趙建華

(江西公路開發(fā)總公司，江西 南昌 330038)

?

三孔小凈距隧洞下穿既有鐵路施工開挖順序研究

趙建華

(江西公路開發(fā)總公司，江西 南昌 330038)

摘要：以下穿既有鐵路的三孔小凈距隧洞為工程背景，采用數(shù)值模擬分析方法研究了三孔隧洞不同施工開挖順序工況下的地表沉降、初期支護(hù)位移、圍巖塑性區(qū)和初期支護(hù)受力情況，并進(jìn)行對(duì)比分析。研究結(jié)果表明：三洞并行工況最為不利；先行隧道錯(cuò)開距離影響顯著；相同錯(cuò)開距離條件下邊洞先行與中洞先行影響效應(yīng)相當(dāng)。綜合技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和工期要求，選用了邊洞先行20 m再開挖中洞的施工順序。

關(guān)鍵詞：隧洞；小凈距；三孔下穿；開挖順序；地表沉降

隨著各種基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的開展，各種工程間近接施工相互影響越來越顯著[1-4]。其中多孔小凈距隧道(洞)下穿既有鐵路施工中，鐵路不中斷行車，隧道(洞)施工不可避免地會(huì)對(duì)既有鐵路路基產(chǎn)生擾動(dòng)，從而影響到既有鐵路的安全運(yùn)營(yíng)和隧道(洞)自身施工安全。相鄰隧道(洞)的開挖施工必將產(chǎn)生相互影響，主要是后行隧洞開挖施工對(duì)先行隧洞的圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形產(chǎn)生不利影響[5-6]。為減少小凈距隧洞相互影響，開展不同施工順序的研究，從而選擇合理的開挖順序，將三孔小凈距隧洞的相互影響降至最低。

南水北調(diào)中線以隧洞方式下穿京九鐵路，隧洞斷面形式為分離式小凈距三孔暗挖隧洞。每孔斷面尺寸最大跨度為7.5 m，高9.95 m。每?jī)煽字虚g凈土柱寬度10 m。隧道拱頂至地面最小高度僅為1.69 m，距鐵路路肩高度為4.33 m。工程區(qū)域主要位于粉、細(xì)、中砂層。圍巖土體松散、自穩(wěn)能力差、易坍塌，結(jié)構(gòu)上方鐵路線列車行車頻繁，路基振動(dòng)大，隧道開挖多次擾動(dòng)有可能導(dǎo)致鐵路路基沉降超標(biāo)，影響既有線設(shè)備的正常運(yùn)營(yíng)。針對(duì)既有鐵路運(yùn)營(yíng)安全及隧洞施工安全風(fēng)險(xiǎn)高的特點(diǎn)，施工過程中通過采用?500 mm超前管幕結(jié)合小導(dǎo)管注漿超前預(yù)支護(hù)技術(shù)、地層注漿加固技術(shù)、線路加固技術(shù)等輔助措施，成功解決了三孔小凈距隧洞下穿鐵路施工技術(shù)難題，保證了鐵路正常運(yùn)營(yíng)安全、隧洞施工安全和施工質(zhì)量。

本研究采用數(shù)值模擬分析方法，優(yōu)化三孔隧洞的施工開挖順序，從而降低施工擾動(dòng)對(duì)既有鐵路的不利影響，保證隧洞結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和鐵路運(yùn)營(yíng)安全。

1 計(jì)算模型、計(jì)算參數(shù)及計(jì)算工況

1.1 計(jì)算模型

根據(jù)工程實(shí)際情況，縱向沿三孔隧洞軸線方向取32 m，水平方向長(zhǎng)100 m，垂直方向隧洞底部以下取15 m，上邊界按實(shí)際地表和路基面的自由邊界。模型左、右、前、后和下部邊界均施加法向約束，地表為自由邊界。圍巖土體采用實(shí)體單元，初期支護(hù)采用板單元。為對(duì)三孔小凈距隧洞施工開挖順序進(jìn)行研究，對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化，在計(jì)算模型中未考慮地層加固和超前預(yù)支護(hù)(因加固及預(yù)支護(hù)措施均為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化模型雖計(jì)算位移偏大，但不影響對(duì)隧洞施工順序的研究)。模型共劃分95 035個(gè)節(jié)點(diǎn)和125 461個(gè)單元。三維計(jì)算模型如圖1所示。

