燕尾式隧道單雙線貫通方案數(shù)值模擬優(yōu)化與應(yīng)用

賀偉奇

（中鐵十七局集團(tuán)第三工程有限公司 河北石家莊 050081）

1 引言

隧道工程施工中由雙線隧道大跨段經(jīng)過雙連拱段過渡成兩座分離式隧道的結(jié)構(gòu)形式稱之為燕尾式變截面隧道。燕尾式隧道施工涉及小間距段施工、中隔墻施工、連拱大跨段開挖及二襯施工等工序，施工難度較大［1］。毛蓬崗隧道位于杭州市，單、雙線全長(zhǎng)9 883 m。左線單線起訖里程為DK27＋154～DK31＋200，總長(zhǎng)4 046 m；右線單線起訖里程為YDK27＋015～YDK31＋143，總長(zhǎng)4 128m。隧道雙線起訖里程為 DK31＋200～DK32＋909，總長(zhǎng)1 709 m。單雙線隧道在DK31＋200處實(shí)現(xiàn)貫通。DK30＋855.2～DK31＋200小間距段中隔墻巖柱厚度從5.4 m逐漸減小為1.1 m，平面布置如圖1所示。

圖1 燕尾式隧道小間距段平面

關(guān)于燕尾式隧道的理論分析與技術(shù)應(yīng)用，許多學(xué)者進(jìn)行過相關(guān)研究。宋楊［2］等通過對(duì)隧道燕尾段開挖進(jìn)行數(shù)值模擬，分析總結(jié)了拱頂、拱底、中墻等部位的受力位移情況，并提出相應(yīng)的施工對(duì)策；胡劍兵［3］等采用有限元軟件研究了分岔隧道大拱與連拱銜接段、連拱與小凈距銜接段施工過程中的圍巖變形情況，明確了應(yīng)力集中區(qū)和塑性破壞區(qū)的分布情況；解秀濤［4］詳細(xì)介紹了不良地質(zhì)區(qū)域大跨度燕尾段的開挖方法、襯砌臺(tái)車設(shè)計(jì)、雙聯(lián)拱施工等關(guān)鍵技術(shù)和施工安全技術(shù)措施。本文以毛蓬崗燕尾式隧道施工為背景，采用數(shù)值模擬的方法，分析研究了隧道分段開挖后的應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)，明確了圍巖受力變形情況和安全穩(wěn)定性，并以此對(duì)擬定的施工方案進(jìn)行優(yōu)化、實(shí)施。

2 擬采用的單雙線貫通施工方案

綜合考慮隧道的地質(zhì)條件和工期、效益要求，確定燕尾式隧道的施工順序［5-6］為：

（1）雙線隧道施工至貫通面。

（2）左線隧道超前右線掌子面100 m施工至貫通面。

（3）右線隧道施工至貫通面。

擬定燕尾式隧道初期支護(hù)的方案為：

（1）單線小斷面隧道預(yù)留變形量為1～3 cm，初期支護(hù)采用厚5 cm的C25噴射混凝土、φ6鋼筋網(wǎng)，拱部局部采用長(zhǎng)2 m的普通中空注漿錨桿。

（2）雙線大斷面隧道預(yù)留變形量為4～6 cm，初期支護(hù)采用厚15 cm的C25噴射混凝土、φ8鋼筋網(wǎng)，拱墻采用長(zhǎng)4 m的普通中空注漿錨桿，160格柵鋼架。

（3）在雙線隧道施工至貫通面后，采用長(zhǎng)度3.5 m、直徑25 mm的中空注漿錨桿以1.5 m×1.5 m的間距對(duì)中隔墻端頭進(jìn)行加固。

3 數(shù)值模擬分析

3.1 建立有限元模型

實(shí)際施工中，以填充面為界，隧道分為洞身開挖和仰拱開挖。由于圍巖性質(zhì)好（Ⅱ級(jí)圍巖，巖質(zhì)堅(jiān)硬，節(jié)理裂隙不發(fā)育，巖體完整），仰拱開挖滯后洞身掌子面大于30 m。本次數(shù)值模擬主要針對(duì)單雙線隧道洞身開挖。

采用數(shù)值模擬軟件建立有限元模型，導(dǎo)入FLAC3D進(jìn)行計(jì)算。本次研究以貫通面前后30 m范圍內(nèi)的單雙線隧道為對(duì)象建立有限元模型，水平方向?yàn)?00 m×60 m（橫向長(zhǎng)度×縱向長(zhǎng)度）的矩形斷面，能夠有效消除邊界條件對(duì)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生的較大誤差［7］；豎向選取隧道洞身底面以下30 m到地表自由面，最大高度為162 m。

