淺埋黃土分岔隧道在不同施工方案下的變形規(guī)律研究

符文亮，張?jiān)獛洠焖?，葛萬(wàn)杰

（1 蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅蘭州 730070；2 中鐵二十二局集團(tuán)第一工程有限公司，黑龍江哈爾濱 150006）

在山區(qū)高速鐵路的建設(shè)中，由于地質(zhì)地形復(fù)雜，以及橋隧銜接、工程投資的限制，將鐵路隧道建成完全分離的隧道愈加困難，修建分岔隧道已在所難免。分岔隧道由大拱隧道逐步過(guò)渡到分離式隧道，因此同時(shí)具備大拱隧道、連拱隧道、小凈距隧道和分離式隧道的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)[1]。由于這類隧道位置選擇自由度大，適用于地形復(fù)雜、線路布設(shè)極為困難的情況，而且可保持路線線形流暢，便于橋隧相連，分岔隧道在我國(guó)鐵路隧道建設(shè)中的應(yīng)用日益增多[2-5]。但是，在分岔隧道過(guò)渡段，施工工序復(fù)雜，涉及多種開(kāi)挖工法的轉(zhuǎn)換，導(dǎo)致分岔段圍巖受力和變形特征復(fù)雜，而且左右洞交替施工對(duì)中隔墻和洞身中間巖柱應(yīng)力狀態(tài)的影響會(huì)增加施工及支護(hù)難度，如果處理不當(dāng)，很容易造成安全事故。因此，對(duì)該分岔隧道開(kāi)展專題研究十分必要。

目前，學(xué)者主要通過(guò)理論分析、數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和模型試驗(yàn)四種方法開(kāi)展相關(guān)研究。胡新朋等[2]針對(duì)復(fù)雜的地質(zhì)條件和周邊環(huán)境，提出單側(cè)隧道擴(kuò)挖并噴混凝土回灌的方法，有效地控制了施工風(fēng)險(xiǎn)，并實(shí)現(xiàn)了快速施工。朱正國(guó)等[6]依托榮烏高速黃土嶺隧道工程，通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)比分析了單側(cè)壁導(dǎo)坑法、CRD 法和CD 法三種施工方法的圍巖變形及受力特征，認(rèn)為單側(cè)壁導(dǎo)坑法為該淺埋連拱隧道最合理的施工方案，且兩側(cè)導(dǎo)洞可同時(shí)開(kāi)挖。胡志平等[7]依托西安地鐵5 號(hào)線雙連拱隧道工程，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和三維數(shù)值模擬，分析了中導(dǎo)洞法開(kāi)挖過(guò)程中襯砌的變形和應(yīng)力變化，認(rèn)為襯砌變形分迅增、緩增、穩(wěn)定三個(gè)階段，迅增階段應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)。趙金鵬等[8-10]依托南山路連拱隧道工程，通過(guò)數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，研究了軟弱圍巖連拱隧道不同開(kāi)挖順序下圍巖的變形特征以及中隔墻和支護(hù)結(jié)構(gòu)受力變形規(guī)律。陳培帥等[11]依托某在建隧道工程，結(jié)合大變形段現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)圍巖變形及原因進(jìn)行分析，認(rèn)為淺埋黃土隧道圍巖變形受上覆圍巖性質(zhì)影響較大。圍巖大變形主要分為快速發(fā)展、持續(xù)發(fā)展、緩慢發(fā)展、趨于穩(wěn)定4 個(gè)階段，緩慢發(fā)展階段仰拱盡早閉合成環(huán)，可有效抑制圍巖變形發(fā)展。

可以看出，對(duì)分岔隧道和黃土隧道的研究主要集中在施工方案優(yōu)化、支護(hù)結(jié)構(gòu)受力規(guī)律以及中隔墻穩(wěn)定性等方面，針對(duì)淺埋黃土分岔隧道的研究相對(duì)較少。因此，本文依托蘭州市白石二號(hào)分岔隧道工程，采用數(shù)值模擬對(duì)不同施工方案施工過(guò)程中圍巖、中隔墻的變形規(guī)律展開(kāi)研究，優(yōu)選最合理的施工方案，為類似新建黃土分岔隧道提供工程參考。

