高速鐵路隧道分修過渡結構的施工力學特性研究

梁志輝 ，楊新安 ，江星宏

（1.同濟大學交通運輸工程學院，上海201804；2.同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，上海 201804；3.招商局重慶交通科研設計院有限公司，重慶 400067）

高速鐵路隧道分修過渡結構的施工力學特性研究

梁志輝1，2，楊新安1，2，江星宏3

（1.同濟大學交通運輸工程學院，上海201804；2.同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，上海 201804；3.招商局重慶交通科研設計院有限公司，重慶 400067）

高速鐵路隧道的分修過渡結構是合分修隧道中連接大跨隧道和小間距隧道的過渡段，該區段的橫向與縱向結構變化大，是隧道施工的重點和難點。以壁板坡隧道工程為背景，分析了大跨段A斷面的力學特征；通過數值建模分析小間距段巖柱變形以及圍巖應力，認為分修過渡結構的最優施工順序為“大跨段左側開挖→左線開挖→大跨段右側開挖→右線開挖”的開挖順序?，F場監測大跨段A斷面拱頂、邊墻的實測值與計算值基本一致，驗證了數值模型的正確性。

高速鐵路隧道；分修過渡結構；力學特性；大斷面隧道

從運營安全的角度考慮，《高速鐵路隧道設計規范》[1]中規定：“長度大于10 km的隧道宜采用兩個單線隧道”。但是，由于地形、地質和與其它線路結構的銜接等方面的原因，在有的情況下，高速鐵路隧道設計為“進、出口的一端為單洞雙線，在洞內進行分岔變為兩條單線隧道”，鐵路行業中將這種隧道設計稱為“合分修”隧道，滬昆鐵路壁板坡隧道是典型例子[2]，而公路行業將這種隧道設計稱為“分岔隧道”、“燕尾式隧道”等。

合分修隧道從單洞向雙洞的過渡就是大跨隧道向小間距隧道的過渡，而“分修過渡結構”特指連接大跨隧道和小間距隧道的過渡段，該區段的橫向與縱向結構變化大，大跨隧道屬超大斷面隧道，因此這一復雜、異型結構的施工是合分修隧道施工的重點和難點。

目前對這一復雜、異形結構施工力學的研究還很少，國內外可借鑒的經驗不多，只有少量的公路分岔式隧道、燕尾式隧道的施工經驗，以及現有的大跨隧道、小間距隧道的力學特性分析成果。程棟[3]通過數值方法對比分析了合分修大跨漸變段不同工法開挖洞周變形分布與支護受力狀態，得出施工風險關鍵步與施工控制措施。丁浩、荊永軍[4-5]介紹了長沙營盤路湘江隧道工程概況和施工關鍵技術，并通過數值方法分析了不同合分修大跨斷面設計的力學效應，得出合理合分修結構形式與開挖工法；賈存興[6]以滬蓉高速漆樹槽分岔隧道為例，結合實測數據，分析得出了隧道縱向變形特點、施工動態響應特點、開挖面空間效應特點；李勇[7]以八字嶺隧道合分修段為工程背景，利用相似材料的選擇和組合原則，研制了一種可用于地質模型實驗的鐵晶砂膠結料，并制作了隧道開挖支護模型，研究了合分修隧道施工過程的穩定性。王漢鵬[8]重點分析了超載實驗過程中不同側壓系數下圍巖的變形、應力分布和破壞情況，得出了合分修隧道最易破壞區域為拱頂和兩幫，支護結構超載安全度為3.5。

綜上所述，許多學者采用數值模擬、監控量測和模型實驗三種方法，對合分修結構形式隧道的開挖工法選擇、支護受力狀態進行了研究。但是對分修過渡結構施工的總體方案、開挖力學特性等施工力學問題研究不多。因此，本文通過理論分析、數值模擬和工程實踐相結合的方法對分修過渡結構的施工力學特性進行研究，為認識分修過渡結構的力學特點及其施工提供依據和借鑒。

