分岔隧道連拱-小間距連接段施工過程穩(wěn)定性分析

袁 森

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北武漢 430063)

1 概述

隨著我國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)的大規(guī)模展開，高等級(jí)高速公路建設(shè)發(fā)展迅速。在中西部崇山峻嶺之間，為了節(jié)省橋梁的工程投資，修建分岔隧道已經(jīng)在所難免。分岔式隧道作為一種特殊的隧道結(jié)構(gòu)形式，主要用于因地形、地質(zhì)、施工、運(yùn)營(yíng)等條件限制的路段。

目前很多專家在連拱隧道和小間距隧道的設(shè)計(jì)、施工技術(shù)和穩(wěn)定性分析等方面做了諸多研究［1-8］。但是對(duì)于分岔式隧道連拱－小間距連接段的穩(wěn)定性分析研究還未見報(bào)道。連拱-小間距連接段施工過程中需要重點(diǎn)關(guān)注連拱段曲中墻、小間距段巖柱的穩(wěn)定性。連拱段中隔墻穩(wěn)定性的研究較多，如:曾勝等［1］、葉飛等［2］根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)研究了不同施工工序?qū)χ懈魤Φ膬?nèi)力影響;高攀科等［3］總結(jié)了不同結(jié)構(gòu)形式、參數(shù)選取及不同施工工藝下連拱隧道中隔墻的受力性能;白海衛(wèi)等［4］用有限元研究了連拱隧道開挖面的空間效應(yīng);伍國(guó)軍等［5］用有限元法研究了連拱變厚度曲中墻圍巖穩(wěn)定性;代樹林等［6］論述了小間距隧道開挖方法和巖柱加固技術(shù)。

結(jié)合滬蓉西高速公路八字嶺分岔隧道的連拱－小間距過渡段，通過建立三維模型，用有限元法模擬分析隧道動(dòng)態(tài)開挖支護(hù)過程中曲中墻、巖柱的受力特點(diǎn)及圍巖的穩(wěn)定性。

八字嶺隧道位于宜昌市長(zhǎng)陽縣及恩施自治州巴東縣境內(nèi)，平面形態(tài)呈近東西向展布，進(jìn)口為分離式，出口為分岔式，長(zhǎng)3.5 km。分岔式隧道在向分離式過渡過程中設(shè)計(jì)有大拱段、連拱段和小間距段三種形式，連拱段圍巖為大冶組灰?guī)r，薄中層狀，產(chǎn)狀NE350°＜84°，節(jié)理裂隙較發(fā)育，圍巖類別Ⅲ～Ⅳ類，地下水不豐富，以降水入滲為主。連拱段－小間距段隧道單洞室凈空9.75 m×5.0 m，最大埋深約156 m，設(shè)計(jì)為雙拱四車道形式。連拱段設(shè)置有中隔墻，靠近小間距段為曲中墻設(shè)計(jì)，小間距段兩洞之間保留巖柱，其位置與連拱段曲中墻的位置相同，這種過渡形式為國(guó)內(nèi)較罕見的雙拱大跨度設(shè)計(jì)形式。

2 連拱及小間距連接段穩(wěn)定性分析

2.1 計(jì)算模型

連拱到小間距段過渡段取連拱段和小間距段縱深各10 m共20 m的長(zhǎng)度作為分析模型，模型示意如圖1。圖1中交界面為連拱到小間距段的過渡界面，為計(jì)算結(jié)果分析方便，取模型四個(gè)剖面set－1至set－4。本次數(shù)值模擬連拱一直開挖到小間距段的整個(gè)動(dòng)態(tài)開挖過程。

連拱段施工工法:

開挖中導(dǎo)洞→施做中隔墻和中導(dǎo)洞臨時(shí)支護(hù)→開挖左側(cè)導(dǎo)洞→施做左側(cè)導(dǎo)洞支護(hù)。左側(cè)導(dǎo)洞的主要施工工序:→開挖左側(cè)主洞上半斷面→施工拱部初期支護(hù)→開挖側(cè)導(dǎo)洞→施做邊墻初期支護(hù)→開挖核心土。左側(cè)導(dǎo)洞施工完成后開挖右側(cè)導(dǎo)洞，右側(cè)導(dǎo)洞的施工工藝和左側(cè)導(dǎo)洞類似，左右洞開挖完成后施做二次襯砌。

