特大斷面分岔隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

王 剛

(廣西交科集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引言

隨著城市不斷發(fā)展、地下空間逐步開發(fā)利用，建設(shè)地下互通式立交成為緩解城市擁堵的有效方案之一。地下互通式立交工程具備環(huán)境影響小、占地少等優(yōu)點(diǎn)，是城市可持續(xù)發(fā)展的方向。在國內(nèi)的廈門機(jī)場路工程、膠州灣海底隧道、長沙營盤路湘江隧道等工程中均采用了類似地下互通式立交[1-2]。建設(shè)地下互通式立交工程用以分合流交通，必然面臨分岔隧道結(jié)構(gòu)斷面大、受力復(fù)雜、斷面形式變化多、施工工序繁雜等技術(shù)難題，其在圍巖、結(jié)構(gòu)受力及施工力學(xué)特點(diǎn)等方面與常規(guī)斷面隧道有較明顯的區(qū)別[3-5]。分岔隧道由常規(guī)隧道斷面過渡到兩個分離式隧道斷面，一般由特大斷面隧道段、連拱隧道段和小凈距隧道段組成。而特大斷面隧道漸變的形式、結(jié)構(gòu)方案，成為分岔隧道設(shè)計(jì)、施工是否安全可靠的關(guān)鍵因素。本文結(jié)合某項(xiàng)目的分岔隧道，對分岔隧道過渡方式的優(yōu)、缺點(diǎn)進(jìn)行論證，采用數(shù)值方法比較分析不同支護(hù)結(jié)構(gòu)方案的力學(xué)特性，對該工程的設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行探討，以期為后續(xù)相似工程提供參考。

1 工程概況

某項(xiàng)目主線隧道起點(diǎn)為隧道一期工程DK0+520，主線隧道長1 370 m；匝道隧道從主線隧道DK1+172處分流，匝道隧道長232.883 m。隧道沿線地貌單元屬殘積臺地-丘陵山地，山坡起伏較大，隧道分岔段穿越地層主要為強(qiáng)-中風(fēng)化凝灰?guī)r，裂隙發(fā)育，巖體較破碎，開挖后有少量孔隙水、裂隙水滲出，圍巖等級為Ⅳ級。

2 分岔段隧道結(jié)構(gòu)

2.1 分岔隧道結(jié)構(gòu)平面過渡形式

按線形、行車需求，地下互通交通分流應(yīng)設(shè)置一段減速車道，以便滿足線形順暢及行車安全要求，從而出現(xiàn)隧道橫斷面的變化，即通過改變隧道跨度以適應(yīng)車道漸變。主線隧道與匝道隧道平交口分岔部結(jié)構(gòu)過渡方式有一次性突變式過渡、喇叭形過渡及分段逐步擴(kuò)大過渡等三種過渡方式。三種過渡方式特性對比分析如表1所示。

表1 三種過渡方式特性對比表

根據(jù)三種過渡方式特性比選分析，設(shè)計(jì)過程綜合考慮經(jīng)濟(jì)性、工程復(fù)雜性，推薦采用分段逐步擴(kuò)大過渡方式，將該段隧道分為三個不同的分岔過渡斷面(如圖1所示)，隧道開挖斷面跨度范圍為16～22.6 m，既保證工程經(jīng)濟(jì)性和結(jié)構(gòu)斷面利用率，又解決了隧道漸變斷面襯砌結(jié)構(gòu)施工難度大的問題。

圖1 分岔段隧道平面圖

2.2 特大斷面分岔隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)、難點(diǎn)

本隧道最大斷面為分岔三段，屬Ⅳ級圍巖地段，隧道最大開挖寬度達(dá)到22.6 m，大于常規(guī)四車道隧道斷面的寬度，其矢跨比為0.47(不計(jì)仰拱)，扁平率較小。特大斷面分岔隧道具有尺寸效應(yīng)、圍巖缺陷效應(yīng)及應(yīng)力重分布影響擴(kuò)大的特點(diǎn)。在相同的地層條件中，隨著隧道的斷面尺寸增大，開挖后的變形規(guī)律雖仍是相似的，但隧道斷面與不利構(gòu)造交叉、切割的概率也增大(如圖2所示)。特大斷面分岔隧道開挖后形成更大的臨空面，不穩(wěn)定塊體范圍顯著增加，圍巖缺陷直接影響洞室的穩(wěn)定。巖體力學(xué)理論分析表明，隧道開挖支護(hù)影響范圍約為3～5倍開挖跨度，特大斷面分岔隧道其承載圈范圍內(nèi)不良地質(zhì)、不穩(wěn)定構(gòu)造的概率增大。一般處理大跨隧道尺寸效應(yīng)的影響有兩種解決思路，一種是改變圍巖級別，另一種是改變結(jié)構(gòu)支護(hù)方案。從工程實(shí)際出發(fā)，大多采用改變隧道支護(hù)方案的模式，即在同一圍巖等級條件下，因洞室跨度的不同，會有不同支護(hù)結(jié)構(gòu)方案，并根據(jù)地質(zhì)條件結(jié)合特大斷面分岔隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)、難點(diǎn)對支護(hù)方案進(jìn)行探討研究。