1.2 計(jì)算參數(shù)

圍巖采用摩爾—庫侖理想彈塑性模型，噴射混凝土采用彈性模型。各材料計(jì)算參數(shù)如表1所示。

1.3 計(jì)算工況

路基上部列車和軌道荷載取值，根據(jù)《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10001—2005)規(guī)定，在路基頂面施加60 kN/m3的均布荷載，分布寬度7.06 m。隧洞采用兩臺(tái)階法施工，上下臺(tái)階高度分別為5.4 m、4.55 m，上下臺(tái)階錯(cuò)開5 m，開挖一步支護(hù)一步，循環(huán)進(jìn)尺1 m。對(duì)比工況如下：

表1　材料計(jì)算參數(shù)

(1)工況Ⅰ(三并)，三洞同時(shí)施工。

(2)工況Ⅱ(邊10)，邊洞先行10 m，再開挖中洞。

(3)工況Ⅲ(邊20)，邊洞先行20 m，再開挖中洞。

(4)工況Ⅳ(邊32)，邊洞先貫通，再開挖中洞。

(5)工況Ⅴ(中10)，中洞先行10 m，再開挖邊洞。

(6)工況Ⅵ(中20)，中洞先行20 m，再開挖邊洞。

(7)工況Ⅶ(中32)，中洞先貫通，再開挖邊洞。

2 地面沉降規(guī)律分析

不同工況隧洞施工開挖引起的地表沉降規(guī)律如圖2及表2所示。其中圖2(b)、圖2(c)各施工階段分別表示邊洞及中洞施工至路基中線位置時(shí)。

表2 各隧洞中線對(duì)應(yīng)位置地表沉降值 mm

由圖2及表2可知：

(1)對(duì)于中洞先行工況，中洞上臺(tái)階開挖至監(jiān)測(cè)斷面(路基中線)時(shí)地表已經(jīng)發(fā)生部分沉降變形，隨施工不斷推進(jìn)地表沉降不斷增加，在邊洞施工影響至此斷面前地表沉降曲線呈單峰形態(tài)。當(dāng)中洞支護(hù)封閉時(shí)，邊洞已經(jīng)開始施工而且其縱向空間效應(yīng)已經(jīng)影響到監(jiān)測(cè)斷面地表沉降分布曲線，此時(shí)地表沉降曲線呈雙峰形態(tài)。中洞支護(hù)封閉后，中洞位置的地表沉降增加主要是邊洞施工的影響。隨邊洞施工的不斷推進(jìn)，雙峰形態(tài)的地表沉降曲線的雙峰位置不斷外延，數(shù)值不斷增大，直至邊洞支護(hù)封閉后其增速放緩，至施工結(jié)束期間的地表沉降變化較小。

圖2 不同工況地表沉降分布

(2)對(duì)于邊洞先行工況，邊洞上臺(tái)階開挖至監(jiān)測(cè)斷面(路基中線)時(shí)地表已經(jīng)發(fā)生部分沉降變形，隨施工不斷推進(jìn)地表沉降不斷增加，在中洞施工影響至此斷面前地表沉降曲線呈雙峰形態(tài)。當(dāng)邊洞支護(hù)封閉時(shí)，中洞已經(jīng)開始施工而且其縱向空間效應(yīng)已經(jīng)影響到監(jiān)測(cè)斷面地表沉降分布曲線，此時(shí)地表沉降曲線呈三峰形態(tài)。邊洞支護(hù)封閉后，邊洞位置的地表沉降增加主要是中洞施工的影響，此時(shí)三峰形態(tài)曲線的兩側(cè)峰基本不變。隨中洞施工的不斷推進(jìn)，三峰形態(tài)的地表沉降曲線的中峰數(shù)值不斷增大，直至中洞支護(hù)封閉后其增速放緩，至施工結(jié)束期間的地表沉降變化較小。