圖1 連拱到小間距段過渡段示意(單位:m)

小間距段施工工法:

開挖左洞上半斷面→施工拱部初期支護(hù)→開挖左洞兩側(cè)邊洞→施做左洞兩側(cè)邊洞初期支護(hù)→開挖左洞核心土。左側(cè)導(dǎo)洞施工完成后開挖右側(cè)導(dǎo)洞，右側(cè)導(dǎo)洞的施工工藝和左側(cè)導(dǎo)洞類似，左右洞開挖完成后施做二次襯砌。

連拱段開挖工序示意及剖面上布設(shè)的關(guān)鍵點(diǎn)位置見圖2，小間距段開挖工序示意見圖3，關(guān)鍵點(diǎn)布設(shè)位置同連拱段剖面。

圖2 連拱隧道洞周關(guān)鍵點(diǎn)示意

圖3 小間距段隧道洞周關(guān)鍵點(diǎn)示意

2.2 計(jì)算參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)巖體力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果，在對(duì)八字嶺隧道的開挖、支護(hù)進(jìn)行數(shù)值分析時(shí)，采用的工程巖體材料參數(shù)見表1。

對(duì)于支護(hù)結(jié)構(gòu)，初次襯砌考慮噴射混凝土和錨桿支護(hù)。噴射混凝土設(shè)計(jì)厚度25 cm，材料為C20;系統(tǒng)錨桿為φ25 mm螺紋鋼，間距1.2 m，縱向間隔1 m，錨桿長(zhǎng)度L=3 m;二次襯砌采用鋼筋混凝土材料，設(shè)計(jì)厚度60 cm，材料C25。連拱曲中墻采用的材料同二次襯砌。

表1 巖體和支護(hù)材料力學(xué)參數(shù)

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

對(duì)連拱段和小間距段進(jìn)行二維平面應(yīng)變分析即可研究開挖過程中圍巖應(yīng)力分布、演化特征和位移特征。三維動(dòng)態(tài)開挖模擬結(jié)果的分析內(nèi)容較多，由于文章篇幅限制，僅對(duì)工程所關(guān)注的連接段附近曲中墻在動(dòng)態(tài)開挖過程中的受力情況、圍巖位移情況以及連接段圍巖塑性破壞情況進(jìn)行分析。開挖結(jié)束后圍巖以及曲中墻的最大主應(yīng)力分布、最小主應(yīng)力分布見圖4、圖5。

圖4 連拱-小間距連接段隧道開挖結(jié)束后拉應(yīng)力分布(單位:Pa)

圖5 連拱-小間距連接段隧道開挖結(jié)束后壓應(yīng)力分布(單位:Pa)

3.1 曲中墻受力特征

從連拱段隧道開挖開始，曲中墻遠(yuǎn)離連接端的兩側(cè)部位就形成壓應(yīng)力集中區(qū)，隨著開挖的進(jìn)行，壓應(yīng)力集中區(qū)域逐步向連接端擴(kuò)大，且壓應(yīng)力值逐步增大，到連拱隧道開挖結(jié)束時(shí)，最大壓應(yīng)力值由開挖初期的4.07 MPa增大至連拱開挖結(jié)束時(shí)的9.05 MPa;小間距隧道的開挖使得曲中墻的壓應(yīng)力區(qū)發(fā)生了轉(zhuǎn)移且壓應(yīng)力量值有所增大，隨著小間距隧道的開挖，壓應(yīng)力區(qū)向靠近小間距端的曲中墻兩側(cè)集中，至開挖結(jié)束時(shí)，最大壓應(yīng)力值由小間距開挖初期的9.35 MPa增大至14.72 MPa，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在靠近小間距巖柱部位的曲中墻側(cè)部，這是由于巖柱弱支撐的原因。

開挖過程中，曲中墻上端側(cè)部和下端側(cè)部局部受拉，但是拉應(yīng)力很小，開挖結(jié)束后，拉應(yīng)力值不超過1 MPa。

圖6顯示了連拱第一、二組剖面關(guān)鍵點(diǎn)8的壓應(yīng)力隨著開挖步的變化。由圖6可見，開挖過程中，曲中墻底部壓應(yīng)力越來越大，第一組關(guān)鍵點(diǎn)8的壓應(yīng)力由小間距開挖前的7.22 MPa增大到開挖結(jié)束時(shí)的9.31 MPa;在前面開挖階段，遠(yuǎn)離連接端部分的壓應(yīng)力值高于靠近連接端部分，而在小間距段右洞的側(cè)導(dǎo)洞開挖結(jié)束后，靠近連接端部位的壓應(yīng)力值要稍高。

