砌的应力能较好地反映隧道结构的安全状态。经过计算，四个施工方案的衬砌应力云图如图6所示。
由图6可知，方案2的衬砌压应力8.34 MPa，在四个方案中最小。但四个方案结果差距较小，四个方案的衬砌应力
方案1(最大衬砌应力8.40MPa)
方案2(最大衬砌应力8.34MPa)
方案3(最大衬砌应力8.37MPa)
方案4(最大衬砌应力8.35MPa)
均在混凝土结构安全范围内，远小于衬砌承载极限，有较大安全储备。
3.2 竖向位移
立体交叉隧道主要研究竖直方向上不同结构之间的影响，其中位移变化主要反映在竖向的沉降和隆起。依照方案设计，模拟施工完成后的隧道竖向位移计算结果如图7所示。
由图7可知，方案1～3最大沉降可视为均在8.50 mm，均优于方案4的8.98 mm。同时四个方案中均有7 mm左右的隆起产生，在施工中不可忽略。同时依据《铁路隧道监控量测技术规程》[1]的规定，计算结果均处于安全范围，可知该设计的施工工法工序可以保证隧道的稳定。
4 结论
(1)分析计算结果，四个方案中方案2的衬砌应力最小，但四个方案差距不大均在安全范围内；方案1～3最大沉降可视为均在8.50 mm，较优于方案4的8.98 mm。
方案1(最大沉降8.50mm)
方案2(最大沉降8.51mm)
方案3(最大沉降8.50mm)
方案4(最大沉降8.98mm)
(2)在综合分析应力及位移等多方面因素情况下，选取方案2(依次开挖入线、出线、试车线)较其他各方案整体占优。依据实际工程允许范围，建议优先选取方案2。
(3)依据实际下层隧道的回弹变形在施工中不容忽视，而上层隧道先期施工的条件下能较好保证回弹变形的稳定。
总体而言，各施工开挖方案围岩沉降和应力均在可控范围，均是可行的施工方案。相比之下，方案2相对占优，可以作为优先选项。
