刘文斌 黄君 石来 赵汉亮
（1.珠海大横琴城市新中心发展有限公司，广东 珠海 519000；
2.中国铁建投资集团有限公司，广东 珠海 519000；
3.中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉 430063；
4.广东省建筑科学研究院集团股份有限公司，广东 广州 510500）
横向联络通道是连接上下行隧道的附属结构，是重要的救援通道，其与主隧道的空间交叉结构[1]会大大影响隧道的整体受力性能。
国内外专家针对联络通道的设计与施工技术进行了一系列的研究：王龙[2]分析了盾构隧道与联络通道空间交叉结构的不稳定性对地层沉降的影响，针对盾构隧道的管片受力与变形进行了加固性处理；
曾丰姿等[3]用软件FLAC3D模拟了隧道和联络通道交叉结构开口处的边缘管片会产生应力集中现象，提出拆除管片之前应在交叉口处提前注浆；
田野等[4]通过现场监测得出联络通道与盾构隧道交叉部位沉降最大，在初支后注浆能够在一定程度上抑制地表沉降量；
赵泽昌等[5]模拟机械法施工对主隧道管片、螺栓接头等的力学影响，得出联络通道的施工采用机械法的可行性；
丁修恒[6]分析了联络通道采用盾构法施工的关键要点；
吴文涛[7]研究了联络通道在开挖过程中主要以拱顶变形为主，但其余部位也会发生不同程度的变形，应在施工中高度重视；
曹宇陶[8]利用ABAQUS模拟分析了机械法施工拆除管片前后的受力对主隧道的影响；
杨武[9]针对江底的联络通道施工阐述了有效降低承压水风险的4个措施，为以后相似的工程提供了依据。
目前，针对海域环境下盾构区间隧道联络通道的力学特性研究较少。本文以横琴杧洲隧道项目为背景，结合海域环境下的工程地质环境，研究联络通道施工过程对盾构隧道管片的结构受力和变形影响，保证在海域环境下盾构隧道联络通道的施工与运营阶段的安全。
横琴杧洲隧道工程位于珠海横琴一体化区域，隧道穿越马骝洲水道，北岸接环港东路与洪湾大道交叉口，南岸接厚朴道，采用双管单层双向六车道盾构隧道。盾构隧道埋深16.0m～35.0m，外径14.5m，左线隧道线路全长1995m，其中盾构段长945m；
右线隧道线路全长2032.15m，其中盾构段长978.31m，详见图1-2。
图1 项目总体布置图
拟建隧道两侧的吹填砂层中赋存的孔隙水，水量较丰富，且与水道水联系紧密，对工程影响较大，使地表发展较大沉降甚至坍塌，且隧道管片的受力状态会随着隧道埋深、土层参数和联络通道施工方法的改变而改变，因此本文将通过数值模拟，分析不同工况下隧道管片的位移、应力、轴力和弯矩等力学行为，掌握结构的受力状态，保证结构安全。
2.1 模型建立
由于联络通道上部地层复杂，分布不均匀，为简化建模，对地层结构进行简化，采用MidasGTS NS软件建立“地层-结构”模型并将地层分为5层，沿隧道掘进方向29m（相当于十环，每环2.9m），地层尺寸为80m×80m×80m，如图2所示；
地层单元和二次衬砌按弹性材料考虑，均采用实体单元，管片结构和初支采用板单元，空间交叉结构如图3～4所示。
图2 盾构隧道标准断面图
图3 地层整体模型图
图4 空间交叉结构图
地层、盾构管片、联络通道初支和二次衬砌的力学参数如表1和表2所示。
表1 地层参数
表2 材料参数
2.2 分析工况
本文具体工况设置如下：1）工况一：盾构隧道的埋置深度分别19m、24m和29m；
2）工况二：三种不同的土层弹性模量分别E=20MPa、50MPa和100MPa；
3）工况三：采用两种不同的施工方法（台阶法和全断面法）。
2.3 计算结果
因篇幅有限，仅在工况一列出云图，其余工况计算结果以表格形式展示。
2.3.1 工况一：不同的隧道埋深
1）位移分析
（最大值30.27mm，最小值-7.34mm）（最大值48.9mm，最小值-8.51mm）（最大值65.1mm，最小值-11.0mm）