圖2 隧道斷面尺寸效應(yīng)影響示意圖

2.3 特大斷面分岔隧道結(jié)構(gòu)支護(hù)類型

參考規(guī)范及相關(guān)文獻(xiàn)，一般單洞四車道隧道開挖跨度B>18m，屬于特大跨斷面隧道[6-7]，其襯砌支護(hù)多采用復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)。襯砌分兩次或三次施作；Ⅱ級與Ⅲ級圍巖宜采用二次支護(hù)方案；Ⅳ級與Ⅴ級可采用三次支護(hù)方案。本項(xiàng)目特大斷面分岔隧道跨度B=22.6m，且屬較差的Ⅳ級圍巖地層，加之城市隧道周邊環(huán)境復(fù)雜，沉降變形、爆破安全要求高，擬采用三層支護(hù)結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)方案細(xì)分為以下兩種：方案一是兩層初期支護(hù)+單層模筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)；方案二是單層初期支護(hù)+兩層模筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。以上兩種結(jié)構(gòu)方案各有優(yōu)缺點(diǎn)，具體如下：

方案一優(yōu)點(diǎn)：二次支護(hù)采用噴射混凝土初期支護(hù)，能夠及時對一次支護(hù)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)、單層支護(hù)暴露時間短、早期強(qiáng)度高，施工方便、靈活，不受雙側(cè)壁導(dǎo)坑法臨時支護(hù)結(jié)構(gòu)限制。其缺點(diǎn)是二次支護(hù)結(jié)構(gòu)采用噴射混凝土結(jié)構(gòu)密實(shí)性較差，運(yùn)營期噴射混凝土結(jié)構(gòu)侵蝕后，材料性能下降，模筑襯砌結(jié)構(gòu)作為主要承載結(jié)構(gòu)。

方案二優(yōu)點(diǎn)：二次、三次支護(hù)結(jié)構(gòu)采用模注鋼筋(格柵)混凝土，具有整體密實(shí)性好、后期強(qiáng)度高的特點(diǎn)。其缺點(diǎn)是二次襯砌作為對初期支護(hù)的補(bǔ)強(qiáng)，由于受到雙側(cè)壁導(dǎo)坑法臨時支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響，無法一次成型，需采用臨時模板分步實(shí)施澆筑，步序繁瑣，整體性差，圍巖及初期支護(hù)暴露時間長，模筑混凝土初期強(qiáng)度較低，無法及時發(fā)揮補(bǔ)強(qiáng)作用，安全風(fēng)險較大。

綜合以上優(yōu)缺點(diǎn)分析，特大斷面分岔隧道推薦采用兩層初期支護(hù)+單層模筑鋼筋混凝土的復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)方案，該設(shè)計(jì)方案施工方便靈活、圍巖支護(hù)及時，更有利于合理發(fā)揮圍巖自穩(wěn)能力。

3 特大斷面分岔隧道結(jié)構(gòu)支護(hù)類型數(shù)值對比分析

針對以上兩種不同支護(hù)結(jié)構(gòu)方案采用有限元方法進(jìn)行數(shù)值對比，分析隧道開挖支護(hù)過程，著重研究開挖支護(hù)過程圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)特征、位移等，以及長期荷載狀況下初期支護(hù)材料性能下降后襯砌結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)。

3.1 數(shù)值分析方法及理論

隧道數(shù)值分析一般主要有荷載結(jié)構(gòu)法、地層結(jié)構(gòu)法兩種分析計(jì)算模型。采用荷載結(jié)構(gòu)法分析時，荷載的確定方法是基于塌落拱統(tǒng)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)公式，以支護(hù)結(jié)構(gòu)為承載主體，圍巖為荷載，同時考慮地層圍巖的約束，具有概念清晰、荷載明確等優(yōu)點(diǎn)。但是對于特大斷面分岔隧道，仍按經(jīng)驗(yàn)公式塌落拱理論計(jì)算荷載，顯然設(shè)計(jì)所得的支護(hù)結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性欠合理，在地質(zhì)較差的圍巖地層與工程實(shí)際相差甚遠(yuǎn)。地層結(jié)構(gòu)法是一種連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方法，考慮了圍巖的自承能力，圍巖作為連續(xù)介質(zhì)既傳遞荷載又提供支承作用，能反映圍巖初設(shè)應(yīng)力、開挖和支護(hù)對圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)特征的影響等。因此，本文采用地層結(jié)構(gòu)法按平面應(yīng)變模型進(jìn)行分析。

3.2 數(shù)值分析模型及材料參數(shù)

根據(jù)巖石力學(xué)原理，分析圍巖選用三倍或以上洞徑范圍作為數(shù)值分析的模型范圍，隧道左右水平約束，下部垂直約束，采用PLANE42平面單元模擬圍巖，BEAM3單元模擬隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)，Link1單元模擬隧道錨桿，通過單元的生死技術(shù)模擬開挖和支護(hù)的過程。圍巖本構(gòu)關(guān)系采用Drucker-Prager模型，其屈服準(zhǔn)則與Mahr-coulomb準(zhǔn)則近似，用以修正VonMises屈服準(zhǔn)則，屈服強(qiáng)度隨側(cè)限應(yīng)力的增加而相應(yīng)增加，假定為理想彈塑性。圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表2 數(shù)值分析結(jié)構(gòu)和材料參數(shù)表