雙線隧道洞身開挖后，最大橫向尺寸為21.72 m，高度為12.04 m；單線隧道洞身開挖后，最大橫向尺寸為9.37 m，高度為9.12 m（見圖2）。

圖2 洞身開挖示意

3.2 巖體結(jié)構(gòu)參數(shù)及初始地應(yīng)力

結(jié)合地質(zhì)資料，巖體采用Mohr-Coulomb彈塑性模型，主要材料［8-9］參數(shù)見表1。選取圍巖自重應(yīng)力場(chǎng)作為初始應(yīng)力場(chǎng)。固定邊界后，以最大不平衡力為收斂條件，求解至平衡，并將地應(yīng)力引起的位移值歸零［10］。此時(shí)模型可以近似代表隧道開挖前的實(shí)際狀態(tài)，用于后續(xù)的開挖計(jì)算，如圖3所示。

表1 巖體參數(shù)

3.3 應(yīng)力場(chǎng)分析

計(jì)算后生成圍巖應(yīng)力云圖，限于篇幅，僅列舉開挖結(jié)束后雙線隧道斷面和單線隧道斷面的應(yīng)力云圖。最大主應(yīng)力云圖的正值對(duì)應(yīng)最大拉應(yīng)力，最小主應(yīng)力云圖的負(fù)值對(duì)應(yīng)最大壓應(yīng)力。

圖3 初始地應(yīng)力

由圖4可以看出，大跨度雙線隧道開挖過程中，頂、底部均出現(xiàn)拉應(yīng)力，底部較大為0.7 MPa，頂部?jī)H為0.1 MPa。左右邊墻位置處所受壓應(yīng)力較大，呈對(duì)稱分布，應(yīng)力值為6.1 MPa，相對(duì)開挖前初始應(yīng)力3 MPa增大一倍。

圖4 右線隧道開挖結(jié)束后應(yīng)力分布情況

左線隧道開挖后，頂、底部均出現(xiàn)拉應(yīng)力，底部較大為1.1 MPa，頂部?jī)H為0.3 MPa。左右邊墻處出現(xiàn)壓應(yīng)力集中，呈不對(duì)稱分布，靠近中隔墻一側(cè)集中范圍較大，且最大值為8.67 MPa。此時(shí)大跨度雙線隧道的壓應(yīng)力區(qū)域和數(shù)值變化較小，頂、底部拉應(yīng)力區(qū)域向左線隧道偏移，且底部拉應(yīng)力增大0.4 MPa，頂部拉應(yīng)力增大0.2 MPa。

右線隧道開挖后，頂、底部均出現(xiàn)拉應(yīng)力，底部較大為1.06 MPa，頂部?jī)H為0.3 MPa，左右邊墻處出現(xiàn)壓應(yīng)力集中，且中隔墻內(nèi)應(yīng)力值達(dá)到12.78 MPa。此時(shí)，左右線隧道的圍巖應(yīng)力呈對(duì)稱分布。在大跨度雙線隧道中，應(yīng)力也呈對(duì)稱分布，左右邊墻處的壓應(yīng)力減小到7.48 MPa。

3.4 位移場(chǎng)分析

計(jì)算后生成的圍巖位移矢量圖，限于篇幅，僅列舉開挖結(jié)束后雙線隧道斷面和單線隧道斷面的位移云圖，如圖5所示。

分析可知，大跨度雙線隧道開挖過程中，頂部出現(xiàn)沉降，最大值為1.27 mm；底部出現(xiàn)隆起，最大值為1.08 mm。兩側(cè)邊墻出現(xiàn)沿徑向增大的水平位移，僅為0.2 mm左右。

圖5 右線隧道開挖后圍巖位移分布情況

左線隧道開挖后，頂部出現(xiàn)沉降，最大值為1.34 mm；底部出現(xiàn)隆起，最大值為1.06 mm。兩側(cè)邊墻出現(xiàn)沿徑向增大的水平位移，約為0.2 mm。由于左線隧道的開挖，大跨度雙線隧道的頂部沉降和底部隆起區(qū)域發(fā)生偏移，且有所增大，分別為1.53 mm和1.28 mm，邊墻水平位移仍為0.2 mm。

右線隧道開挖后，頂部出現(xiàn)沉降，最大值為1.67 mm；底部出現(xiàn)隆起，最大值為1.18 mm，此時(shí)左右線隧道周圍的位移呈對(duì)稱分布。中隔墻未發(fā)生明顯的水平位移，豎直向上，以中間為界限，上、下側(cè)分別發(fā)生沉降和隆起。在大跨度雙線隧道中，圍巖位移呈對(duì)稱分布，頂部最大沉降為1.86 mm，底部最大隆起為1.42 mm，左右邊墻的水平位移增大到0.3 mm以上。

