分岔隧道过渡段施工结构稳定性分析

刘晓勇 胡 强

(贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司 贵阳 550081)

受地形地质及接线桥梁结构形式的限制，分岔隧道在山区高速公路的桥梁接隧道段的应用日趋增多。作为一种相对新颖的隧道建造形式，分岔隧道在设计和施工方面所积累的经验相对缺乏，针对性的技术标准和行业规范内容较少，尚未形成完善、成熟的技术体系。针对上述情况，国内外专家学者展开了相关的研究工作。蔚立元等[1]通过建立三维地质模型，分析了隧道洞身周围岩体应力特点和沉降规律，推算出分岔隧道设计的极限安全承载度；孙秋红[2]运用ABAQUS软件分析罗依溪隧道过渡段形变变化规律，验证了新奥法和多部开挖法相结合的施工合理性；吴波等[3]通过有限元分析软件对复杂地质条件下的地铁分岔隧道进行了三维仿真模拟，总结出了地质条件较差段落的隧道施工方案的合理性；张强勇等[4]通过组合式地质力学模型试验，进行空间地质力学研究，总结分岔隧道的围岩应力场的变化趋势和岩体锚固作用效应；王汉鹏等[5]建立发三维有限元模型，动态模拟和分析偏压荷载作用下分岔隧道施工过程中的围岩损伤和屈服区，提出了开挖左洞超前右洞的施工方案；刘家澍等[6]运用FLAC3D有限元软件对施工阶段的分岔隧道连拱段进行差分数值分析，进一步研究探讨了隧道连拱段的围岩力学状态。

可以看出，针对分岔隧道的研究已经取得了一定进展，但大部分停留在理论分析和施工方案比选层次，对分岔隧道施工过程中支护结构受力的研究相对匮乏。针对上述情况，本文以西南地区某山岭隧道为工程依托，通过有限元软件动态模拟分岔隧道由连拱段向小净距段过渡的施工过程，进而分析过渡段的围岩形变规律和支护结构的力学特性，并提出相对应的施工处治建议，旨在为类似工程提供参考。

1 工程概况

1.1 地质条件

该隧道位于西南岩溶发育地区，为一座分岔式长隧道，隧道左幅起讫桩号为ZK36+693-ZK37+989，全长1 296 m；隧道右幅起讫桩号为YK36+693-YK37+990，全长1 297 m。隧道进口端与一悬索桥相接，左右洞线间距仅1.78 m。结合洞口地形与道路线形条件，采用端墙式洞门，隧道进口端墙式洞门结构见图1。

图1 隧道进口端洞门结构图(单位：cm)

为了尽量减小左、右洞的相互干扰，设计上采用154 m的整体式直中墙渐变段、58 m的复合式曲中墙渐变段、133 m的极小净距段及75 m的小净距段，将线间距由洞口段的1.78 m逐渐增大至16 m，分叉隧道线间距过渡示意图见图2。

图2 分叉隧道线间距过渡示意图

隧道场区位于扬子准地台黔北台隆复杂构造变形区，岩层单斜，产状稳定。隧道上覆第四系坡残积层黏土、块石土等，下伏基岩为寒武系下统清虚洞组(∈1q)白云质灰岩、寒武系中统高台组(∈2g)白云岩、泥质白云岩等，其中隧道进口端围岩主要为强、中风化白云质灰岩、泥质白云岩，岩质软硬相间，Rc=40 MPa。岩体破碎，结构面极发育、结合差，呈碎裂状结构，Kv=0.35。隧道开挖可能产生淋雨状、涌流状出水。地下水影响修正系数K1=0.60、[BQ]=237.5，围岩级别为V级。场区地下水为第四系松散裂隙水、基岩中风化裂隙水、岩溶裂隙水，其中岩溶裂隙水赋存于白云岩、白云质灰岩溶蚀裂隙中，水量较大且分布极不均匀。隧道洞口段地质纵断面图见图3。

图3 隧道洞口段地质纵断面图

此外，隧道进口段上方设置有悬索桥的隧道锚结构，其与隧道结构最小间距为15 m。实际施工过程中，由于施工组织安排等多方面因素，隧道锚先于隧道结构施工完成。本次计算重点分析隧道施工期间的结构受力，故将隧道锚作为一个隧道上覆结构荷载简化考虑。