(3)三洞并行工況的三洞相互影響最大，其所引起的地表沉降值最大。

(4)邊洞先行三種工況相比三洞并行的地表沉降均有所降低，邊洞先行10 m、20 m、32 m三種工況相比三洞并行引起的地表沉降分別降低13.4%、22.7%、26.0%，從10 m到20 m降低效果更加明顯。邊洞先行20 m及32 m工況的地表沉降最大值位置均發(fā)生在中洞軸線位置，邊洞先行10 m工況三洞間相互影響更大，其最大值位置出現(xiàn)在x=±4.4 m處。

(5)中洞先行三種工況相比三洞并行的地表沉降均有所降低，中洞先行10 m、20 m、32 m三種工況相比三洞并行引起的地表沉降分別降低7.9%、22.6%、25.8%，從10 m到20 m降低效果更加明顯。中洞先行20 m及32 m工況的地表沉降最大值位置均發(fā)生在左右側(cè)近邊洞位置x=±11.0 m處，中洞先行10 m工況三洞間相互影響更大，其最大值位置出現(xiàn)在x=±8.75 m。

(6)地表沉降曲線均呈對(duì)稱分布，三洞并行及中洞先行工況最大值發(fā)生在左右兩側(cè)中洞與邊洞之間，邊洞先行最大值發(fā)生在中洞中線附近。

(7)對(duì)比同等先行距離的中洞先行工況和邊洞先行工況的地表沉降最大值，二者數(shù)值相當(dāng)，邊洞先行略??；如以平均值對(duì)比，則邊洞先行工況優(yōu)于中洞先行工況。

3 初期支護(hù)位移規(guī)律分析

不同施工開挖順序的各種工況條件下隧洞初期支護(hù)位移值如表3所示。由于初期支護(hù)位移的對(duì)稱性，將邊洞先行三種工況和中洞先行三種工況分別與三洞并行工況引起的初期支護(hù)位移進(jìn)行對(duì)比分析，列為柱狀圖如圖3所示。

表3 不同施工開挖順序工況隧洞初期支護(hù)位移 mm

由表3及圖3知，不同工況條件下，初期支護(hù)位移具有與地表沉降相同的規(guī)律，即無論是中洞先行還是邊洞先行，相比三洞并行所引起的初期支護(hù)位移均有不同程度的降低。先行10 m比先行20 m初期支護(hù)位移下降更為明顯。對(duì)比同等先行距離的中洞先行工況和邊洞先行工況的位移最大值，二者數(shù)值相當(dāng)，邊洞先行工況略優(yōu)于中洞先行工況。

4 不同施工開挖順序的圍巖塑性區(qū)分布

圖4為不同施工開挖順序工況條件下圍巖塑性區(qū)分布。

由圖4可知，不同施工開挖順序的圍巖塑性區(qū)均分布在邊墻及仰拱部位。邊洞先行三種工況的最大塑性區(qū)范圍發(fā)生在中洞邊墻部位，其值為2.56～2.59 m，最大塑性主應(yīng)變7.65×10-3～7.76×10-3，邊洞最大塑性區(qū)范圍均為2.14 m。中洞先行三種工況的最大塑性區(qū)范圍發(fā)生在邊洞邊墻部位，其值為2.41～2.45 m，最大塑性主應(yīng)變?yōu)?.93×10-3，中洞最大塑性區(qū)范圍為2.13～2.15 m。

