涌水大跨分岔式隧道施工方法數值模擬研究*

郭紅斌，孫衛濤，張子明

(中鐵七局集團西安鐵路工程有限公司，陜西 西安 710032)

0 引言

為適應城市發展需要，近年來，隧道及地下工程建設進入高速發展階段，各種新工藝、新技術、新方法在建設中大量涌現，給傳統的隧道建設帶來眾多挑戰，大跨分岔式隧道施工是迫切需系統研究的前沿課題之一。

分岔式隧道是隧道布置的一種特殊形式，平面呈“Y”形，是在隧道內設置分岔口，由大跨隧道、連拱隧道、小凈距隧道在短距離內逐漸過渡到正常分離式隧道。為了降低工程造價，在工程條件復雜的山區開發出一種全新隧道結構形式，即鐵路分岔式隧道。該隧道形式與以往的獨立雙向隧道相比，在滿足功能、節約投資等方面具有不可比擬的優勢。在傳統的隧道施工過程中，我國主要采用雙洞分離式隧道形式，但隨著鐵路交通事業的改造升級，在地質、地形條件復雜的山區，雙洞分離式結構形式往往局限性較大，此時分岔式隧道可作為替代方案。

目前，在國內外建成和使用分岔式隧道的案例并不多，為研究分岔式隧道施工力學行為及隧道開挖變形特征，本文基于基礎理論和數值模擬，對比分析不同施工組織情況下3種開挖方法施工階段隧道力學行為及相應的變形規律，擬為類似工程施工和設計提供參考。

1 工程概況

陽安二線直通線包灣村隧道位于陜西省安康市轄區漢江右岸大巴山低山區，海拔為410.000～960.000m，隧道地表起伏較大，地表坡度為30°～50°，洞身發育眾多沖溝，溝內土層主要為膨脹土和粉質黏土。隧道為1雙線3單線結構，本文研究段為XDK235+105—XDK235+260。其平面如圖1所示，該處喇叭口最小凈距為0.88m,雙線標準段開挖跨度為12.96m,經過多次加寬，分岔部分雙線斷面開挖跨度增大為17.46m。隧道地層為第四系全新統洪積膨脹土、坡積粉質黏土、細角礫土，上更新統沖積粉質黏土、膨脹土、粉土、粗圓礫土，中更新統沖積膨脹土；下伏基巖為志留系下統片巖，緊鄰南秦嶺活動帶，正處秦嶺峰腰構造南端，呈近東西向分布。

圖1 陽安二線直通線包灣村隧道平面示意

2 分岔式隧道施工理論分析

隧道開挖破壞了原有圍巖應力場的平衡，使圍巖應力重新分布；相鄰或鄰近隧道施工也會導致區域內圍巖應力重分布；而對于分岔式這種中心線不斷變化，支護結構受力狀態十分復雜的隧道，更要注意不同斷面、不同軸線方向和相同軸線、不同斷面隧道施工的影響。

為研究分岔式隧道的相互影響，通過選擇典型空間相對位置，將施工擾動看作是無限連續巖體中2座隧道受到無窮遠處的應力作用。針對陽安二線直通線包灣村隧道，利用數值模擬得到隧道周邊及中夾巖墻應力集中系數變化曲線，如圖2所示。

圖2 不同空間相對位置下隧道應力集中系數

由圖2可知，隨著2座條隧道之間距離的增加，隧道外側圍巖的應力集中系數減小。當兩隧道之間的距離D>4m時，兩座隧道周圍的應力值大致等于單座隧道的圍巖應力值，這就表明后修隧道對先修隧道在距離足夠遠的情況下不會產生顯著影響。

3 不同開挖方法分岔式隧道變形規律分析

3.1 三維模型建立

為了真實模擬分岔式隧道施工相互影響的過程，采用有限元軟件MIDAS/NX對其建立三維模型，以分析施工過程中的相互影響和支護結構的變形規律，并做出如下假設。

1)假設材料為均質、連續、各向同性的彈塑性體。

2)使用Mohr-Coulomb屈服準則，支護結構均采用線彈性本構關系。

3)以斷面XDK235+220處喇叭口為典型代表，三維模型如圖3所示。

圖3 隧道喇叭口模型

以陽安二線直通線包灣村實測勘察數據資料為依據，根據規范和實際工程經驗，在確保不影響模擬效果的情況下，對模擬材料參數進行適當簡化，具體計算參數如表1所示。

表1 材料特性參數

由于在施工過程中不考慮二次襯砌影響，因此在模擬過程中也不考慮二次襯砌影響，依等效剛度法將型鋼拱架在初期支護結構中維護圍巖穩定性的作用等效到噴射混凝土單元中，以保證模擬過程的精度和準確性，其等效計算依據如下:

(1)

式中:E1為折算后初期支護體系的彈性模量；Ec為噴射混凝土材料的彈性模量；As為型鋼拱架截面面積；Es為型鋼拱架的彈性模量，其值為210GPa;Ac為初期支護結構的截面面積。

3.2 三維隧道開挖模擬

以斷面XDK235+220為例，擬定施工開挖方法為全斷面開挖法、二臺階開挖法、三臺階開挖法。在施工階段對3種開挖方法分別進行了數值模擬，分析其相應的變形規律，并與實際施工過程的監測數據和變形特征作對比研究。

