横琴隧道主洞与匝道施工相互影响研究*

姜辉

(中铁十六局集团 路桥工程有限公司,北京 101500)

为适应日益增长的经济和交通发展要求,大断面小净距隧道建设越来越多,洞内分叉隧道结构形式日渐增多。由于这类低扁平率隧道结构形式的特殊性,其双洞施工相互影响较大。针对大断面小净距隧道,龚建伍、夏才初等通过理论分析、数值模拟和现场监控量测,对大断面小净距隧道设计施工若干问题进行分析,结合公路隧道设计规范和普氏围岩压力理论,提出了大断面小净距公路隧道围岩压力与荷载分析模式,指出了施工开挖对围岩变形和稳定性影响的时空效应及影响范围,提出了大断面小净距隧道施工的合理净距取值的判断准则,在最小合理净距研究的基础上提出了隧道岩柱加固的基本原则和净距范围；王康等从应力集中度的角度对隧道的围岩力学特征进行分析,在考虑施工过程中先行洞和后行洞相互影响的前提下,进行了浅埋和深埋情况下超大断面小净距隧道围岩压力计算方法和公式推导；高璋生采用数值模拟及理论计算方法,对大断面小净距隧道拱顶位移、地表沉降、中间岩柱位移及围岩稳定性进行了对比分析；丁改改等针对西安地铁一号线非等大断面小净距隧道进行数值模拟,对不同施工方案进行了比选；罗玉虎等通过数值模拟,采用不同施工方案及步骤对隧道围岩变形、地表沉降、围岩应力进行了对比分析；刘毅、张英杰等对分叉隧道设计与施工方法进行了探讨与论证；王忠昶等对分叉隧道施工对主隧道的影响、横通隧道开挖对主隧道的影响进行了分析。但对洞内分叉隧道的研究较少。该文对洞内分叉隧道主洞与匝道施工的相互影响进行分析。

1 工程概况

珠海大横琴山一号隧道小净距段里程为A匝道AK0＋233—271(长38 m)、B匝道BK0＋299—357(长58 m)、右线 YK1＋099—134(长35 m)、左线ZK1＋038—107(长69 m)；极小净距里程为A匝道 AK0＋271—305(长34 m)、B匝道BK0＋244—299(长55 m)、右线 YK1＋134—166(长32 m)、左线ZK1＋107—155(长48 m)。其中A匝道与右线小净距与极小净距交界处两洞净距为5.16 m,B匝道与左线小净距与极小净距交界处两洞净距为5.23 m。模拟模型选取断面里程YK1＋099(断面a)、YK1＋115(断面b)、YK1＋134(断面c)、YK1＋150(断面d,见图1),两断面间距分别为13.09、10.02、5.16、3.21 m,埋深分别为54、58、63、69 m。两洞采用台阶法开挖,锚喷支护、钢筋网和钢拱架联合支护体系,C25砼厚度24 cm。

图1 小净距段所选断面位置

2 有限元模型的建立

建立180 m×150 m平面实体单元模型模拟土体结构；采用3.5 m梁单元模型模拟锚杆结构,在隧道起拱线以上设置锚杆；采用梁单元模拟支护结构。对土体模型下部边界的X、Y方向及左右边界的X方向进行约束。模型网格划分见图2。主线与匝道均采用台阶法开挖,施工步序为匝道上台阶→匝道下台阶→主线上台阶→主线下台阶。土体开挖后即施加初期支护及锚杆。

图2 模型面网格划分

围岩为中～微风化花岗岩,级别为Ⅲ级,采用摩尔－库伦土体本构模型模拟。围岩及支护结构参数见表1。

表1 围岩及支护结构参数

3 数值模拟分析

3.1 位移分析

隧道开挖后,即使及时进行支护,由于应力释放,岩体也会产生位移。通过有限元模拟观察围岩位移变化,有利于明确围岩最不利部位,确定围岩位移监测着重点。图3为隧道开挖后断面a的位移。