1 工程概況

白石二號(hào)隧道位于蘭州市七里河區(qū)崔家崖鄉(xiāng)，屬新建中衛(wèi)至蘭州鐵路（甘肅段）引入蘭州樞紐配套工程。該隧道由單洞雙線大跨隧道變?yōu)殡p線單洞隧道，隧道起止里程為DK6+772～DK7+045，全長(zhǎng)273m。隧道出口端為雙線大跨隧道，里程為DK7+004～DK7+045；其余段落為雙線單洞隧道。白石二號(hào)隧道分岔部位平面示意圖如圖1 所示。

隧道所在區(qū)域地貌上屬黃河南岸黃河高階地，隧道進(jìn)、出口端原始地形為溝谷，地形起伏。由于南環(huán)路及蘭新高鐵的修建及其他人為活動(dòng)，對(duì)隧道進(jìn)、出口段原始地形地貌改變較大，現(xiàn)如今地形起伏不大，地面高程約1556～1591m，相對(duì)高差約35m。隧道全線淺埋，最大埋深約為24m，圍巖級(jí)別為Ⅴ級(jí)，屬淺埋黃土分岔隧道。

2 施工方案及計(jì)算模型

2.1 施工方案

白石二號(hào)隧道由單洞雙線大跨隧道過(guò)渡為雙線單洞隧道，其分岔位置洞身間距小，洞身之間的巖柱較薄，難以保證施工穩(wěn)定，安全風(fēng)險(xiǎn)高，需用混凝土置換洞身之間的巖柱。對(duì)此，在該隧道的連拱段可采用兩種施工方法有兩種：中導(dǎo)洞法和三導(dǎo)洞法，圖2、3 為相應(yīng)的施工示意圖，其具體施工步驟見(jiàn)表1。

表1 兩種方法的施工步驟

圖2 中導(dǎo)洞法施工示意圖

圖3 三導(dǎo)洞法施工示意圖

2.2 計(jì)算模型

根據(jù)實(shí)際工程情況，使用Midas GTS NX 巖土有限元分析軟件建立數(shù)值計(jì)算模型，模擬兩種方案下隧道的開(kāi)挖支護(hù)過(guò)程，對(duì)比分析不同施工方法所呈現(xiàn)的工程效果。

2.2.1 計(jì)算邊界

本次計(jì)算中，計(jì)算區(qū)域的左右邊界取4 倍隧道跨徑，下邊界取4 倍隧道高度，上邊界應(yīng)按實(shí)際情況取至地表，模型尺寸為90m×40m×74m。模型左、右邊界施加水平向約束，下邊界施加豎向約束及水平向約束，上邊界為自由約束。如圖4 所示，為兩種工法相應(yīng)的有限元模型。

圖4 三維有限元模型

2.2.2 計(jì)算參數(shù)

本文研究重點(diǎn)為施工方案的比選，故采用完全相同的支護(hù)結(jié)構(gòu)，初期支護(hù)采用C25 噴射混凝土、φ22 砂漿錨桿和I16 型鋼鋼架，二次襯砌采用C45 鋼筋混凝土，中隔墻采用C20 混凝土澆筑。

為了簡(jiǎn)化計(jì)算，超前小導(dǎo)管的作用效應(yīng)可通過(guò)提高地層的c、φ 值近似模擬；型鋼鋼架可不單獨(dú)劃分單元，采用等效法計(jì)算，將鋼筋的彈性模量折算給噴射混凝土。如圖5 所示，為初支結(jié)構(gòu)等效示意圖，假設(shè)鋼拱架和混凝土協(xié)調(diào)變形，在線彈性階段，等效前后剛度不變：

圖5 初支結(jié)構(gòu)等效示意圖

式中，E——折算后混凝土的彈性模量；As——鋼拱架的截面面積；Ac——混凝土的截面面積；Es——鋼拱架的彈性模量；Ec——混凝土的彈性模量。

相關(guān)材料物理力學(xué)參數(shù)根據(jù)鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范以及實(shí)際工程確定，具體參數(shù)詳見(jiàn)表2。

表2 圍巖及支護(hù)材料物理力學(xué)參數(shù)