另外，隧道開挖后，地表平均沉降僅為0.6 mm。

4 結(jié)果分析及方案優(yōu)化

通過分析數(shù)值模擬的計(jì)算結(jié)果，結(jié)合擬定的施工方案，提出以下結(jié)論和建議：

（1）在單雙線貫通處，地表不均勻變形對(duì)隧道的偏壓作用較小，由隧道開挖引起的地表沉降值僅為0.6 mm，可忽略不計(jì)。

（2）隧道輪廓收斂值僅為2 mm左右，小于擬定方案的預(yù)留變形量。施工時(shí)可減小預(yù)留變形量，從而減少爆破開挖和噴射混凝土用量。

（3）對(duì)于扁平的大跨度隧道，開挖后兩側(cè)邊墻會(huì)出現(xiàn)沿徑向增大的水平位移。噴射混凝土應(yīng)緊貼巖面，粘結(jié)密實(shí)，防止圍巖與初期支護(hù)之間出現(xiàn)空隙。施工后應(yīng)采取有效措施確定初期支護(hù)后是否脫空，做好后注漿方案。

（4）燕尾式隧道開挖結(jié)束后，雖然出現(xiàn)局部拉、壓應(yīng)力集中，但是數(shù)值較小，圍巖仍處于彈性區(qū)，不存在拉伸破壞和剪切破壞的風(fēng)險(xiǎn)。其中，中隔墻上豎向壓應(yīng)力增大到初始應(yīng)力的4倍以上，仍低于巖體抗壓強(qiáng)度。此時(shí)中隔墻具有足夠的支承能力，在擬定方案的基礎(chǔ)上，取消中隔墻端頭小導(dǎo)管加固，從而保證原巖的整體性，充分利用其自承力。

（5）考慮到左右單線隧道爆破開挖對(duì)中隔墻巖體的多次動(dòng)力擾動(dòng)（該處仍是薄弱部位），在擬定方案的基礎(chǔ)上增加鋼拱架和系統(tǒng)錨桿，配合鋼筋網(wǎng)、噴射混凝土共同形成初期支護(hù)，使中隔墻兩側(cè)臨空面處于受壓狀態(tài)，有利于提高其穩(wěn)定性。同時(shí)，應(yīng)合理優(yōu)化爆破方案，減少單段起爆藥量，降低爆破振動(dòng)的不利影響。

5 施工過程控制

（1）大跨度雙線隧道施工

大跨度雙線隧道采用三臺(tái)階法開挖至貫通面，沿環(huán)向布置變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)。通過連續(xù)監(jiān)測(cè)，圍巖的拱頂下沉、周邊收斂基本穩(wěn)定在2 mm左右，驗(yàn)證了數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。爆破開挖時(shí)，隧道預(yù)留變形量控制在1 cm之內(nèi)，與原方案相比有效地減少了超挖和噴射混凝土用量。初期支護(hù)拱部采用4 mφ25中空注漿錨桿，邊墻采用4 mφ22砂漿錨桿，梅花形布置；采用 16格柵鋼架封閉成環(huán)，間距1 m；掛設(shè)φ8鋼筋網(wǎng)后用C25混凝土噴射至設(shè)計(jì)位置。

（2）左線隧道施工

左線隧道采用全斷面光面爆破，在距離貫通點(diǎn)20 m范圍內(nèi)采用 20型鋼和φ25系統(tǒng)錨桿進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，與巖柱形成剛性整體，加強(qiáng)巖柱橫向強(qiáng)度。掛設(shè)φ6鋼筋網(wǎng)后噴射混凝土。

（3）右線隧道小間距段施工

由于右線隧道與左線隧道間距過小，采用相同的全斷面爆破參數(shù)，必定影響中隔墻和左線隧道的穩(wěn)定性。在施工過程中，通過采用縮短進(jìn)尺和長(zhǎng)短眼結(jié)合、增加雷管段數(shù)、分次起爆等多種方法，有效地降低了最大單段藥量，將爆破振速控制在15 cm/s的安全范圍內(nèi)［11-12］。當(dāng)掌子面距離貫通面50 cm時(shí)停止爆破施工，采用機(jī)械開挖與雙線隧道貫通（見圖6）。

圖6 右線隧道與雙線隧道貫通

6 結(jié)束語

本文對(duì)燕尾式隧道單雙線貫通方案進(jìn)行了模擬計(jì)算，通過分析研究開挖后的應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)，明確了圍巖的安全穩(wěn)定性和對(duì)地表沉降的影響，優(yōu)化了開挖預(yù)留變形量和中隔墻加固方法，同時(shí)對(duì)預(yù)防初期支護(hù)背后脫空、改進(jìn)爆破方法提出了合理的工程對(duì)策。單雙線隧道的順利貫通，充分驗(yàn)證了理論分析的合理性和可行性，同時(shí)可作為類似工程的參考。