图6 埋深24m竖向位移云图
图7 埋深29m竖向位移云图
由图5～7所知，当联络通道施工完成后，埋置深度为19m时，管片顶部至腰部出现最大值为7.34mm向下的位移，产生沉降，管片底部出现30.27mm向上的位移，产生隆起，且随着埋置深度的增加，管片的沉降量与隆起量均随之增加，结果 如表3所示。
图5 埋深19m竖向位移云图
表3 不同隧道埋深下管片竖向位移
2）应力分析
联络通道施工完成后，在不同埋置深度下的管片最大主应力图如图8-9所示。
图8 埋置深度19m管片最大主应力图
（最大值21.7N/mm2）
图9 埋置深度24m管片最大主应力图
（最大值26.3N/mm2）（最大值29.6N/mm2）
图10 埋置深度24m管片最大主应力图
由图8-10所知，管片最大主应力的最大值位于开口处左右侧边缘中部，即是隧道与联络通道的连接处。在埋置深度为19m、24m、29m时的最大主应力值依次为21.7、26.3、29.6N/mm2，如表4所示，而C60混凝土的极限抗压强度为35.5N/mm2，三种埋深情况下对应的管片最大主应力最大值均小于C60混凝土的极限抗压强度，所以管片并未被破坏，并且管片的最大主应力随着隧道的埋深而呈现增大的规律，因此，应在联络通道施工前给予相应支护措施。
表4 不同隧道埋深下最大主应力最大值
2.3.2 工况二：不同的土层参数（应力分析）
由表5得知，在三种土层参数情况下，管片的最大主应力均处于开口侧边缘，当土层参数E=20MPa时，管片的最大主应力最大值为1.37N/mm2，最小主应力33.69N/mm2；
当土层参数E=100MPa，管片的最大主应力最大值为0.16N/mm2，比在E=20MPa及E=60MPa时的最大主应力应力值分别减小了65.7%、66.0%，最小主应力随着土层弹性模量的增加分别减小了33.4%、18.4%，C60混凝土的极限压应力为35.5N/mm2，管片属于安全状态，在土层弹性模量增加的情况下，管片无论是受拉还是受压，数值都呈现出下降的规律。
表5 不同土层弹性模量下产生的应力值
2.3.3 工况三：不同施工方法
2.3.3.1 位移分析
由表6得知，两种联络通道施工方法下管片顶部均发生沉降，底部产生隆起，发生部位也都为管片开口处，台阶法下管片最大沉降值30.28mm，最大隆起量为7.34mm，而全断面法下管片最大沉降值为30.80mm，最大隆起量为5.50mm，因此，台阶法较全断面法沉降值小，但隆起值较大，因为沉降量带来的影响大于隆起量所带来的影响，所以，选择台阶法施工方法进行联络通道的施工较为合适。
表6 联络通道不同施工方法管片竖向位移
2.3.3.2 应力分析
由表7得知，在台阶法、全断面法工况下，最大压应力最大值均发生在开挖1/3时期，应力值分别为26.72N/mm2、26.87N/mm2，且都是发生在管片开口处边缘.隧道管片所承受的最大应力值为使用全断面法开挖时的最大应力值，为26.87N/mm2，而C60混凝土的极限压应力为35.5N/mm2，尽管管片结构处于安全阶段，但在施工方法的选择上，台阶法较为合适。
表7 不同施工方法在不同施工阶段管片最大应力表
依托横琴杧洲隧道工程，运用理论分析和数值模拟分析了开挖联络通道后其结构以及隧道管片的力学响应，主要结论如下：1）在联络通道施工中，三种不同的埋置深度都会使管片顶部至腰部产生沉降；
管片的底部产生隆起，且管片的变形主要处在与联络通道的交接处，因此，在施工前应选择合适的埋置深度做好相应支护措施；
2）在联络通道施工中，土层弹性模量的增加使得盾构管片最大应力呈现出下降的规律，且三种弹性模量下管片所受最大压应力小于C60混凝土的极限压应力，管片属于安全状态；
3）台阶法的施工方法下的管片沉降值较全断面下的沉降值要小，并且使用全断面法开挖时的管片最大应力值较台阶法更接近C60混凝土的极限压应力，因此，台阶法比全断面法在联络通道施工中更为合适。