立交隧道“先下后上”施工力学特性

于国垒

摘 要：立交隧道“先下后上”施工时，为了研究下方隧道变形受力特性以及安全情况，根据大横琴山一号隧道与珠机城际隧道交叉段施工实际，建立仿真模型，得出下方大横琴山一号隧道周边位移及围岩应力变化规律。结果表明：上方隧道的开挖对下方隧道影响范围大致在交叉点前后20 m区域内，下方隧道拱顶沉降及周边围岩应力均存在一定的减小，但影响较小，下方隧道较安全。

关键词：立交隧道；数值模拟；围岩应力；施工安全

中图分类号：U459.3                                 文献标识码：A                               文章编号：2096-6903（2024）02-0055-03

0引言

珠海大横琴山隧道与上方的珠机城际隧道存在立体交叉情况，上方隧道施工将对下方的大横琴山隧道产生影响。目前对立交隧道的研究较多，裴丽[1]则建立三维立交隧道数值模拟模型，对围岩位移变化、支护结构内力变化及围岩应力变化进行分析，得出在0.25D、0.5D、0.75D、1D（D隧道外径值）净距下隧道力学性征变化规律。

李少刚[2]对5种施工顺序进行模拟（上上-下下、上-上-下-下、下下上上、下下-上上、下-下-上-上，全断面法施工），得出地表沉降、周边位移场、拱顶沉降、水平位移、交叉区域应力场、初期支护主应力。颜勤[3]对上下垂直交叉隧道及上下60°交叉隧道进行有限元模拟，分别对“先上后下”及“先下后上”兩种工况开挖完毕后的后行洞周边围岩及支护结构的应力位移变化、地表沉降及塑性区特征进行分析。

珠海大横琴山隧道大跨段大角度下穿珠机城际铁路横琴隧道，于右线YK1+285.237（珠机城际铁路横琴隧道里程：DK21+263.023）相交，其与珠机城际隧道的竖向净距为3.5 m。下穿珠机城际铁路横琴隧道段穿越岩体节理密集破碎带，主要由中风化花岗岩构成，围岩级别为Ⅲ、Ⅳ级围岩。本文模拟研究先开挖下方大横琴山一号隧道，后开挖上方珠机城际隧道时，下方大横琴山隧道的变形受力特性以及施工安全性，从而为施工提供参考。

1有限元模型的建立

1.1 有限元参数的选取

本模型采取摩尔-库伦土体本构进行模拟，据工程地勘说明书，围岩为中-微风化花岗岩，围岩级别为Ⅳ级，锚杆区域以增大围岩弹性模量及黏聚力等参数进行等效代替，根据岩土设计参数设计值，选取表1参数设计值。

1.2 模型的建立

使用ABAQUS软件建立160 m×200 m×180 m的三维实体单元模型模拟土体结构，增大围岩弹性模量及黏聚力10%为锚杆区域参数，采用实体单元建立支护结构，根据大横琴山一号隧道SD2断面衬砌设计图，建立31 cm初期支护，建立80 cm二次衬砌。根据珠机城际隧道断面设计图，建立30 cm支护结构，对土体模型下部边界的X、Y、Z方向进行约束，对左右边界的X方向进行约束，对前后边界的Y方向进行约束，模型及网格划分如图1所示。大横琴山一号隧道以CD法进行施工，珠机城际隧道以全断面法进行施工。

2数值模拟结果分析

2.1 位移变化规律

针对“先下后上”施工工况，分析珠机城际隧道开挖时对大横琴山一号隧道的影响，根据珠机城际隧道每3 m一个开挖步，及珠机城际隧道与大横琴山一号隧道相互影响，观察珠机城际隧道开挖到中轴线前后24 m内时大横琴山一号隧道围岩位移变化情况，大横琴一号拱顶沉降曲线图如图2所示。

从图2可以看出，在珠机城际隧道开挖前，大横琴山一号隧道拱顶沉降基本相等，其值约为15.1 mm。在大横琴山一号隧道中轴线20 m范围外，其拱顶沉降随着珠机城际隧道的开挖逐渐增大，在珠机城际隧道开挖完毕后达到最大，其值为15.6 mm。隧道沿开挖方向开挖到中轴线前6 m之前，大横琴山一号隧道中轴线20 m范围内拱顶沉降持续增大，在中轴线6 m前时拱顶沉降达到最大，随后拱顶沉降开始减小。这是由于珠机城际隧道的开挖，使得大横琴山一号隧道上方的围岩应力得到释放，故拱顶沉降恢复。在开挖到中轴线后12 m时，拱顶沉降达到最小。由于珠机城际隧道开挖面的远离，继续开挖时，大横琴山一号隧道拱顶沉降继续增大，开挖完毕后达到最大，大横琴山一号隧道中点上的拱顶沉降值约为14.7 mm。因此，在大横琴山一号隧道中轴线20 m范围外，隧道拱顶沉降随珠机城际开挖逐渐增大，而20 m范围内拱顶沉降则先增大后减小随后又小范围的增大，且沉降值变化较小，隧道较安全。

