浅埋超近距离交叉隧道施工顺序数值模拟研究

李存军

（中铁三局桥隧公司，河北邯郸056036）

浅埋超近距离交叉隧道施工顺序数值模拟研究

李存军

（中铁三局桥隧公司，河北邯郸056036）

以长沙西北下行联络线罗家一号隧道下穿新建杭长正线曾家岭一号隧道为工程背景，运用数值分析手段对浅埋条件下超近距离立体交叉隧道的施工顺序进行了详细分析。通过不同计算工况下围岩和衬砌结构位移场、应力场以及围岩塑性区的对比分析，得到“先下后上（先施工下洞后施工上洞）”的施工顺序明显优于“先上后下（先施工上洞后施工下洞）”的施工顺序。最后将该研究成果应用于工程实践指导施工，目前该工程已经顺利竣工，说明该文提出的施工顺序是可行的，安全可靠的。

浅埋隧道；超近距离；立体交叉隧道；施工顺序；数值模拟；全断面无支护开挖；台阶法加支护开挖

1 工程背景

长沙西北下行联络线罗家一号隧道在NXDK1+720~+790段暗洞下穿新建杭（州）长（沙）正线曾家岭一号隧道，影响范围为DK913+770~+852。曾家岭一号隧道为双线隧道，隧道全长172m，隧道进出口里程分别为：DK913+680、DK913+852；罗家一号隧道为单线隧道，隧道全长1040m，隧道进出口里程分别为：NXDK1+530、NXDK2+570。两隧道立体交叉，交叉水平角为23°，曾家岭一号隧道和罗家一号隧道均属于Ⅴ级围岩，地质为泥岩。上部曾家岭一号隧道地板标高距离下部罗家一号隧道拱顶标高仅1.3m，属于超近距离立体交叉，上部曾家岭一号隧道埋深2~12m，属于浅埋隧道。曾家岭一号隧道与罗家一号隧道的相对位置关系如图1所示。

图1 罗家一号隧道与曾家岭一号隧道相对位置关系图

本项目同时新建的两座近接隧道，上部隧道埋深2~12m，隧道间近距仅为1.3m，且上部杭长线为350km/h的高速铁路，隧道开挖面积达152.4m2，此类浅埋条件下超近距离立体交叉大断面隧道的工程在国内外实属罕见。在这种背景下通过数值模拟手段对浅埋条件下超近距离立体交叉隧道的施工顺序展开研究，以期一方面通过研究指导本工程的施工，降低工程风险，提高经济效益；另一方面其研究成果可为类似工程的施工提供借鉴，进一步推广应用。

图2 FLAC3D计算模型

2 数值计算模型及计算参数选择

2.1 数值计算模型

采用FLAC3D大型通用有限差分软件进行计算分析，计算模型以罗家一号隧道在NXDK1+720~+790段暗洞下穿新建杭长正线曾家岭一号隧道为工程原型。两隧道立体交叉，交叉水平角为23°，净距1.3m。罗家一号隧道为单线铁路隧道，初期支护厚度为23cm，二次衬砌厚度为40cm；曾家岭一号隧道为时速350km/h双线铁路隧道，初期支护厚度28cm，二次衬砌厚度为50cm。

为了尽可能的消除边界影响，该计算模型取长130m、宽100m、高80m，共322857个节点，86160个单元，整体网格划分如图2所示。计算中岩土体采用弹塑性实体单元模拟，隧道衬砌采用shell结构单元模拟；岩土体的本构方程采用莫尔-库仑弹塑性本构模型[1-2]。

2.2 计算参数选择

根据设计资料及地质勘察报告，将地层参数按V级围岩选取，衬砌参数依据设计资料选取，其物理力学参数均参照《铁路隧道设计规范》TB10003-2005选取，具体物理参数见表1所示。

表1 计算物理力学参数

表2 计算工况及施工步骤

3 计算工况及研究目标断面

为确定“先上后下（先施工上洞后施工下洞）”还是“先下后上（先施工下洞后施工上洞）”哪种施工顺序更合理，在计算中采用如表2两种计算工况：即全断面开挖无支护和台阶法开挖加支护。研究断面分别选取上洞和下洞的中间断面作为目标面（图3），分析其在隧道施工过程中的位移场、应力场、塑性区等的变化趋势，从而确定最优的施工顺序[3]。

