王 凱，張成平，王夢恕

(北京交通大學(xué)隧道及地下工程教育部工程研究中心，北京 100044)

1 前言

連拱隧道是在接線困難時出現(xiàn)的一種特殊結(jié)構(gòu)形式，而不對稱連拱隧道更是特殊條件下的一種特殊結(jié)構(gòu)形式的隧道，多位于大拱隧道與連拱隧道、連拱隧道與小間距隧道的過渡地段。由于不對稱雙連拱隧道開挖支護(hù)會引起兩隧道間巖土體的移動方向不一樣，相互影響作用劇烈，較之標(biāo)準(zhǔn)雙連拱隧道，圍巖應(yīng)力重分布和支護(hù)荷載轉(zhuǎn)換更加復(fù)雜，多次擾動使得圍巖容易發(fā)生失穩(wěn)，因此其支護(hù)方法、施工方法、穩(wěn)定性評價在設(shè)計與施工過程中應(yīng)給予充分重視。在我國，不對稱雙連拱隧道可借鑒的工程經(jīng)驗較少，設(shè)計和施工方法都還不成熟，目前還沒有較明確的規(guī)范，仍處于邊施工邊探討的階段，理論研究滯后于工程建設(shè)需求的發(fā)展。

筆者根據(jù)青島膠州灣海底隧道匝道與主隧道交叉口的地質(zhì)條件、隧道尺寸及施工方案等資料，建立合適的數(shù)值計算模型，針對不同的施工開挖順序和掘進(jìn)進(jìn)尺制訂4種施工方案，并采用巖土體工程通用有限差分軟件FLAC3D進(jìn)行相應(yīng)的動態(tài)施工三維數(shù)值模擬，通過比較各方案的地表沉降、拱頂沉降和支護(hù)結(jié)構(gòu)位移以及圍巖應(yīng)力和支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力的分布情況，對施工方案進(jìn)行優(yōu)選。

2 工程概況

青島膠州灣海底隧道是連接青島市主城與輔城的重要通道，南接黃島區(qū)的薛家島，北連青島老市區(qū)團(tuán)島，下穿膠州灣灣口海域。隧道全長7800 m，其中路域段3850 m，海域段3950 m，由兩條正線隧道、一條服務(wù)隧道、團(tuán)島端進(jìn)出匝道隧道組成。設(shè)雙向6車道，按城市快速道路標(biāo)準(zhǔn)，行車速度80 km/h，使用年限為100年，主隧道凈空面積約120 m2，采用鉆爆法施工。

青島海底隧道團(tuán)島端陸域段左線與匝道結(jié)合處隧道長 212 m，寬 16．72 ～27．82 m，高 12．60 ～18．05 m，斷面呈喇叭口狀。覆蓋層厚12 m，三處斷層破碎帶，由雜填土、砂礫石、風(fēng)化斷層破碎巖組成，屬超淺埋、超大斷面隧道。主隧道與匝道結(jié)合處以及匝道分岔口處斷面類型較多，共有11種斷面形式，隧道結(jié)構(gòu)形式變換頻繁，而且斷面跨度大，施工工序多，受力狀態(tài)復(fù)雜。其中，D11Z型大跨度不對稱雙聯(lián)拱斷面位于里程 ZK2+800．78～ZK2+811．55，其開挖跨度為27．1 m，開挖高度為10．0 m。

D11Z型不對稱雙連拱隧道典型斷面尺寸參數(shù)見圖1，圖中顯示均為隧道結(jié)構(gòu)凈空尺寸。

圖1 D11Z型隧道橫斷面圖(單位:mm)Fig．1 Type D11Z cross-section of the tunnel(unit:mm)