1.2 分岔段隧道施工步骤

分岔段隧道施工可大体分为连拱段施工、小净距段施工及正常段施工，其中直墙及曲墙连拱段采用中隔墙法施工，小净距段先行洞采用环形开挖预留核心土法施工，后行洞采用CD法进行开挖。

复合式曲中墙段隧道施工步骤为：①中导洞开挖，施作临时支护及中隔墙→②左洞侧导洞开挖，施作临时支护及初期支护→③左洞上台阶开挖，施作初期支护→④左洞中台阶开挖，施作初期支护→⑤左洞下台阶开挖，施作初期支护，施作左洞仰拱、仰拱回填、边墙及拱部二次衬砌→⑥右洞侧导洞开挖，施作临时支护→⑦右洞上台阶开挖，施作初期支护→⑧右洞中台阶开挖，施作初期支护→⑨右洞下台阶开挖，施作初期支护→⑩待沉降稳定后拆除临时支护，施作右洞仰拱、仰拱回填、边墙及拱部二次衬砌。

极小净距及小净距段隧道先行洞施工步骤为：①上部弧形导坑开挖，施作拱部初期支护→②上部核心土开挖→③中台阶左右侧错槽开挖，分别施作中台阶左右侧边墙初期支护→④下台阶左右侧错槽开挖，分别施作下台阶左右侧边墙初期支护→⑤沉降稳定后施作二次衬砌。后行洞的施工步骤为：①左侧导洞开挖，施作侧导洞临时支护→②上台阶开挖，施作拱部初期支护→③中台阶开挖，施作初期支护→④下台阶开挖，施作边墙、拱底初期支护→⑤待沉降稳定后拆除临时支护，施作二次衬砌。分岔区前后断面支护结构与施工步骤图见图4。

图4 分岔区前后断面支护结构与施工步骤

2 有限元模型建立

有限元模型地层结构整体分为3个部分：地表块石土、强风化白云质灰岩及中风化白云质灰岩。采用摩尔-库仑本构模型，应变关系满足摩尔-库仑屈服准则。分岔隧道的支护结构，如初期支护、二次衬砌、锚杆、注浆导管、中隔墙和隧道锚均采用弹性本构模型。

2.1 材料参数

通过现场地质勘测得到各类岩土体的力学参数，相关支护结构参数由相关规范[7]取得，主要材料参数见表1。

表1 岩体及结构材料参数表

2.2 建立模型

根据施工勘探资料和实际工况建立三维有限元模型。由于山体坡面起伏较小，将坡面近似看作平顺曲面。连拱段和小净距段平均埋深约20 m，中隔墙法施工断面形状为双连拱，断面跨径约14 m。隧道锚位于上覆基岩的倾斜面，距离隧道衬砌结构顶约15 m，其垂直于岩面向下，锚体长约10 m，三维有限元模型结构图见图5。

图5 三维有限元模型结构图

根据设计资料配置模型计算参数，并设计施工阶段，其中小净距段先行洞与后行洞的开挖间距控制为50 m，台阶长度为5 m，有限元分析总位移云图见图6。

图6 有限元分析总位移云图(单位：m)

3 数值模拟结果研究分析

为分析隧道分岔过渡段结构的可靠性，选取曲墙连拱段和小净距段隧道拱部和底部的特征点作为研究对象，以特征点的位移、应力变化规律分析隧道断面衬砌结构的安全性。考虑后期提取结果的灵活性，将监测点设置在初期支护和二次衬砌的交界面上，其中监测断面1位于隧道分岔点偏曲墙段15 m位置处，监测断面2位于隧道分岔点偏小近距段30 m位置处，隧道过渡段监测点布置图见图7。