兩種結(jié)構(gòu)模型及單元劃分具體如圖3和圖4所示。

圖3 兩層初期支護(hù)+單層模筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)模型圖

圖4 單層初期支護(hù)+兩層模筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)模型圖

特大斷面分岔隧道在圍巖構(gòu)造的影響下，其開挖后的穩(wěn)定性與施工工法息息相關(guān)。有限元模擬分析隧道開挖支護(hù)過程采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法工法，即先開挖兩側(cè)導(dǎo)洞，利用中間巖柱對拱部的支撐，有效減小臨空面的跨度。其荷載步序如下：(1)初始地應(yīng)力計(jì)算；(2)圍巖開挖；(3)第一層(單層)初期支護(hù)結(jié)構(gòu)施工；(4)臨時支護(hù)結(jié)構(gòu)拆除；(5)第二層初期支護(hù)(模筑鋼筋混凝土)結(jié)構(gòu)施工；(6)鋼筋混凝土襯砌結(jié)構(gòu)施工；(7)初期支護(hù)結(jié)構(gòu)材料劣化，鋼筋混凝土襯砌結(jié)構(gòu)作為主要承載結(jié)構(gòu)。

3.3 數(shù)值分析計(jì)算成果

如表3所示，隨著開挖、支護(hù)的進(jìn)行，地層應(yīng)力逐步釋放，錨桿軸力逐步增加，錨桿軸力最大值均小于其抗拔力，徑向錨固效果明顯。支護(hù)襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力逐步增加，主要以受壓為主，拉應(yīng)力很小，極值滿足承載力要求，混凝土未發(fā)生壓潰或受拉破壞。支護(hù)結(jié)構(gòu)有效約束了周邊圍巖的變形。隧道開挖過程中，拱頂?shù)貙映两抵鸩皆黾?，最終沉降值均在9mm以內(nèi)，側(cè)墻收斂值較小。開挖后圍巖應(yīng)力重分布，圍巖應(yīng)力值均較小，塑性區(qū)分布于邊墻兩側(cè)約0.5m范圍，不顯著，滿足支護(hù)結(jié)構(gòu)及圍巖穩(wěn)定性要求。

表3 數(shù)值分析計(jì)算成果對比表

對兩種結(jié)構(gòu)支護(hù)方案進(jìn)行深入比較分析，方案一的錨桿軸力、拱頂沉降位移值均小于方案二。從支護(hù)結(jié)構(gòu)σ3應(yīng)力變化看，方案二在荷載步(4)，單層初期支護(hù)便承擔(dān)較大荷載，存在突變情況，之后變化幅度不大；方案一支護(hù)結(jié)構(gòu)σ3應(yīng)力在各荷載步穩(wěn)步增加，說明支護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)揮承載力更為及時，可合理發(fā)揮圍巖自穩(wěn)能力，松弛有度，避免支護(hù)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)較大的應(yīng)力變化。兩種支護(hù)方案最后總變形量相差不大，方案一開挖支護(hù)過程中圍巖變形發(fā)展過程較為平順，而方案二存在一定的突變。通過數(shù)值比較分析結(jié)果，從圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)協(xié)同變形考慮，方案一更有利于支護(hù)結(jié)構(gòu)合理發(fā)揮承載力，避免應(yīng)力集中局部失穩(wěn)破壞，有效利用圍巖的自穩(wěn)能力，體現(xiàn)柔性支護(hù)，協(xié)同變形共同承載，因此方案一優(yōu)于方案二。

4 結(jié)語

本文通過結(jié)合某分岔隧道工程案例，對分岔隧道三種過渡方式進(jìn)行比較分析，從斷面變化方式、結(jié)構(gòu)斷面利用率、施工難度、工程經(jīng)濟(jì)性等方面綜合考慮，平面結(jié)構(gòu)布置推薦采用分段逐步擴(kuò)大過渡方式。特大斷面分岔隧道開挖斷面大、矢跨比小，扁平率低，在Ⅳ級圍巖段落受不良地質(zhì)構(gòu)造切割影響大、穩(wěn)定性差。本文通過論證分析推薦采用兩層初期支護(hù)+單層模筑鋼筋混凝土的復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)方案。該方案施工便利、圍巖支護(hù)及時，柔性支護(hù)、協(xié)同變形，更有利于發(fā)揮圍巖自穩(wěn)能力，應(yīng)力應(yīng)變演變歷程平順、無突變，滿足穩(wěn)定性要求，確保了工程的安全、順利建成。當(dāng)前該項(xiàng)目已建成通車，運(yùn)營狀況良好，采用的設(shè)計(jì)方案合理可行，可為今后城市地下立交類似工程提供借鑒和參考。