3 數(shù)值計算模型及計算方案

3．1 計算模型

整個D11Z型不對稱雙聯(lián)拱斷面所在里程ZK2+800．78 ～ ZK2+811．55，選擇位于其中的 ZK2+800．78為典型斷面。該斷面圍巖級別為V級，最大覆蓋層厚度14．78 m。為了進(jìn)行三維動態(tài)施工情況的模擬以及考慮隧道開挖的端部效應(yīng)，模型取縱向36 m進(jìn)行模擬計算，隧道結(jié)構(gòu)和關(guān)心部位附近采用小尺寸單元進(jìn)行加密。整個計算范圍為200 m×100 m×36 m，隧道計算模型如圖2所示。圖3為局部網(wǎng)格模型，計算模型共有 47850個節(jié)點，44016個單元。

圖2 隧道計算模型Fig．2 Calculation model of tunnel

圖3 局部網(wǎng)格模型Fig．3 Partial mesh mode

3．2 計算參數(shù)

圍巖物理力學(xué)參數(shù)沿隧道走向變化不大，故計算中采用斷面ZK2+800．78的圍巖參數(shù)，按《青島膠州灣灣口海底隧道工程地質(zhì)詳勘工程地質(zhì)報告》選取，具體取值見表1。圍巖材料采用實體單元模擬，力學(xué)模型為Mohr-Coulomb塑性模型。

隧道初期支護(hù)采用鋼拱架、掛網(wǎng)、C25噴射混凝土，二次襯砌采用C50鋼筋混凝土，襯砌結(jié)構(gòu)計算參數(shù)按照《公路隧道設(shè)計規(guī)范》［1］選取，見表2。初期支護(hù)和二次襯砌均采用實體單元模擬，力學(xué)模型為各向同性彈性體模型。鋼拱架的作用采用等效方法予以考慮，即將鋼拱架的彈性模量折算給混凝土［2］，折算的彈性模量可以按下式計算選取:

式(1)中，E為折算后混凝土的彈性模量;E0為原混凝土的彈性模量;Eg為鋼材的彈性模量;Sg為鋼拱架截面積;Sc為混凝土截面積。

表1 圍巖計算參數(shù)Table 1 Calculation parameters of surrounding rock

表2 支護(hù)結(jié)構(gòu)計算參數(shù)Table 2 Calculation parameters of supporting structure

3．3 施工方法優(yōu)化分析

3．3．1 開挖順序的優(yōu)化分析

由于地下工程的開挖問題具有非線性的路徑相關(guān)性［3］，因此開挖、支護(hù)順序不同，都有各自不同的應(yīng)力、變形歷史過程和最終不同的力學(xué)效應(yīng)。為了研究不對稱雙連拱隧道的開挖順序?qū)Φ貙幼冃蔚挠绊?，筆者選擇兩種施工順序?qū)Σ粚ΨQ雙連拱隧道的施工效應(yīng)進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

施工工序一見圖4:1為開挖匝道斷面右導(dǎo)洞并及時初支;2為匝道斷面右導(dǎo)洞二次支護(hù);3為開挖中導(dǎo)洞并及時初支;4為施作中隔墻模筑;5為回填中導(dǎo)洞頂部及中隔墻左側(cè);6為開挖匝道斷面中部并及時初支;7為匝道斷面模筑封閉;8為開挖主隧道斷面左導(dǎo)洞上臺階并及時初支;9為開挖主隧道斷面左導(dǎo)洞下臺階并及時初支;10為主隧道斷面左導(dǎo)洞二次支護(hù);11為開挖主隧道斷面中部并及時初支;12為拆除臨時支撐和中導(dǎo)洞左側(cè);13為主隧道斷面模筑封閉。

施工工序二見圖5:1為開挖中導(dǎo)洞并及時初支;2為施作中隔墻模筑;3為回填中導(dǎo)洞頂部及中隔墻左側(cè);4為開挖匝道斷面右導(dǎo)洞并及時初支;5為匝道斷面右導(dǎo)洞二次支護(hù);6為開挖匝道斷面中部并及時初支;7為匝道斷面模筑封閉;8為開挖主隧道斷面左導(dǎo)洞上臺階并及時初支;9為開挖主隧道斷面左導(dǎo)洞下臺階并及時初支;10為主隧道斷面左導(dǎo)洞二次支護(hù);11為開挖主隧道斷面中部并及時初支;12為拆除臨時支撐和中導(dǎo)洞左側(cè);13為主隧道斷面模筑封閉。