圖6 連拱剖面曲中墻底部壓應(yīng)力隨開挖步變化

圖7顯示了小間距段第三、四組剖面關(guān)鍵點(diǎn)8的壓應(yīng)力隨著開挖步的變化。由圖7可見，開挖過程中，小間距巖柱下部壓應(yīng)力逐漸增大;另外可以看到靠近連接端部位巖柱下部的壓應(yīng)力要稍高于遠(yuǎn)離連接端部位的巖柱。

圖7 小間距剖面巖柱底部壓應(yīng)力隨開挖步變化

圖8顯示了開挖結(jié)束后，曲中墻、巖柱內(nèi)的壓應(yīng)力沿著軸線方向的變化。橫坐標(biāo)距離0 m處為連接端面，距離為正一端是小間距段，距離為負(fù)一端是連拱段。整體上看，小間距斷巖柱承受的壓應(yīng)力小于連拱段曲中墻承受的壓應(yīng)力，曲中墻、巖柱中上部壓應(yīng)力小于中部，中部小于底部，但是在連接端面周圍，曲中墻、巖柱中部壓應(yīng)力變化幅度較大。

3.2 開挖過程中圍巖位移情況分析

連拱隧道開挖完成后，拱頂下沉，底板上抬，最大位移出現(xiàn)于底板中部，值為3.73 mm，第一組關(guān)鍵點(diǎn)4、12(左、右洞拱頂位置)的位移分別2.96 mm、3.16 mm;第二組關(guān)鍵點(diǎn)4、12的位移分別為2.16 mm、2.09 mm，這是因?yàn)樾￠g距還沒有開挖，對(duì)其附近的連拱圍巖形成約束。

圖8 曲中墻、巖柱內(nèi)的壓應(yīng)力沿著軸線方向的變化

小間距隧道開挖結(jié)束后，最大位移出現(xiàn)于遠(yuǎn)離連拱的小間距底板中間，值為5.2 mm;第三組關(guān)鍵點(diǎn)4、12的位移分別為4.3 mm、4.59 mm，第四組關(guān)鍵點(diǎn)點(diǎn)4、12的位移分別為4.61 mm、4.91 mm。連拱隧道的位移隨著小間距隧道的開挖有所增大。由位移變化規(guī)律可見，小間距隧道開挖后，巖柱形成一個(gè)弱支撐(相對(duì)于連拱曲中墻)，向著小間距隧道方向，位移越來越大。

圖9顯示了連拱第一、二組剖面關(guān)鍵點(diǎn)12的位移隨著開挖步的變化。由圖9可見，開挖過程中，連拱隧道右洞洞頂?shù)奈灰撇粩嘣龃?另外可以看出遠(yuǎn)離連接端部位的位移大于靠近連接端部位的位移，到了小間距開挖結(jié)束前，靠近連接端部位的位移稍大。該圖的變化趨勢(shì)和壓應(yīng)力隨開挖變化圖的趨勢(shì)相同，同樣是由于巖柱支撐較弱的原因。

圖9 連拱剖面拱頂下沉隨開挖步變化

圖10顯示了小間距段第三、四組剖面關(guān)鍵點(diǎn)12的位移隨著開挖步的變化。由圖10可見，開挖過程中，小間距隧道右洞洞頂?shù)奈灰撇粩嘣龃?另外可以看出遠(yuǎn)離連接端部位(set4)的位移稍小于靠近連接端部位的位移，到了小間距開挖結(jié)束前，靠近連接端部位(set3)的位移稍小。原因可能是:小間距段尚未開挖時(shí)，連拱隧道開挖使得連接端附近的小間距隧道圍巖位移較大;而小間距隧道開挖結(jié)束后，由于巖柱相對(duì)軟弱，所以遠(yuǎn)離連接端的小間距隧道位移較大。