圖3 隧洞初期支護(hù)位移對(duì)比

5 不同施工開挖順序的支護(hù)應(yīng)力分布

由數(shù)值模擬分析可知，邊洞先行20 m及中洞先行20 m兩種工況初期支護(hù)應(yīng)力相差不大。邊洞先行20 m工況最大主應(yīng)力(拉應(yīng)力)3.077 MPa，最小主應(yīng)力(壓應(yīng)力)2.200 MPa；中洞先行20 m工況最大主應(yīng)力(拉應(yīng)力)3.031 MPa，最小主應(yīng)力(壓應(yīng)力)2.203 MPa。壓應(yīng)力均未超過材料的容許應(yīng)力，拉應(yīng)力超出材料的容許應(yīng)力，需要鋼架加強(qiáng)及地層加固等輔助措施改善支護(hù)結(jié)構(gòu)受力。

6 結(jié)束語

(1)三洞并行的地表沉降、圍巖塑性區(qū)、初期支護(hù)位移和應(yīng)力最大，小凈距隧道間相互影響最大，對(duì)施工安全和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定最不利。

(2)邊洞或中洞先行工況條件下，先行隧洞錯(cuò)開距離影響較為顯著，錯(cuò)開距離越長(zhǎng)，對(duì)隧洞施工越有利。錯(cuò)開距離20 m與10 m的效果對(duì)比更為顯著，20 m以上效果不顯著。

(3)相同錯(cuò)開距離條件下邊洞先行與中洞先行對(duì)比可知，圍巖塑性區(qū)范圍、地表沉降、初期支護(hù)位移及應(yīng)力數(shù)值相當(dāng)。

綜合施工經(jīng)濟(jì)性、便利性和工期的要求，選用邊洞先行20 m工況，即左、右邊洞先行20 m，再開挖中洞，左右洞也可適當(dāng)錯(cuò)開4～5 m距離以減少小凈距隧道的相互影響。

圖4 不同施工開挖順序的圍巖塑性分布

參考文獻(xiàn)

[1]高 林.并行立交隧道施工順序及近接影響分區(qū)研究[D].長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2012

[2]婁國充.鐵路隧道下穿既有路基沉降規(guī)律及控制標(biāo)準(zhǔn)研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2012

[3]袁 竹.礦山法隧道下穿鐵路沉降影響分區(qū)研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2010

[4]許有俊，陶連金，李文博，等.地鐵雙線盾構(gòu)隧道下穿高速鐵路路基沉降分析[J].北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2010，36(12):1618-1623

[5]王余龍.在既有鐵路列車動(dòng)力影響下三管盾構(gòu)隧道力學(xué)行為及對(duì)策研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2006

[6]鄭余朝.三孔并行盾構(gòu)隧道近接施工的影響度研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2006

收稿日期：2016-03-16

作者簡(jiǎn)介：趙建華(1963—)，男，高級(jí)工程師，主要從事土木工程技術(shù)管理工作907024686@qq.com

DOI：10.13219/j.gjgyat.2016.04.002

中圖分類號(hào)：U455

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1672-3953(2016)04-0007-05

A Study of the Excavation Sequence for a Three-Pipe Small-Spaced Tunnel Under-Crossing an Existing Railway

Zhao Jianhua

(The Jiangxi Highway Development Corporation,Nanchang 330038,China)

Abstract:With the project of a three-pipe small-spaced tunnel of an existing railway as the engineering background,the ground surface settlement, the displacement in the initial supporting,the plastic sections of the surrounding rock,and the forced situations of the initial supporting are compared and analyzed in the condition of different excavation sequences for the 3-pipe tunnel.The research results show that the construction situation of three tunnels parallel to each other is found to be the most unfavorable.The effect of the distance between the preceding tunnel and the following tunnels is remarkable.On the condition that the distance between the preceding tunnel and the following tunnels remains the same, either the side tunnel or the mid-tunnel precedes,the influential effects remain unchanged. After the requirements in technology,economy and construction duration are comprehensively considered,the excavation sequence of the side tunnels 20 m preceding the mid-tunnel is adopted for the project.

Key words:tunnel;small-spaced;three-pipe tunnel under-crossing;excavation sequence;ground surface settlement