圖5 施工工序二Fig．5 Construction sequence 2

3．3．2 不同掘進(jìn)進(jìn)尺的優(yōu)化分析

隧道施工中，決不能片面地強(qiáng)調(diào)施工進(jìn)度，這不僅影響到圍巖的穩(wěn)定，而且還會大大削弱預(yù)支護(hù)的作用。合適的進(jìn)尺速度對于洞室的穩(wěn)定性和控制地表沉降都有一定的影響作用［4］。筆者計算選擇掘進(jìn)進(jìn)尺1．5 m和3 m兩種方案。

于是，針對不同的開挖順序和掘進(jìn)進(jìn)尺，采用了4種計算方案，見表3。

表3 4種計算方案Table 3 Four computing schemes

4 計算結(jié)果分析

4．1 位移分析

4．1．1 地層位移

為獲得不對稱雙連拱隧道分步施工過程中地表沉降槽的變化規(guī)律，以方案4為例，施工全過程地表沉降槽變化曲線如圖6所示，圖中以主隧道斷面縱向中軸線為x軸原點。

圖6 方案4施工全過程地表沉降槽變化曲線Fig．6 Curve of surface subsidence change during complete process in scheme 4

圖7是不對稱雙連拱隧道按方案4施工完成后典型斷面圍巖豎向位移等值線圖。從圖7中可以看出:

1)在隧道開挖過程中，由于開挖引起的應(yīng)力釋放和地層擾動，地層發(fā)生了位移，在主隧道拱部形成一個沉降區(qū)域，并向左右兩側(cè)延伸，一直到達(dá)隧道結(jié)構(gòu)的底部。

2)受主隧道影響，匝道拱部未形成明顯的沉降槽，而主隧道拱頂沉降槽受匝道影響呈不對稱分布。

3)主隧道拱頂正上方土層滿足應(yīng)力松弛規(guī)律，從地表到拱頂沉降量總體變大。而主隧道中線左側(cè)和匝道中線右側(cè)地層，地表到隧道底部地層沉降量逐漸減小，且拱頂以下部分的沉降量相對較小。可見隧道開挖地層應(yīng)力是從地表往下傳遞，而地層沉降的發(fā)展則是從拱頂呈輻射狀傳遞。

圖7 方案4典型斷面圍巖豎向位移等值線圖Fig．7 Vertical displacement of surrounding rock in scheme 4

圖8是4種方案施工時不對稱雙連拱隧道典型斷面的地表沉降槽曲線圖。從圖8中可以看出:

1)4種方案施工完畢時隧道典型斷面的地表沉降槽曲線的形狀基本一致，沉降槽最低點均往匝道斷面一側(cè)略有偏移，反映出一定的不對稱效應(yīng)。

2)4種方案施工完畢時都在距離隧道兩側(cè)一定區(qū)域內(nèi)存在地表隆起現(xiàn)象，與大量工程實踐相符合。

3)方案3的地表最大沉降量為22．777 mm，小于方案1的23．162 mm;方案4的地表最大沉降量為26．968 mm，小于方案2的27．680 mm。說明先施工中導(dǎo)洞再施工匝道斷面右導(dǎo)洞的工序?qū)Φ貙拥臄_動較小，更利于對施工引起的地表沉降進(jìn)行控制。

4)方案1和方案3的地表最大沉降量均小于方案2和方案4，影響范圍也較窄，說明開挖進(jìn)尺對地層變形影響較大，進(jìn)尺較小地表沉降也較小。片面提高進(jìn)尺速度，勢必會由于初期支護(hù)早期強(qiáng)度低而導(dǎo)致初期支護(hù)未穩(wěn)定區(qū)加長，從而削弱了初期支護(hù)的支撐條件，對沉降控制不利。