图7 隧道过渡段监测点布置图

3.1 隧道过渡段支护结构变形分析

过渡段各特征点在施工循环推进下的竖向位移变化规律曲线见图8。

图8 监测断面1洞内竖向位移曲线

由图8可见，采用中隔墙法进行连拱段的开挖过程中，隧道拱顶出现沉降现象，仰拱有所隆起，但结构整体位移相对较小。其后，小净距段先行洞上台阶开挖早期，过渡段围岩整体出现较大变形，其中拱顶处的沉降尤为突出，沉降值达到了8.72 mm，相比中隔墙法施工末期而言，沉降变形量增加了近4倍。此后，随着施工方法转换完成，掌子面继续向前推进，过渡段的沉降变形逐渐趋于稳定。分析上述现象，工法转换过程中对围岩产生多次扰动，且环形开挖预留核心土法的一次性开挖跨径相对较大，故而导致围岩产生较大变形。实际施工过程中，应加强过渡段的施工监控量测，进而根据监测结果对隧道的支护参数进行动态调整，以确保施工安全性及结构可靠性。建议适当加强掌子面前方的超前预加固措施，并根据初支变形情况灵活调整工字钢的型号及纵向布置间距，必要时可考虑在拱脚部位增设大管径的锁脚锚杆，以控制围岩的不利变形。

进一步观察小净距段左右洞的沉降变形可以发现，随着后行洞的开挖，左、右隧洞相同部位监测点的沉降变形值逐步趋近，但最终仍存在着一定的数值差异，最大差异沉降量达6.47 mm。出现上述现象的原因在于小净距段先行洞侧所采用的环形开挖预留核心土法对后方连拱段的施工扰动影响较后行洞CD法的扰动影响大。实际施工过程中，可通过适当减小台阶法的开挖进尺，尽早施作初支支护等措施尽量减小环向开挖预留核心土法开挖对周边岩土体和结构的扰动，进而有效减轻左右洞间的差异沉降。

在分析连拱段结构变形规律的基础上，进一步对小净距段的结构变形特性进行分析，监测断面2洞内水平位移曲线，见图9。

图9 监测断面2洞内水平位移曲线

由图9可见，随着隧道左、右洞掌子面的开挖，隧道间的中夹岩柱受到施工扰动作用，进而出现一定程度的净空收敛扩容现象[8-10]，其中靠近连拱段一定范围内中夹岩柱的水平位移相对较小，此后其水平位移有较明显的增长趋势，但最终趋于稳定。分析上述现象产生原因，靠近连拱段的中夹岩柱受到曲中墙的强支护作用，受施工扰动的影响相对较轻。随着掌子面的推进，曲中墙的支护作用逐渐减弱，此时极小净距段中夹岩柱的厚度偏薄，其抵抗施工扰动的能力较弱，在隧道施工扰动的作用下，中夹岩柱产生应力重分布，进而在侧向临空面侧出现收敛变形现象。随着左、右洞线间距的逐渐增大，中夹岩柱抵抗施工扰动的能力增大，左、右洞相对位移值逐渐趋于稳定，中夹岩柱的位移极值达15.1 mm。当线间距增大至16 m后，中夹岩柱的净空收敛扩容现象基本消失。

小净距段施工后洞内沉降云图见图10。

图10 小净距段施工后洞内沉降云图(单位：m)

由图10可知，先、后行洞的沉降变形主要集中在中夹岩柱侧，其中先行洞拱顶右侧出现大面积的竖向沉降，结构最大位移量达8.9 mm。分析上述现象，小净距段中夹岩柱较薄，左、右洞施工对该区域岩体产生多次扰动，进而导致中夹岩柱在施工过程中发生应力重分布，并在左、右线隧洞的内侧拱顶处产生了偏压荷载。

进一步观察图10可以发现，先行洞右侧沉降变形呈先增大后减小的趋势。小净距初始段围岩沉降变形偏小的原因在于该段落有连拱曲中墙的强支护作用，其后随着中夹岩柱的增厚，两隧道间围岩的承载能力逐渐提升，拱部沉降量稳步下降。

3.2 过渡段支护结构力学特性分析

隧道连拱段施工过程中，曲中墙两侧出现较大的压应力集中区，但应力水平较低。随着小净距段先行洞的开挖，曲墙段拱顶和拱底部位逐渐出现大小不同的拉应力区，其中拱底处初期支护的拉应力水平较高，拉应力极值为1.24 MPa，接近初期支护喷射混凝土的设计抗拉强度。实际施工工程中应对上述现象予以重视，建议尽早施作仰拱及仰拱回填，确保结构安全。曲墙过渡段早期应力云图见图11。