圖10 小間距剖面拱頂下沉隨開挖步變化

3.3 圍巖塑性區(qū)分析

巖體開挖擾動(dòng)，使得隧道洞圍巖因應(yīng)力釋放，產(chǎn)生應(yīng)力集中而出現(xiàn)塑性區(qū)，開挖結(jié)束后的塑性區(qū)分布見圖11～圖13。數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明:

圖11 連拱隧道開挖后圍壓塑性區(qū)分布

圖12 小間距隧道開挖后圍壓塑性區(qū)分布

圖13 小間距隧道開挖后圍壓塑性區(qū)分布縱剖面

連拱隧道開挖后，圍壓塑性區(qū)如圖11所示。在曲中墻上部、曲中墻下部腳點(diǎn)處等部位局部進(jìn)入塑性，其中曲中墻腳點(diǎn)部位塑性變形最大;越靠近連接端，塑性變形越小。

圖11～圖13顯示了小間距隧道開挖結(jié)束后圍巖的塑性區(qū)分布。在小間距隧道開挖過程中，巖柱兩側(cè)塑性區(qū)越來越大，右洞側(cè)導(dǎo)洞開挖后，巖柱中間塑性區(qū)域貫通;開挖結(jié)束后，最大等效塑性應(yīng)變出現(xiàn)于巖柱側(cè)部。因此在開挖小間距隧道過程中要對(duì)巖柱進(jìn)行及時(shí)合理支護(hù)，施工過程中根據(jù)需要施做對(duì)穿錨桿。

小間距隧道開挖過程中，連拱段曲中墻也有部分區(qū)域進(jìn)入塑性，主要發(fā)生在四個(gè)角點(diǎn)附近由于壓應(yīng)力集中引起，但是塑性變形都非常小。

4 結(jié)論

通過對(duì)分岔式隧道連拱-小間距分離段進(jìn)行的隧道開挖三維數(shù)值模擬研究，得出如下結(jié)論:

(1)由于小間距隧道巖柱相對(duì)曲中墻較弱，開挖結(jié)束后，小間距斷巖柱承受的壓應(yīng)力小于連拱段曲中墻承受的壓應(yīng)力，最大壓應(yīng)力14 MPa左右，出現(xiàn)在靠近連接段部位的曲中墻側(cè)部。曲中墻上下端側(cè)面局部受拉，但是拉應(yīng)力值很小，不超過1 MPa。

(2)開挖結(jié)束后，拱頂下沉、底板上抬，橫剖面上最大位移位于底板中間;由于巖柱相對(duì)較弱，向著小間距隧道方向，位移越來越大，最大位移值為5.2 mm。

(3)隨著隧道的開挖，小間距段巖柱兩側(cè)塑性區(qū)越來越大，最終出現(xiàn)貫通;因此在開挖小間距隧道過程中要對(duì)巖柱進(jìn)行及時(shí)合理支護(hù)，施工過程中根據(jù)需要應(yīng)該施做對(duì)穿錨桿。

［1］ 曾勝，覃慶通，陽軍生．大跨度連拱隧道直中墻受力現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)分析［J］．巖土力學(xué)，2008，29(9)

［2］ 葉飛，丁文其，朱合華，等．連拱隧道中隔墻現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)及分析研究［J］．地下空間與工程學(xué)報(bào)，2007，3(3)

［3］ 高攀科，徐林生．公路連拱隧道中隔墻的若干技術(shù)問題［J］．重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2008，27(3)

［4］ 白海衛(wèi)，于晨昀．連拱隧道開挖面空間效應(yīng)分析［J］．西部探礦工程，2008(1)

［5］ 伍國(guó)軍，陳衛(wèi)忠，于洪丹，等．連拱變厚度曲中墻隧道圍巖穩(wěn)定性研究［J］．地下空間與工程學(xué)報(bào)，2008，4(4)

［6］ 代樹林，佴磊，門妮．小凈距隧道開挖方法和中巖柱加固技術(shù)探討［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2007(4)

［7］ 金豐年，王波，蔣美蓉．雙連拱隧道穿越破碎山體圍巖穩(wěn)定性數(shù)值分析［J］．巖土力學(xué)，2008，28(增)

［8］ 張強(qiáng)勇，李術(shù)才，李勇，等．大型分岔隧道圍巖穩(wěn)定與支護(hù)三維地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)研究［J］．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2007，26(增2)