4．1．2 拱頂沉降

在4種方案的開挖過程中，主隧道拱頂?shù)某两狄妶D9，匝道拱頂?shù)某两狄妶D10。從圖10和圖11中可以看出:

圖8 地表沉降曲線Fig．8 Subsidence curve of ground surface

圖9 分步開挖主隧道拱頂沉降Fig．9 Vault settlement of main tunnel by stepped excavation

圖10 分步開挖匝道拱頂沉降Fig．10 Vault settlement of ramb tunnel by stepped excavation

1)匝道隧道拱頂沉降明顯分為3個階段:第1階段是在主隧道開挖前(開挖步1～7)，匝道拱頂處圍巖變形很大，占總沉降量的71．7% ～75．1%;第2階段是主隧道左導(dǎo)洞開挖和施作襯砌時(開挖步8～10)，匝道拱頂圍巖沉降很小，僅占總沉降量的4．0% ～7．0%;第3階段是在主隧道中部開挖之后(開挖步11～13)，匝道拱頂沉降有所增加，占總沉降量的18．5% ～23．0%。

2)主隧道拱頂沉降也明顯分為3個階段:第1階段是在主隧道開挖前(開挖步1～7)，主隧道拱頂處圍巖變形較小，僅占總沉降量的 16．0% ～21．7%;第2階段是主隧道左導(dǎo)洞開挖和施作襯砌時(開挖步8～10)，主隧道拱頂圍巖沉降量占總沉降量的35．8% ～37．3%;第3階段是在主隧道中部開挖之后(開挖步11～13)，主隧道拱頂沉降量仍然在不斷增加，占總沉降量的41．0% ～48．2%。

3)方案1和方案3的匝道拱頂沉降最大值分別為18．28 mm和18．18 mm，小于方案2和方案4的21．85 mm和21．63 mm;方案1和方案3的主隧道拱頂沉降最大值分別為27．06 mm和26．6 mm，也小于方案2和方案4的31．76 mm和31．0 mm。這與地表沉降規(guī)律一致。

4)方案3的匝道和主隧道最大拱頂沉降均小于方案1的，方案4的匝道和主隧道最大拱頂沉降也均小于方案2的。這也與地表沉降規(guī)律一致。

4．1．3 支護(hù)結(jié)構(gòu)位移

表4和表5分別是4種施工方案完成時典型斷面支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移和豎向位移。以方案4為例，圖11和圖12分別是不對稱雙連拱隧道按方案4施工完成時典型斷面支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移和豎向位移等值線圖。

表4 典型斷面支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移Table 4 Horizontal displacement of supporting structure

表5 典型斷面支護(hù)結(jié)構(gòu)豎向位移Table 5 Vertical displacement of supporting structure

圖11 方案4典型斷面支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移等值線圖Fig．11 Horizontal displacement of supporting structure in scheme 4

圖12 方案4典型斷面支護(hù)結(jié)構(gòu)豎向位移等值線圖Fig．12 Vertical displacement of supporting structure in scheme 4

通過表4、表5、圖11和圖12可以看出:

1)支護(hù)結(jié)構(gòu)的豎向位移起主導(dǎo)作用。初期支護(hù)和二次襯砌的最大豎向沉降出現(xiàn)在主隧道和匝道的拱頂區(qū)域，中墻的最大豎向沉降也出現(xiàn)在中墻頂部。4種方案中，方案2的支護(hù)結(jié)構(gòu)的豎向沉降最大，初支的最大豎向沉降達(dá)到34．01 mm，二襯的最大豎向沉降達(dá)到33．89 mm，中墻的最大豎向沉降達(dá)到 21．18 mm。

2)初支、二襯的拱腳和中墻底部均出現(xiàn)不同程度的隆起，主隧道二襯拱腳的隆起較匝道的偏大。4種方案中，主隧道二襯拱腳的隆起以方案2的最大，達(dá)到23．59 mm，而匝道二襯拱腳的隆起以方案4的最大，達(dá)到10．65 mm，中墻底部的隆起以方案2的最大，達(dá)到10．16 mm。