图3 研究目标断面（单位：m）

4 数值计算结果及分析

4.1 全断面无支护开挖方法

全断面无支护开挖，可以有效地反映出围岩破坏形态及应力从分布情况，且能直接反映出交叉隧道围岩的稳定性，故首先采用全断面无支护开挖，对围岩的位移、应力及塑性区的分布变化规律进行研究，初步确定开挖顺序。

4.1.1 先上洞后下洞开挖顺序

通过计算，分别提取了上洞开挖后和上下洞全部开挖后的围岩位移场、围岩应力场以及围岩塑性区分布的计算结果，限于篇幅，本文只给出塑性区的计算结果，如图4及图5所示。

图4 上洞开挖后围岩的塑性区分布

图5 上下洞开挖后围岩的塑性区分布

由计算结果可以看出：

（1）上洞开挖后，上洞的拱顶最大位移为-8.18mm，仰拱最大位移为13.9mm；下洞开挖完成后，上洞的拱顶最大位移为-9.27mm，仰拱最大位移为1.32mm，下洞的拱顶最大位移为-2.2mm，仰拱最大位移为-6.0mm，下洞开挖对上洞拱顶的位移贡献率为12%。

（2）在上洞开挖时，初始应力场变化较大，应力集中区主要分布在上洞的拱腰、拱顶及仰拱处，且影响范围已经影响到了下洞；下洞开挖时已经处于上洞应力影响范围之内。

（3）在上洞开挖后，下洞所在区域几乎全部处于上洞开挖所引起的塑性区内，虽然由于下洞断面较小，开挖后塑性区发展范围不大，但是在大部分为塑性区的围岩中开挖隧道，明显提高了隧道的施工风险。

4.1.2 先下洞后上洞开挖顺序

同样通过计算，分别提取了上洞开挖后和上下洞全部开挖后的围岩位移场、围岩应力场以及围岩塑性区分布的计算结果，限于篇幅，本文只给出位移场的计算结果，如图6及图7所示。由计算结果可以看出：

图6 下洞开挖后围岩的竖向位移（单位：m）

图7 上下洞开挖后围岩的竖向位移（单位：m）

（1）下洞开挖完成后，下洞的拱顶最大位移为-5.24mm，仰拱最大位移为9.32mm；上洞开挖完成后，由于上洞开挖的“卸荷”作用，使下洞拱顶上移，这对下方隧道是有利的，上洞拱顶最大位移为-7.02mm，仰拱最大位移为-12.4mm。

（2）下洞开挖后，应力集中区主要分布在下洞的拱腰处，且应力重分布对上洞的影响极小，几乎没有影响到上洞的原岩应力分布，且上洞开挖后，由于一定的“卸荷”作用，最大应力由1.14MPa减小到了0.97MPa。

（3）在下洞开挖后，塑性区范围较小，且塑性区并未完全发展到上洞范围内，对上洞的影响较小；在上洞开挖完成后，下洞周围的塑性区发展较小，即说明上洞的开挖虽对下洞有一定影响，但是影响较小。

4.1.3 数值计算结果分析

综合以上分析结果，无论是围岩位移场、应力场，还是塑性区的发展，采用“先下后上”施工顺序比采用“先上后下”施工顺序的量值或影响范围均要小一些，因此建议在施工过程中采用“先下后上”的施工顺序。

4.2 台阶法加支护开挖方法

4.2.1 先上洞后下洞开挖顺序

通过计算，分别提取了上洞开挖后和上下洞全部开挖后的围岩及衬砌位移场、围岩及衬砌应力场以及围岩塑性区分布的计算结果，限于篇幅，本文只给出塑性区的计算结果，如图8及图9所示。由计算结果可以看出：

图8 上洞开挖后围岩的塑性区分布

图9 上下洞开挖后围岩的塑性区分布

（1）上洞开挖完成后拱顶最大位移为-8.2mm，下洞开挖完成后上洞拱顶最大位移为-9.8mm，下洞拱顶最大位移为-2mm，下洞开挖导致上洞Y向位移增加了16%左右。

（2）上洞开挖完成后支护最大应力为1.2MPa左右，主要集中在左右边墙处；下洞开挖完成后，上洞支护的最大应力为1.3MPa左右，且主要集中在左侧边墙。

（3）在上下洞开挖完成后，塑性区的变化不大，但是在上洞开挖完成后产生的塑性区已影响到了下洞开挖区域。

4.2.2 先下洞后上洞开挖顺序

通过计算，分别提取了上洞开挖后和上下洞全部开挖后的围岩及衬砌位移场、围岩及衬砌应力场以及围岩塑性区分布的计算结果，限于篇幅，本文只给出位移场的计算结果，如图10～图13所示。由计算结果可以看出：

