超浅埋上下重叠铁路隧道进洞施工的合理顺序分析*

李元亿 涂绪虎 谢卜均 徐前卫 周 峰

(1.中铁二局第五工程有限公司,610091,成都;2.同济大学道路与交通工程教育部重点实验室,201804,上海∥第一作者,工程师)

我国中西部地区山岭隧道常遇到超浅埋隧道近距离重叠的情况。针对隧道施工,文献[1]指出小间距重叠隧道施工顺序的选择及优化是影响其施工安全与进度的关键;文献[2]分析了各隧道群稳定性判定指标的主次顺序;文献[3]从纵向位移和内力的角度分析了软土地区重叠盾构隧道先下后上施工的安全性;文献[4]研究了浅埋偏压小净距隧道合理开挖的顺序问题;文献[5]研究了陡坡偏压条件下小净距隧道的施工顺序对围岩稳定性的影响;文献[6]基于有限元强度折减理论分析了围岩发生极限破坏时的安全系数及塑性区;文献[7-8]分析了重叠隧道先上后下和先下后上两种施工顺序下围岩的动力响应。

1 工程概况

1.1 工程背景概述

重庆市鸡公咀隧道采用超浅埋上下层重叠方式,上层为预留高铁隧道,下层为重庆东环线铁路隧道。图1为该隧道在进口处(中心里程为AK63+715)的横断面示意图。下层为东环线正线双线隧道(中心里程为DK63+911.375),全长472.75 m,其隧道除进口端区段为曲线半径等于1 600 m的右偏曲线(长度为336.60 m)外,其余区段均为直线,全隧采用5.4‰的纵坡单面下坡。上层为预留高铁隧道(中心里程为AK63+890),全长380.00 m,全隧为曲线半径等于1 300 m的右偏曲线。

图1 上下层隧道进口处横断面示意图

如图1所示,隧道上下层轨面的最小高差约为13.96 m,最小净岩层厚度为1.7 m,拱顶最大埋深为26 m。上层高铁隧道进口延后设置了偏压式明洞门及15 m偏压明洞衬砌。下层隧道进口设置了明洞门及15 m偏压明洞衬砌。

鸡公咀隧道采用矿山法开挖,采用超前大管棚超前支护,并根据围岩级别及现场地质情况选用了两台阶法并加装临时仰拱进行施工。初期支护采用厚27 cm的C25喷射混凝土,并设置φ22 mm的径向锚杆;二次衬砌采用C35混凝土,上层隧道的衬砌厚度为55～65 cm,下层隧道的衬砌厚度为70 cm。

1.2 工程地质及水文地质情况

鸡公咀隧道位于明月峡背斜西翼,隧区地层为单斜构造,代表性产状为N26°～33°/58°～70°NW,未见断裂构造。全隧围岩分布为Ⅳ级及Ⅴ级,其中Ⅳ围岩分布区间长度约为75 m,占上下层隧道全长(852.75 m)的8.8%。隧道进口端处覆有0～2 m粉质黏土。

1.3 进洞方案

上下重叠隧道施工的进洞方案一般有2种:

1) 方案一(施工次序为先上后下),即:上层隧道先进洞,下层隧道后进洞;

2) 方案二(施工次序为先下后上),即:下层隧道先进洞,上层隧道后进洞。

本文对这两种施工方案进行对比分析。鸡公咀隧道开挖采用上、下层隧道均按台阶法加临时横撑施工,即上台阶开挖完后加设临时横撑。

2 数值模拟

2.1 模型建立及参数选取

选择隧道进口端的横断面建立数据模型,进口端岩层属V级围岩,相应的岩体力学参数按TB 10003—2016《铁路隧道设计规范》选取。围岩采用摩尔-库伦本构的平面应变单元,二次衬砌采用弹性本构的平面应变单元。初期支护中的喷射混凝土和临时横撑采用弹性本构一维梁单元进行模拟,锚杆主要起支护作用,在模型中将锚杆的作用区域等效为局部加固区,加固区岩体参数按围岩的1.1倍选取,材料参数取值如表1所示。

表1 模型材料物理力学参数表

计算模型的尺寸为90 m(长)×60 m(高)。在模型的侧面和底面设置法向位移约束边界,顶部为自由边界。建立了二维有限元数值模拟网格模型,如图2所示。

图2 二维有限元模型

2.2 计算结果分析

2.2.1 围岩竖向位移

图3为两种方案下引起的围岩竖向位移云图。由图3可知:①方案一下,围岩的竖向最大隆起值为3.82 mm,最大沉降值为3.13 mm,分别发生在下层隧道拱底及上下层隧道拱顶位置附近;下层隧道施工导致上层隧道拱顶沉降增大了94%,上部隧道拱底隆起减小了32%。②方案二下,围岩的竖向最大隆起值为3.90 mm,最大沉降值为3.43 mm,分别发生在下层隧道拱底和上下层隧道拱顶位置附近;上层隧道施工导致下层隧道的拱底隆起和拱顶沉降分别增大了3.4%和6.0%。