1 工程概況與特點

1.1 工程概況

壁板坡特長隧道是滬昆鐵路全線的控制性工程，屬于I級高風險隧道，全長14 756 m，曾經是國內高鐵第一長隧。采用“進口合俢、出口分修”的設計方案[9]，合分修段如圖1所示，從A斷面大跨隧道過渡到小間距隧道這一區段稱為分修過渡結構，大跨段A斷面跨度為24.84 m，高度為16.03 m，縱向長度為40 m，埋深480 m，高跨比約為0.6；小間距隧道段為雙線標準隧道斷面，巖柱厚度1.8～4 m。該區段地層屬二疊系下統茅口組(P1m)厚層灰巖與二疊系下統棲霞組(P1q)中厚層灰巖過渡區域，巖性為弱風化，節理裂隙發育程度低，但局部有風化帶，溝通含水層；大跨漸變段圍巖等級為Ⅲ級，小間距段圍巖等級為Ⅳ級。

圖1 壁板坡隧道合分修示意圖（單位：m）Fig.1 Diagram of composite repair section in Wainscot Slope Tunnel（unit:m）

1.2 分修過渡結構特點

壁板坡特長隧道分修過渡結構（圖2）包含大跨隧道與小間距隧道，大跨段與小間距段直接相連，因而過渡簡單，同時兼具大跨隧道和小間距隧道的特點。分修過渡結構的大跨段由于跨度大、高度大的原因，易產生松弛荷載，加大了初期支護承擔荷載的能力，因而初期支護應當加強；小間距段主要由中間巖柱和初期支護共同承擔荷載，但是中間巖柱厚度小，強度要求高，施工中需輔以爆破控制、注漿加固、預應力錨桿等技術措施，施工工序繁瑣，工期長。

另外，分修過渡結構從施工順序方面考慮，不同的施工順序具有不同的施工力學特性，并且該異形結構在實際開挖過程中，一般不會按照大跨段先開挖完成后再開挖小間距段的順序，而是先開挖大跨的一部分接著開挖小間距段的左線或右線，最后迂回開挖大跨的剩余部分，從而貫通分修過渡結構。因而在整個施工過程中，施工困難，工序轉化繁瑣，圍巖穩定較困難，中間巖柱受到多次擾動，結構變形控制難度較大。

圖2 合分修隧道分修過渡結構圖Fig.2 Transition structure of separated repair in the high-speed railway branched tunnel

2 分修過渡結構大跨斷面理論分析

高速鐵路合分修隧道的分修過渡結構的大跨隧道斷面一般為扁平橢圓形，Dhar、Geldart和Udd推導出在雙向受壓狀態下的應力分布公式，計算表達式如下[10-11]

式中：σθ為橢圓孔表面的切向應力；m為橢圓洞室高跨比；p0為原巖豎向應力；λ為側壓系數；θ為計算點與圓心連線與Y軸正半軸夾角，順時針方向為正。

在不同高跨比取值下，由式（1）可得，橢圓洞室表面應力集中系數如圖3所示，可見在側壓力系數為0.5的條件下，高跨比為1時，邊墻切應力集中系數約為3，拱頂一側拉應力存在角度范圍約為30°；高跨比為0.8時，邊墻應力集中系數約為3.5，拱頂一側拉應力存在角度范圍約為35°；高跨比為0.6時，邊墻切應力集中系數約為4.4，拱頂一側拉應力存在角度范圍約為40°。橢圓洞室最大切向壓應力集中出現在邊墻部位，隨著高跨比的減小，切應力集中系數增加；橢圓洞室最大切向拉應力集中出現在拱頂，隨著側壓系數的減小，拱頂拉應力區從無到有，由小變大，相同側壓系數下，拱頂最大拉應力相當，但拉應力范圍隨著高跨比的增大而增加。因此，對于壁板坡分修過渡結構大跨隧道A斷面高跨比為0.6左右而言，邊墻切應力集中系數大，拱頂受拉區范圍大，加之隧道開挖擾動區大，應力及松動區范圍大，因而在施工工程中，應當加強拱頂支護，重點監測拱頂、邊墻位置，嚴格控制圍巖收斂變形，減小圍巖塑性破壞范圍，保證施工安全。

圖3 橢圓形洞室邊界切向應力集中系數Fig.3 Tangential stress concentration factor of elliptical tunnel boundary