3)施工完成時支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移均較小，4種方案支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移差別不大。

4．2 應(yīng)力分析

4．2．1 圍巖應(yīng)力

圖13是不對稱雙連拱隧道按方案4施工完成時圍巖主應(yīng)力等值線圖。從圖13可以看出，圍巖在靠近中墻頂、中墻底部、主隧道和匝道的拱腰和拱腳區(qū)域有應(yīng)力集中現(xiàn)象，主隧道、匝道洞周應(yīng)力分布的形狀和梯度相似，不對稱效應(yīng)并不明顯。4種方案主隧道和匝道圍巖壓應(yīng)力最大值相差不大。

圖13 方案4典型斷面圍巖主應(yīng)力等值線圖Fig．13 Principal stress in surrounding rock in scheme 4

4．2．2 支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力

表6是4種施工方案完成時典型斷面支護(hù)結(jié)構(gòu)主應(yīng)力值的對比。以方案4為例，圖14和圖15分別是不對稱雙連拱隧道按方案4施工完成時中墻第一主應(yīng)力和第三主應(yīng)力等值線圖。由表6、圖14和圖15可以看出:

1)施工完成時，主隧道拱頂拱腰和拱腳、匝道拱頂拱腰和拱腳、中墻頂偏匝道一側(cè)、中墻下部偏匝道一側(cè)均出現(xiàn)不同程度的應(yīng)力集中。

2)中墻處于偏心受壓狀態(tài)，最大壓應(yīng)力分布在中墻下部偏匝道一側(cè)局部區(qū)域。4種方案的中墻最大壓應(yīng)力以方案3的略大，為6．686 MPa。中墻頂和中墻底部局部區(qū)域出現(xiàn)拉應(yīng)力，中墻底部拉應(yīng)力較大，4種方案中也是以方案3的壓應(yīng)力略大，達(dá)到2．624 MPa。

3)主隧道初支最大主壓應(yīng)力出現(xiàn)在與中墻頂銜接部位，最大主拉應(yīng)力出現(xiàn)在主隧道拱頂區(qū)域;主隧道二襯最大主壓應(yīng)力出現(xiàn)在拱腰，而最大主拉應(yīng)力出現(xiàn)在拱腳。匝道初支最大主壓應(yīng)力出現(xiàn)在拱腰，最大主拉應(yīng)力出現(xiàn)在匝道拱頂區(qū)域;匝道二襯最大主壓應(yīng)力出現(xiàn)在拱腰，而最大主拉應(yīng)力出現(xiàn)在與中墻頂銜接部位。

表6 典型斷面支護(hù)結(jié)構(gòu)主應(yīng)力Table 6 Principal stress in supporting structure

圖14 方案4典型斷面支護(hù)結(jié)構(gòu)第一主應(yīng)力等值線圖Fig．14 First principal stress in supporting structure in scheme 4

圖15 方案4典型斷面支護(hù)結(jié)構(gòu)第三主應(yīng)力等值線圖Fig．15 Third principal stress in supporting structure in scheme 4

5 施工方案優(yōu)選結(jié)果

從施工工序角度分析，采用工序二的方案3和方案4的地表最大沉降量、沉降槽寬度、拱頂最大沉降量、支護(hù)結(jié)構(gòu)最大豎向沉降以及中墻底部隆起值分別小于采用工序一的方案1和方案2，說明先施工中導(dǎo)洞再施工匝道斷面右導(dǎo)洞的工序?qū)Φ貙拥臄_動較小，更利于控制圍巖穩(wěn)定性;方案3和方案4的主隧道初支的最大主應(yīng)力、匝道二襯的最大主壓應(yīng)力分別小于方案1和方案2，然而方案3和方案4的中墻最大主應(yīng)力、匝道初支的最大主應(yīng)力、主隧道二次襯砌的最大主拉應(yīng)力分別大于方案1和方案2，但均未超過混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。