图3 两种方案下围岩的竖向位移云图

2.2.2 围岩水平位移

图4为两种方案下引起的围岩水平位移云图。由图4可知:①方案一下,围岩的最大水平位移值为2.10 mm(水平位移取向右为正),发生在下层隧道左拱腰附近;上层隧道左右拱腰处的水平位移收敛值分别为0.21 mm和0.89 mm;下层隧道施工导致上层隧道左侧拱腰处的水平位移收敛值减小了72%,右侧拱腰处的水平位移收敛值增大了27%。②方案二下,围岩的最大水平位移值为1.81 mm,发生在下层隧道左拱腰附近;下层隧道左右拱腰处的水平位移收敛值分别1.77 mm和1.48 mm;上层隧道施工导致下层隧道右侧拱腰处的水平位移收敛值收敛减小了19%,左侧拱腰处的水平位移收敛值增大了5%。

图4 两种方案下围岩的水平位移云图

2.2.3 围岩最大剪应力

图5为两种方案下引起的围岩最大剪应力云图。

图5 两种方案下围岩的最大剪应力云图

由图5可知:后行施工的隧道进洞后,围岩的剪应力主要分布在隧道周围4 m范围内;上层隧道的剪应力主要分布在左右拱腰处,下层隧道的剪应力主要分布在左右拱腰及拱肩处附近;方案一和方案二的最大剪应力值分别为0.98 MPa和0.70 MPa,两个方案在上下层隧道的连接部位均出现了剪应力集中。

2.3 不同方案施工位移力学特性的对比分析

2.3.1 方案一

1) 竖向位移:先建隧道(上层隧道)进洞后,拱顶沉降值为1.27 mm,拱底隆起值为2.25 mm;后建隧道(下层隧道)进洞后,上层隧道的拱顶沉降值为2.47 mm,拱底隆起值为1.54 mm,拱顶处的沉降值增大了94%,拱底处的隆起值减小了32%。

2) 水平位移:先建隧道进洞后,左拱腰处的水平收敛值为0.76 mm,右拱腰处的收敛值为0.70 mm;后建隧道进洞后,上层隧道左拱腰处的水平收敛值为0.21 mm,右拱腰处的收敛值为0.89 mm,左拱腰处的收敛值减小了72%,右拱腰处的收敛值增大了27%。

3) 应力水平:围岩的最大主应力为0.87 MPa,最大剪应力为0.98 MPa。

2.3.2 方案二

1)竖向位移:先建隧道(下层隧道)进洞后,拱顶沉降值为3.23 mm,拱底隆起值为3.75 mm;后建隧道(上层隧道)进洞后,下层隧道的拱顶沉降值为3.43 mm,拱底隆起值为3.88 mm,分别增大了6%和增大3%。

2)水平位移:先建隧道进洞后,左拱腰处的位移收敛值为1.69 mm,右拱腰处的收敛值为1.83 mm;后建隧道进洞后,下层隧道左拱腰处的位移收敛值为1.77 mm,右拱腰处的收敛值1.48 mm,分别增大5%和减小19%。

3)应力水平:地层最大主应力0.64 MPa,最大剪应力0.70 MPa。

2.3.3 推荐方案

综上所述,先下后上施工顺序不仅能减小施工引起的隧道变形,而且更有利于改善隧道结构承载性能,控制塑性区范围,故推荐采用方案二施工。

3 模拟结果与实际监测结果对比分析

在下层隧道的拱顶和两侧拱腰处布置了监测点,用以监测隧道的实际位移数据。图6为下层隧道拱顶处累计沉降及拱腰处累计周边水平收敛的实测值。

由图6可知:在实际施工中,下层隧道拱顶处的累计沉降最大值为3.43 mm,拱腰处的累计水平位移收敛最大值为3.25 mm。这两个指标在监测21 d后(2019年9月21日)趋于稳定。

以方案二为例验证模拟计算结果的可靠性。图7为方案二下层隧道拱顶处累计沉降和拱腰处累计水平收敛的模拟结果和实测结果的对比情况。由图7可知,模拟计算结果与实际监测结果较为吻合。

4 结论

1) 方案一下,后建的下层隧道开挖会导致先建的上层隧道变形加剧;方案二下,后建的上层隧道对先建的下层隧道的影响较小。

2) 后建隧道对先建隧道水平位移的影响主要表现为后建隧道开挖后,先建隧道在左右拱腰处朝后建隧道方向有一定的水平收敛。

3) 与方案一相比,方案二更优,更有利于改善隧道结构承载性能,控制塑性区范围,降低支护结构失稳破坏风险。