上方珠机城际隧道开挖对大横琴山一号隧道水平位移有一定的影响，选取大横琴山一号隧道拱腰处的特征线，以沿隧道开挖方向左边拱腰为左拱腰，右边拱腰为右拱腰。从图3中可以看出，珠机城际隧道开挖掌子面先接触左拱腰，相交处位于大横琴山一号隧道中轴线前7.5 m左右处，后接触右拱腰，相交处位于大横琴山一号隧道中轴线后7.5 m左右处。珠机城际隧道开挖对大横琴山一号隧道左右拱腰水平位移影响范围大致为中轴线前后20 m内，由于开挖导致下方拱腰处的水平位移略微减小。从3a、3b两图对比可以看出，左拱腰水平位移为2～2.5 mm，右拱腰水平位移为2.5～3 mm，左拱腰水平位移普遍小于右拱腰水平位移，隧道在施工时可以保持安全。

大横琴山一号隧道相交点拱腰处水平位移时程图如图4所示。其中左拱腰选择大横琴山一号隧道距中轴线前8 m处特征点，而右拱腰选择距中轴线后8 m处特征点。从图4中可以看出，大横琴山一号隧道左右拱腰处水平位移随着开挖的进行，使得左拱腰水平位移减小，使右拱腰水平位移增大。开挖珠机城际隧道前半段时，对左拱腰水平位移影响较大，而开挖珠机城际隧道后半段时对右拱腰水平位移较大。

综合大横琴山一号隧道拱腰处水平位移变化发现，珠机城际隧道在开挖至中轴线前45 m处时，对大横琴山一号隧道左拱腰水平位移产生影响，此时珠机城际隧道掌子面距大横琴山一号隧道左拱腰约为30 m左右。开挖至中轴线前18 m处时，对大横琴山一号隧道右拱腰产生影响，随后开挖至中轴线前15 m处（即大横琴山左拱腰上方）时，对左拱腰影响最大，其水平位移减小至最小，随后左拱腰水平位移开始增大。开挖至中轴线后15 m处（即大横琴山右拱腰上方）时，开挖对右拱腰水平位移影响最大，其位移增大至最大，随后右拱腰水平位移开始减小。因此，珠机城际隧道开挖对大横琴山隧道拱腰处水平位移影响范围，大致在珠机城际隧道轴线左右15 m范围内。

2.2 应力变化规律

珠机城际隧道的开挖对大横琴山一号隧道周边围岩应力有一定的影响。珠机城际隧道开挖前，大横琴山一号隧道在轴向方向主应力分布均匀，隧道拱脚及边墙处应力较为集中，其主应力极值位于隧道进口处，其值约为-1.63 MPa，原珠機城际隧道周边围岩主应力绝对值较小。随着珠机城际隧道的开挖，珠机城际隧道开挖后拱脚及边墙处主应力绝对值增大，当开挖至大横琴山隧道上方时，对下方围岩产生影响，大横琴山一号隧道在交叉段内围岩主应力绝对值减小，珠机城际隧道开挖至中轴线附近时，交叉段内围岩主应力值减至最小，继续开挖珠机城际隧道，围岩主应力绝对值开始增大，但远比珠机城际隧道未开挖时小。在珠机城际隧道开挖完毕后，大横琴山一号隧道周边围岩主应力极值位于距中轴线20 m左右处，其值为-1.67 MPa，略大于珠机城际隧道开挖之前。

分析可知，珠机城际隧道的开挖会使大横琴山一号隧道交叉段围岩主应力绝对值减小，使交叉段外围岩主应力绝对值增大，随着距中横线距离越远，其影响越小。珠机城际隧道在开挖至中轴线前27 m处时，对大横琴山一号隧道周边围岩应力开始影响，开挖至中轴线前3 m处时，对下方围岩影响最大，随后影响开始减小，在开挖至中轴线后24 m处时，对下方围岩几乎无影响。珠机城际隧道对大横琴山一号隧道周边围岩应力影响范围大致在距中轴线15 m范围内。

3 结束语

从拱顶沉降来看，随着上方隧道的开挖下方隧道拱顶沉降增大。在两隧道靠近时，拱顶沉降变小，随后小范围增大，其影响范围大致在中轴线前后20 m区域内。从水平位移来看，上方隧道开挖至交叉点前时，对下方隧道右拱腰影响较大，开挖至交叉点后时对下方隧道左拱腰影响较大，其影响范围在大致在交叉处前后15 m区域内。

从围岩应力来看，上方隧道开挖至中轴线前27 m处时，对下方隧道产生一定影响，下方隧道周边围岩应力减小，其影响范围大致在中轴线前后15 m区域内。

综合位移及应力变化情况，上方珠机城际隧道的开挖对下方大横琴山一号隧道影响较小，下方大横琴山一号隧道较为安全。

参考文献

[1] 裴丽.立交隧道近接施工对既有隧道力学特性的影响研究[D].重庆：重庆大学，2010.

[2] 李少刚.地下互通立交隧道设计参数优化及施工技术研究[D].北京：北京交通大学，2011.

[3] 颜勤.互通式地下立交隧道施工力学研究及方案优化[D].重庆：重庆大学，2007.