3 結(jié)果分析

本文主要研究對(duì)象為白石二號(hào)隧道連拱段，起止里程為DK6+964～DK7+004。為清楚表達(dá)施工過(guò)程中的圍巖、中隔墻變形規(guī)律，在以下分析中取連拱段中部（DK6+984）為目標(biāo)斷面，目標(biāo)斷面各關(guān)鍵點(diǎn)的位置如圖6 所示。

圖6 目標(biāo)斷面關(guān)鍵部位示意圖

3.1 豎向位移分析

如圖7 所示，為兩種施工方案下目標(biāo)斷面左右洞拱頂沉降值與施工步的變化關(guān)系圖。從圖中可見(jiàn)，在隧道開(kāi)挖過(guò)程中，左右洞拱頂均出現(xiàn)不同程度的沉降，當(dāng)開(kāi)挖至目標(biāo)斷面時(shí)，拱頂沉降值會(huì)立即增大。兩種工法中導(dǎo)洞的開(kāi)挖，拱頂沉降持續(xù)增加，數(shù)值基本相同，增大了5mm 左右。之后開(kāi)挖隧道左右主洞，中導(dǎo)洞法左右洞拱頂沉降依次激增，最后逐步趨于穩(wěn)定，拱頂沉降的整體發(fā)展趨勢(shì)呈“兩臺(tái)階”方式變化；三導(dǎo)洞法與中導(dǎo)洞法相比，側(cè)導(dǎo)洞施工會(huì)對(duì)拱頂沉降產(chǎn)生較大影響，導(dǎo)致該方法施工拱頂沉降的整體發(fā)展趨勢(shì)呈現(xiàn)“三臺(tái)階”式變化。

圖7 目標(biāo)斷面拱頂沉降歷時(shí)曲線

中導(dǎo)洞法施工，目標(biāo)斷面左右洞拱頂?shù)淖罱K沉降值分別為-25.20mm、-27.77mm；三導(dǎo)洞法施工，目標(biāo)斷面左右洞拱頂?shù)淖罱K沉降值分別為-23.23mm、-24.66mm，相差不大。從圖中還可見(jiàn)，最終拱頂沉降值均為后開(kāi)挖的右洞大于先開(kāi)挖的左洞。該斷面拱頂沉降隨開(kāi)挖進(jìn)尺的變化規(guī)律與張富鵬[12]等人研究成果的變化規(guī)律基本一致，也驗(yàn)證了本文計(jì)算結(jié)果的正確性。

綜上研究成果還發(fā)現(xiàn)，隧道施工過(guò)程中，兩種開(kāi)挖方法不同施工階段所產(chǎn)生的沉降占比（相對(duì)沉降/總沉降）如表3 所示。由表可知，拱頂沉降主要由主洞洞身開(kāi)挖所引起，兩種方案在左洞開(kāi)挖階段產(chǎn)生的左洞拱頂沉降，分別占左洞拱頂沉降總值的64%和47%；其次為中導(dǎo)洞開(kāi)挖，分別占總沉降值的26%和28%。此外，由于施工工序的先后順序，相鄰洞施工時(shí)產(chǎn)生的偏壓也會(huì)導(dǎo)致拱頂沉降的增大，兩種方案在右洞開(kāi)挖階段產(chǎn)生的左洞拱頂沉降，分別占左洞拱頂沉降總值的10%和5%，即三導(dǎo)洞法施工相鄰洞開(kāi)挖的影響效果更小。

表3 不同施工階段所產(chǎn)生的拱頂沉降占比

3.2 水平位移分析

圖8 為兩種方案下目標(biāo)斷面左右洞外側(cè)邊墻的水平收斂歷時(shí)曲線。從圖中可見(jiàn)，邊墻水平收斂主要由邊墻處圍巖的開(kāi)挖引起，三導(dǎo)洞法由于兩側(cè)導(dǎo)洞的開(kāi)挖，左右洞邊墻水平收斂的發(fā)展趨勢(shì)基本對(duì)稱，而中導(dǎo)洞法左右洞邊墻的水平收斂增長(zhǎng)趨勢(shì)則有先后之別。施工完成后，中導(dǎo)洞法左右洞邊墻的水平收斂值分別為32.20mm、-34.08mm；三導(dǎo)洞法左右洞邊墻的水平收斂值分別為16.28mm、-16.64mm。中導(dǎo)洞法明顯大于三導(dǎo)洞法，三導(dǎo)洞法施工更有利于控制邊墻水平收斂。