图11 曲墙过渡段早期应力云图(单位：kPa)

进一步对小净距段衬砌结构的受力进行分析。绘制监测断面2先行洞衬砌结构应力图见图12。由图12可见，隧道先行洞开挖后，围岩发生应力重分布，衬砌结构的压应力陡增，其中在左、右拱脚和拱腰位置出现压应力集中现象。后行洞开挖对先行洞衬砌结构影响主要集中在靠近后行洞侧的区域，其中6号测点的衬砌应力水平增长相对明显。实际施工过程中，应重点关注对连拱段中夹岩柱的保护，尽量减少后行洞开挖对先行洞已施作衬砌的影响。

图12 监测断面2先行洞衬砌结构应力图

绘制监测断面2后行洞衬砌结构应力图见图13。

图13 监测断面2后行洞衬砌结构应力图

由图13可见，后行洞衬砌应力增长趋势呈台阶形，明显分为2个阶段。分析其原因，除CD法开挖初期对围岩产生了施工扰动外，后期侧导洞临时支护的拆除使得围岩的外部支承作用骤减，丧失部分约束作用的围岩不可避免会产生一定的松动荷载，进而在后行洞的拱顶和拱腰位置形成偏压作用，导致上述区域压应力发生突增变化，其压应力极值达12.86 MPa。实际施工过程中，应分段拆除临时支护，并尽早施工二次衬砌，以确保结构安全。

考虑到小净距段落中夹岩柱的结构强度远低于曲中墙，对中夹岩柱的分析显得更加重要。由于曲中墙支护结构的存在，在接近曲中墙位置的中夹岩柱的应力水平相对较小，而远离曲中墙位置的中夹岩柱表面的压应力则相对较大。此外，中夹岩柱的应力变化规律与掌子面位置有关，随着掌子面开挖的推进呈先增大后变小的趋势。总体而言，在先行洞开挖过程中，过渡段处中夹岩柱的压应力变化幅度相对较小，其数值稳定在6 MPa左右。随着后行洞的开挖，该区域的中夹岩柱受到二次扰动，应力水平急剧增大，数值达10 MPa左右。施工过程中，应根据实际情况采用注浆、增设锚杆等措施对该区域围岩进行加固处理。

4 结语

借助有限元软件分析分岔隧道分岔过渡段在施工过程中衬砌结构的位移与应力变化，通过对相关监测断面数据结果进行分析，主要结论如下。

1) 从连拱段中隔墙法施工过渡到小净距段先行洞环形开挖预留核心土法、后行洞CD法开挖的过程中，连拱段围岩及结构承受多次施工扰动，隧道截面拱顶、拱腰位移增大，其中拱顶位置沉降增大近4倍。此外，由于先、后行洞采用的开挖工法不同，曲墙段衬砌出现一定的差异沉降。考虑过渡段施工工序复杂，建议根据现场施工情况动态调整施工参数，并适当加强支护结构参数。

2) 随着先行洞的开挖，后方连拱段存在拱底隆起的风险，施工中应予以重视，建议尽早施作仰拱衬砌，使结构封闭成环。同时，为了尽量减小环形开挖对围岩及既有结构的影响，建议适当减小开挖步距，上台阶的长度不宜超过5 m，二次衬砌至掌子面的距离宜控制在50 m以内。

3) 紧邻连拱段的极小净距段落的中夹岩柱厚度较薄，承载能力偏弱，施工过程中易出现净空收敛扩容现象，且该区域围岩的压应力随先行洞、后行洞开挖增大趋势明显。施工过程中，应根据实际情况采用注浆、增设锚杆等措施对该区域围岩进行加固处理。

4) 小净距段左、右洞在施工过程中相互干扰较大，靠近中夹岩柱侧先行洞和后行洞的拱部均出现明显的沉降变形。建议严格控制先行洞、后行洞掌子面的错开间距，一般不得小于50 m。此外，后行洞CD法拆除临时支护时的施工扰动影响不容忽视，实际施工过程中应逐段拆除，并尽快施做主洞二次衬砌。