從開挖進(jìn)尺角度分析，掘進(jìn)進(jìn)尺3 m的方案2和進(jìn)尺1．5 m的方案1相比，地表最大沉降量增大19．51%，匝道拱頂沉降量增大19．53%，主隧道拱頂沉降量增大17．37%，進(jìn)尺3 m的方案4和進(jìn)尺1．5 m的方案3相比，地表最大沉降量也增大18．40%，匝道拱頂沉降量增大18．98%，主隧道拱頂沉降量增大16．54%;方案2和方案4主隧道、匝道支護(hù)結(jié)構(gòu)以及中墻的豎向沉降均分別大于方案1和方案3，且方案2和方案4中墻底部的隆起值亦分別大于方案1和方案3;方案1和方案3主隧道初期支護(hù)和中墻的最大主應(yīng)力分別稍大于方案2和方案4，但均未超過混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，其他支護(hù)結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力方案1和方案2的差別很小，方案3和方案4的也很接近。可見掘進(jìn)進(jìn)尺對圍巖穩(wěn)定性影響較大，開挖時應(yīng)盡量采用小進(jìn)尺。

綜合考慮施工工序和開挖進(jìn)尺的影響，方案3較其他方案最為合理，表明先施工匝道斷面右導(dǎo)洞再施工中導(dǎo)洞的方案在不對稱雙連拱隧道開挖中是不可取的，宜先施工中導(dǎo)洞再施工匝道斷面右導(dǎo)洞。當(dāng)然，開挖中采用小進(jìn)尺更利于控制圍巖穩(wěn)定，但是開挖進(jìn)尺過小，則開挖工期延長，臨時支護(hù)增加，進(jìn)尺速度應(yīng)根據(jù)施工工期、工程成本和圍巖穩(wěn)定性綜合確定。

6 結(jié)語

1)不對稱雙連拱隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)變形以豎向位移起主導(dǎo)作用，最不利位置在主隧道和匝道的拱頂區(qū)域，初期支護(hù)、二次襯砌拱腳和中墻底部的隆起也不能忽視，支護(hù)結(jié)構(gòu)最大主壓應(yīng)力出現(xiàn)在中墻下部偏匝道一側(cè)局部區(qū)域，而最大主拉應(yīng)力出現(xiàn)在中墻底部，現(xiàn)場施工和監(jiān)測工作中應(yīng)對這些部位加強(qiáng)注意。

2)不對稱雙連拱隧道在施工過程中存在明顯的不對稱效應(yīng)，主隧道洞周圍巖位移比匝道洞周圍巖位移要大，主隧道與匝道洞周圍巖應(yīng)力、位移及支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力、位移都不對稱。

3)不對稱雙連拱隧道中墻的受力狀態(tài)非常復(fù)雜，它不僅要承受中墻上部巖體傳來的壓力，還要承受兩側(cè)耳墻傳來的壓力。分析結(jié)果表明，中墻有整體向匝道方向的側(cè)向偏移，但是偏移的量很小，施工完成時中墻處于偏心受壓狀態(tài)，中墻底部局部出現(xiàn)拉應(yīng)力，應(yīng)對中墻底部加強(qiáng)支護(hù)。

4)綜合考慮施工工序和開挖進(jìn)尺的影響，方案3較其他方案最為合理，表明先施工中導(dǎo)洞再施工匝道斷面右導(dǎo)洞并采用小進(jìn)尺的施工方案更有利于控制圍巖穩(wěn)定。

5)開挖順序和掘進(jìn)進(jìn)尺對不對稱雙連拱隧道不同部位的位移、應(yīng)力的影響程度不同，有的部位影響較大，有的部位影響不顯著。在實際工程中究竟采用何種開挖順序，采用多大的進(jìn)尺速度，力學(xué)因素只是其中要考慮的因素之一，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場的地質(zhì)條件和以往的施工經(jīng)驗等多方面因素綜合確定施工方案。

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