3 分修過渡結構施工力學特性研究

3.1 模型建立

高速鐵路隧道分修過渡結構數值模型的有限差分網格如圖4所示，模型縱向長度為80 m，其中大跨段40 m，小間距段40 m，巖柱厚度1.8～4 m。圍巖材料的本構模型采用摩爾庫倫準則，參考《鐵路隧道設計規范》[12]選取參數；支護結構材料本構模型采用彈性準則，初支shell單元；錨桿采用“粘聚力等效”考慮。

圖4 合分修隧道分修過渡模型圖Fig.4 Transition structure model of separated repair in the high-speed railway branched tunnel

3.2 不同施工順序的施工力學效應

高速鐵路隧道分修開挖時，開挖順序不僅影響分修過渡段的貫通速度，還會造成圍巖應力、變形分布差異。分修過渡的過程中，常見開挖順序如圖5所示。順序一為：大跨段左側開挖→左線開挖→右線開挖→大跨段右側開挖；順序二為：大跨段左側開挖→左線開挖→大跨段右側開挖→右線開挖；順序三為：大跨段左側開挖→大跨段右側開挖→左線開挖→右線開挖。

3.2.1 巖柱變形特性

分修過渡過渡結構的巖柱厚度小，其變形與穩定控制較難。不同施工順序開挖完成后巖柱變形分布如圖6所示。當開挖完成后，巖柱頂部位移較大，中部位移較小，右線左側巖柱位移大于左線右側巖柱水平位移在邊墻部較大，拱腰部較小，左線側邊墻受右線隧道開挖影響，水平位移較大；順序三的巖柱變形最大，其次為順序一的巖柱變形，最小的巖柱變形為順序二，說明“大跨段左側開挖→左線開挖→大跨段右側開挖→右線開挖”的順序有利于巖柱變形控制，有利于合分修段一側快速貫通，具有較好的力學特性，宜作為合分修隧道分修過渡施工順序。

圖5 分修過渡結構施工順序示意圖Fig.5 Sketch map of construction sequence of the transition structure model of separated repair

圖6 合分修隧道分修小間距段巖柱位移分布Fig.6 The displacement distribution diagram of rock pillar in the small spacing section of separated repair in the highspeed railway branched tunnel

3．2．2 圍巖應力特性

由圖7可知，不同施工順序完成開挖后，大跨段A斷面最大拉應力分布范圍基本一致，拉應力區域主要分布在隧道仰拱和拱頂位置，最大拉應力出現在仰拱底部，拱頂拉應力區范圍小于仰拱拉應力區范圍。

圖7 合分修隧道分修大跨段A斷面最大拉應力分布Fig.7 The maximum tensile stress distribution diagram in the large span tunnel section A of separated repair in the highspeed railway branched tunnel

對比分析圖7的3個子圖可知，順序一A斷面最大拉應力最大，順序二與順序三最大拉應力相近，但是順序三的拉應力范圍大于順序二；另外，順序一施工時應注意及時施作上臺階支護，控制拱頂拉應力范圍，順序三在施工過程中可能會出現掉塊、剝離等現象，拱頂需要加強支護，順序二在施工過程中按照設計進行支護即可，無需再次加固的輔助措施。施工順序二具有較好的力學特性，有利于分修過渡結構的施工和控制圍巖的變形，有助于提前完成施工進度，加快隧道的貫通，適宜作為分修過渡結構的施工開挖順序。

3.3 施工監測與結果分析

根據計算與分析結果，壁板坡隧道分修過渡結構中采取“大跨段左側開挖→左線開挖→大跨段右側開挖→右線開挖”施工順序開挖，因而大跨段是整個分修過渡結構開挖的首要部位，開挖過程需要重點監測。選取A斷面，進行監測分析實測初期支護中混凝土的軸向應變與模型計算中的初期支護的軸向應變的數值，驗證上述數值模擬的真實性。

初期支護軸向應力實測與計算值對比如圖8所示。由圖8（a）可知，A斷面拱部監測點中拱頂與右拱頂處的初期支護的軸向應力實測值和計算值在數值以及變化趨勢上吻合程度較高，拱頂與右拱肩處計算值大于實測值，但變化規律相同，即在右側臺階施工過程中應變迅速增長，仰拱施工對其影響較小。拱頂與右拱肩處的實測值偏小，此處靠近型鋼鋼架連接點處，后續臺階的施工將擾動其附近的初期支護，可能導致該處初期支護的受力偏小。