图10 下洞开挖完成后围岩最大竖向位移（单位：m）

图11 下洞开挖完成后衬砌最大竖向位移（单位：m）

图12 上下洞开挖完成后围岩竖向位移（单位：m）

图13 上下洞开挖完成后衬砌竖向位移（单位：m）

（1）下洞开挖完成后拱顶最大竖向位移为2mm，上洞开挖完成后，下洞拱顶由于上洞开挖导致的“卸载”作用，使拱顶上浮了约4mm左右，此时上洞的最大竖向位移为5mm。

（2）下洞开挖完成后，衬砌最大主应力为1.3MPa，主要集中在拱腰位置；上洞开挖后，由于“卸载”作用，使拱腰处最大主应力减小，转移到仰拱位置，最大主应力减小为1.2MPa，上洞衬砌的最大主应力为1.2MPa。

（3）由于下洞断面较小，在开挖完成后几乎未产生塑性区，即其对围岩扰动较小，上洞开挖时才开始产生大范围的塑性区，而此时下洞支护结构已经完成，对抵抗上洞的扰动能力较强。

4.2.3 数值计算结果分析

不同开挖顺序下，衬砌结构的最大竖向位移、最大主应力如表3所示。

表3 衬砌结构最大竖向位移及最大主应力统计表

由表3及计算结果可以看出：由于上洞埋深较浅且断面较大，首先开挖上洞时，会产生较大的位移，且对土体扰动相对较大，产生的塑性区已经影响到了下洞开挖区域；而后开挖下洞时，会导致上洞整体下沉，在实际施工时两洞距离太小，可能发生拱顶塌落进而影响到上洞支护结构安全的风险极高；如果首先开挖下洞时，由于下洞断面较小且埋深较深，故位移较小且对周围土体扰动较小，几乎没有塑性区产生，并且上洞开挖后，由于卸载作用会使下洞衬砌应力减小，且下洞的支护结构对上洞起到支撑作用使上洞整体位移减小，两者相互作用更加有利于结构的受力。综上所述，采用“先下后上”的施工顺序明显优于“先上后下”的施工顺序。

5 结论

论文以长沙西北下行联络线罗家一号隧道下穿新建杭长正线曾家岭一号隧道为工程背景，运用数值分析手段对立体交叉隧道的施工顺序进行了详细分析。通过不同计算工况下围岩和衬砌结构位移场、应力场以及围岩塑性区的对比分析，得到“先下后上”的施工顺序明显优于“先上后下”的施工顺序，从而建议本工程先施工罗家一号隧道，并将二次衬砌全部施工完成后，再进行曾家岭一号隧道的施工。目前该工程已经顺利竣工，说明本文提出的施工顺序是可行的，安全可靠的。

[1]龚伦.上下交叉隧道近接施工力学原理及对策研究[D].成都：西南交通大学博士学位论文，2008，6.

[2]关宝树.隧道力学概论[M].成都:西南交通大学出版社，1993.

[3]范永波，伍法权，胡社荣，等.交叉隧道塑性区分布规律、成因及支护探讨[J].工程地质学报，2008，16(2):268-272.

责任编辑：孙苏，李红

DigitalSimulation Study on Construction Order for Shallow Buried Interchange Tunnel

Based on the project of Luojia tunnel1 to Zengjialing tunnel 1 in Northwestern Changsha,construction order for shallow buried interchange tunnels with extra close distance is analyzed in detail.Through the comparison and analysis on the surrounding rock,displacement field of lining structure,stress field and plastic zone of surrounding rock,it is known that construction order of"down first,up second"is superior than that of"up first, down second".The study resultis applied to guide the construction and achieve the finalgoal.Itis proved thatthe construction order presented is feasible and reliable.

shallow buried tunnel;extra close distance;interchange tunnel;construction order;digital simulation;whole section excavation without support;step excavation with support

U452

A

1671-9107（2013）05-0035-04

10.3969／j.issn.1671-9107.2013.05.035

2013-03-25

李存军（1977-），男，河北邯郸人，本科，工程师，主要从事铁路施工技术和管理工作。