由图3可知：各隧道空洞上下的中部位置均产生了较大位移,上部向下沉降,下部向上隆起,水平位移小于竖向位移,且后行洞对先行洞产生一定影响(见图4)。

图3 断面a位移云图(单位：m)

图4 小净距断面a双洞施工的相互影响

由图4可知：后行洞开挖对先行洞有一定影响。从竖向位移来看,拱顶位移增大,对仰拱处的影响则很小；从水平位移来看,先行洞的边墙处出现位移变化,后行洞一侧的位移向洞内收敛,远离后行洞一侧的位移则略微向远离后行洞的一侧扩张。

表2为各隧道断面匝道与主线拱顶位移。由表2可知：随着两隧道净距的减小,匝道与主线的拱顶位移增大。说明随着净距的减小,中夹岩柱的支撑作用减小,两隧道相互影响更严重,隧道稳定性降低。在两隧道净距小的地方施工时,需对中夹岩柱进行加固,对隧道拱顶沉降及周边位移进行监控,防止隧道失稳破坏。

表2 不同小净距断面匝道与主洞拱顶位移

3.2 主应力分析

图5为隧道开挖时最大和最小主应力分布。

图5 不同小净距段各断面双洞施工主应力云图(单位：Pa)

从图5可看出：隧道在拱脚及边墙位置产生较明显的应力集中现象,中夹岩柱处亦存在明显的应力集中区,会对隧道的稳定性产生一定影响,开挖过程中应对这部分岩柱实施加固。由于匝道与主线随着里程越来越接近,中夹岩柱的宽度越来越小,当两隧道净距越来越小时,中夹岩柱的应力集中越来越明显,稳定性也越来越差。在中夹岩柱宽度变小时,需通过锚固锚杆或其他手段对中夹岩柱进行加固,增强中夹岩柱及两隧道施工过程的稳定性。

3.3 支护轴力、弯矩分析

支护结构的轴力及弯矩变化见图6。

由图6可知：主线开挖后,主线隧道一侧的支护结构轴力及弯矩均变小,说明主线开挖对匝道处隧道有一定泄压作用,但同时要注意中夹岩柱的稳定性。随着两隧道净距的减小,先行洞靠近后行洞一侧的支护结构的轴力及弯矩减小越明显。

图6 不同小净距段各断面双洞施工衬砌内力分布

4 结论

(1)随着两隧道净距的减小,匝道与主线的拱顶位移增大,中夹岩柱的支撑作用减小,两隧道相互影响更严重,隧道稳定性降低。在两隧道净距小的地方施工时,需对中夹岩柱进行加固,对隧道拱顶沉降及周边位移进行监控,防止隧道失稳破坏。

(2)后行洞开挖对先行洞有一定影响。从竖向位移来看,拱顶位移增大,对仰拱处的影响则很小；从水平位移来看,先行洞的边墙处位移发生变化,后行洞一侧的位移向洞内收敛,远离后行洞一侧的位移略微向远离后行洞的一侧扩张。

(3)隧道在拱脚及边墙位置产生较明显的应力集中现象,中夹岩柱处亦存在明显的应力集中区,会对隧道的稳定性产生一定影响。在隧道开挖过程中应对这部分岩柱实施加固,防止其发生破坏。同时由于匝道与主线随着里程越来越接近,中夹岩柱的宽度越来越小,两隧道净距越来越小时,中夹岩柱的应力集中越来越明显,稳定性也越来越差。在中夹岩柱宽度变小时,需通过锚固锚杆或其他手段对中夹岩柱进行加固,增强中夹岩柱及两隧道施工的稳定性。

(4)主线开挖后,主线隧道一侧支护结构的轴力及弯矩均变小,主线开挖对匝道处隧道有一定泄压作用,但同时要注意中夹岩柱的稳定性。随着两隧道净距的减小,先行洞靠近后行洞一侧支护结构的轴力及弯矩减小越明显。