由圖8（b）可知，A斷面邊墻監測點初期支護的實測與計算軸向應力值的變化吻合程度低，變化規律存在差異：實測中，邊墻處監測點處初期支護軸向應變在仰拱施工過程及之后的30 d時間內迅速變化，而計算中，邊墻處監測點在右側下臺階施工、仰拱施工過程中迅速變化后達到穩定。其原因可能是：實測中，邊墻處初支主要由邊墻下方的仰拱承擔，仰拱施工后初期支護支承點處的鎖腳錨桿數量不足、墊塊不及時等原因導致邊墻處初期支護出現松動，隨著仰拱施工進行，邊墻處初期支護受力逐漸穩定并增長；模型計算中，難以考慮由實際工程引起的邊墻處初期支護的松動，因此出現仰拱施工過程中邊墻處初期支護受力狀態迅速穩定的情況。

分析圖8數值對比結果可知：初期支護軸向應變的實測值與計算值相差不大，均在-5×10-4～0范圍內，數值計算結果與實際施工狀態相當，從而驗證數值模型及其計算結果的準確性。

圖8 A斷面初期支護軸向應力實測與計算值對比圖Fig.8 Comparison of measured and calculated values of axial stress for preliminary bracing of A section

4 結語

滬昆客專線壁板坡隧道的分修過渡結構由A段面大跨隧道過渡到兩條標準雙線隧道，依據分修過渡結構的特點，通過理論分析、數值模擬、現場驗證的方法，得到以下結論：

1）分修過渡結構具有斷面突變，過渡簡單，兼具大跨隧道和小間距隧道的特點；大跨隧道跨度大，拱頂易產生松弛荷載；小間距段主要由中間巖柱和初期支護共同承擔荷載，中間巖柱厚度小，施工干擾大，不同施工順序會對其產生不同的力學效應。

2）分修過渡結構超大斷面隧道的邊墻切應力集中系數大，拱頂受拉區范圍大，加之隧道開挖擾動區大，應力及松動區范圍大。施工中應加強拱頂支護，重點監測拱頂、邊墻位置，嚴格控制圍巖收斂變形，減小圍巖塑性破壞范圍。

3）分修過渡結構采用“大跨段左側開挖→左線開挖→大跨段右側開挖→右線開挖”的開挖順序，有利于巖柱位移的控制和大跨段圍巖應力穩定，能夠加快分修過渡段的貫通速度，是分修過渡段施工的最優開挖順序，這一結論得到數值模擬和現場實測結果的驗證。

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Study on Construction Mechanical Characteristics of Transition Structure of Separated Repair in High Speed Railway Tunnel

Liang Zhihui1，2，Yang Xin’an1，2，Jiang Xinghong3
（1.College of Transportation Engineering,Tongji University,Shanghai 201804,China；2.Key Laboratory of Road and Traffic Engineering of the Ministry of Education,Tongji University,Shanghai 201804,China；3 China Merchants Chongqing Communications Technology Research&Design Institute Co.,Ltd.,Chongqing 400067,China）

In the transition structure of separated repair,namely the transition section connecting the large span tunnel and the small spacing tunnel in high-speed railway tunnels,both transverse and longitudinal structure vary greatly,which forms the key and difficult point in tunnel construction.Based on the engineering background of Wainscot Slope Tunnel,this paper analyzed the mechanical characteristics of the large span section A.The numerical modeling analysis of the surrounding rock deformation and the surrounding rock stress in the small spacing section shows that the optimal construction sequence of the separated repair transition structure is“the left side of the large span,the left line excavation,the right side excavation of the large span and the excavation of the right line”.The measured values of the arch and side wall of the large span section A are basically consistent with the calculated values,and the correctness of the numerical model is verified.

high-speed railway tunnel； transition structure of separated repair； mechanical characteristics；large-span tunnel

（責任編輯 王建華）

U459.1

A

1005-0523（2017）06-0026-07

2017－07－16

梁志輝（1993—），男，碩士研究生，主要研究方向為隧道工程，城市地下工程。

楊新安（1964—），男，教授，博士生導師，主要研究方向為隧道工程，城市地下工程。