圖8 目標(biāo)斷面外側(cè)邊墻水平收斂歷時(shí)曲線

3.3 中隔墻位移分析

該分岔隧道的中隔墻從分岔處開(kāi)始逐漸變寬，在分岔處的厚度最薄，加上該部位施工工序較多，中隔墻受力變化復(fù)雜，為該段施工的最薄弱環(huán)節(jié)。圖9 為目標(biāo)斷面中隔墻頂部和底部水平位移與施工步的變化關(guān)系。由圖可知，兩種方案的中隔墻水平位移變化趨勢(shì)基本一致，都表現(xiàn)為開(kāi)挖左洞時(shí)，中隔墻墻頂向左洞偏移，墻底向右洞偏移；右洞開(kāi)挖后，偏轉(zhuǎn)趨勢(shì)有所緩解，但最終偏轉(zhuǎn)方向沒(méi)改變。

圖9 目標(biāo)斷面中隔墻水平位移歷時(shí)曲線

兩種施工方法主洞的開(kāi)挖次序均是先左后右，施工次序產(chǎn)生的偏壓是導(dǎo)致中隔墻整體發(fā)生傾斜的主要原因。從圖中可見(jiàn)，施工過(guò)程中，中導(dǎo)洞法中隔墻頂部和底部的最大水平位移分別為-2.85mm、0.26mm；三導(dǎo)洞法中隔墻頂部和底部的最大水平位移分別為-2.48mm、1.12mm。施工結(jié)束時(shí)，兩種開(kāi)挖工法墻頂位移相差不大，但三導(dǎo)洞法墻底水平位移明顯大于中導(dǎo)洞法，即中導(dǎo)洞法更能保證中隔墻在施工過(guò)程中的穩(wěn)定。在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工過(guò)程中，為保證中隔墻的穩(wěn)定，應(yīng)在其兩側(cè)采用沙袋回填或型鋼進(jìn)行支撐，并做好實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

4 結(jié)論

本文依托蘭州市白石二號(hào)分岔隧道工程，針對(duì)淺埋黃土分岔隧道連拱段的施工方案展開(kāi)研究，運(yùn)用Midas GTS NX 軟件對(duì)中導(dǎo)洞法與三導(dǎo)洞法的施工過(guò)程進(jìn)行三維數(shù)值模擬，對(duì)比分析兩種施工方案下隧道位移、中隔墻的變形規(guī)律，得到以下結(jié)論：

1）中導(dǎo)洞法與三導(dǎo)洞法施工結(jié)束后，目標(biāo)斷面左右洞拱頂?shù)某两抵迪嗖畈淮螅易罱K拱頂沉降值均為后開(kāi)挖的右洞大于先開(kāi)挖的左洞。但三導(dǎo)洞法左右洞邊墻的水平收斂值遠(yuǎn)小于中導(dǎo)洞法，故三導(dǎo)洞法施工更有利于控制隧道圍巖的變形；

2）在該分岔隧道中，中隔墻厚度處于漸變狀態(tài)，比通常情況下更薄，且施工工序較多，導(dǎo)致中隔墻頂部、底部水平位移發(fā)展復(fù)雜，為該施工段的最薄弱環(huán)節(jié)。兩種方案的中隔墻均向先行洞傾斜，但中導(dǎo)洞法施工中隔墻偏移值較小，更能確保中隔墻的穩(wěn)定性。在施工現(xiàn)場(chǎng)，為保證中隔墻的穩(wěn)定，應(yīng)在其兩側(cè)采用沙袋回填或型鋼進(jìn)行支撐；

3）中導(dǎo)洞法與三導(dǎo)洞法施工均能滿足要求，保證施工安全，且各有優(yōu)勢(shì)。但三導(dǎo)洞法工序轉(zhuǎn)換復(fù)雜，對(duì)圍巖擾動(dòng)大，工期較長(zhǎng)，在其他方面相差不大的情況下，三導(dǎo)洞法并不是最經(jīng)濟(jì)的施工方案，可優(yōu)先考慮中導(dǎo)洞法。