3.2.1洞室周邊圍巖變形分析

隧道在3種開挖方法下，全部開挖支護完成后，斷面XDK235+220圍巖豎向變形情況如圖4所示。

圖4 斷面XDK235+220圍巖豎向位移云圖

1)本喇叭口隧道屬深埋隧道，圍巖形成自然拱，圍巖變形量及其影響在一定控制范圍內。

2)采用全斷面開挖法，圍巖最大沉降變形出現在拱頂位置，為1.04mm，最大隆起出現在仰拱中間位置，為1.13mm；采用二臺階開挖法，最大沉降變形出現在拱頂位置，為1.03mm，最大隆起出現在仰拱中間位置，為1.11mm; 采用三臺階開挖法，圍巖最大沉降變形出現在拱頂位置，為1.02mm，最大隆起出現在仰拱中間位置，為1.11mm。

3)根據上述關鍵指標極值比較得出，對于斷面XDK235+220，三臺階開挖法對圍巖總變形的影響較小。

3.2.2支護結構位移影響

對典型斷面XDK235+220支護結構變形過程進行橫縱向對比分析。3種開挖方法下，斷面XDK235+220支護結構位移隨開挖過程變化情況如圖5所示。

圖5 斷面XDK235+220支護結構位移隨開挖步序變化

1)3種開挖方法對斷面XDK235+220拱頂沉降影響較大，全斷面開挖和二臺階開挖的拱頂沉降早于三臺階開挖法發生，且全斷面開挖和二臺階開挖的最終累計拱頂沉降值大于三臺階開挖的最終累計拱頂沉降值；可以看出，全斷面開挖和二臺階開挖的沉降速率較三臺階開挖法的沉降速率大，不利于隧道支護和施工安全。

2)對于凈空收斂指標，不同開挖方法下，全斷面開挖和二臺階開挖的凈空收斂位移早于三臺階開挖發生，且全斷面開挖和二臺階開挖的最終累積收斂值大于三臺階開挖的最終累積收斂值；可以看出，全斷面開挖和二臺階開挖的收斂速率較三臺階開挖的收斂速率大，不利于結構的安全性和耐久性。

3)從支護結構變形控制角度，三臺階開挖更加適合本區間隧道施工。

3.2.3襯砌受力分析

根據襯砌結構的最大主應力，分析在不同開挖方法下隧道結構的穩定性。隧道開挖完成后，典型斷面XDK235 +220支護結構的最大主應力分布如圖6所示。

圖6 斷面XDK235+220支護結構最大主應力云圖

1)該襯砌結構最大主應力大部分為正，呈現為拉應力，原因是洞室受到多次開挖擾動，穩定性變差，且最大值出現最多的地方在拱頂和仰拱位置。

2)3種開挖方法下，隧道最大主應力數值相差不大。

3)全斷面開挖最大主應力在拱腳位置出現負值，且在仰拱處出現一定程度的拉應力集中現象；二臺階開挖和三臺階開挖最大主應力在整個支護結構上均為正值，且無應力集中現象，但二臺階開挖在整個支護結構上的最大主應力值比三臺階開挖在整個支護結構上的最大主應力值大25%左右。

4)根據上述關鍵指標極值比較得出:對于斷面XDK235+220，采用三臺階開挖法明顯優于二臺階開挖法和全斷面開挖法。

3.3 不同開挖方法下分岔式隧道受力及變形規律

通過對3種開挖方法下斷面XDK235+220支護結構位移、受力及圍巖變形情況的對比分析，得出如下規律。

1)本喇叭口隧道屬于深埋隧道，圍巖形成自然拱，圍巖變形量及其影響在一定控制范圍內。

2)根據周邊圍巖總位移極值比較得出，對于典型斷面，三臺階開挖法對圍巖總變形的影響較小。

3)從支護結構變形控制角度分析，右線的變形控制指標比左線的變形控制指標小，說明后修建隧道施工也對相鄰隧道已支護結構產生影響。

4)從支護結構受力和變形控制及支護結構安全角度考慮，斷面XDK235+220處喇叭口工程采用三臺階開挖法施工最佳。

4 工程施工重難點

1)反向擴挖法 在斷面K235+220處喇叭口，首先通過超短臺階法施工單線隧道，接著從斷面K235+220處按10%的上坡開始向大跨段挑頂施工，最終在斷面K235+190處擴挖至設計斷面。從斷面K235+190處開始進行反向擴挖，將挑頂段反向擴挖至大跨設計斷面，由單線隧洞中線逐漸過渡到大跨隧洞中線。采取反向擴挖法可避免由于小凈距隧道兩側同時施工主洞相互影響而引起的圍巖較大變形，保證了圍巖在施工過程中的穩定性。

2)分岔式隧道富水段施工 隧道圍巖富水是該工程施工的難點，導致分岔式隧道施工洞室的轉換更加復雜，且對分岔式隧道的支護體系提出更高要求，隧道內外的防排水措施及施工過程中的降水措施，確保了隧道施工過程中的安全性和隧道結構的穩定性。

3)控制爆破 由于分岔式隧道左、右洞間距較小，控制爆破是該工程施工的重中之重，針對該特點，施工中對小凈距段和連拱段采取左、右洞交錯爆破，并在過程中保持一定距離，這樣既能保證爆破效果，又能減弱爆破時帶來的振動影響。

4)分岔式隧道聯合通風 由于分岔式隧道結構特殊，隧道通風是該工程的又一施工重點。本工程分岔式隧道通風采用左右洞、斜井和橫通道各洞室通風相結合，通過通風需求量和風壓的計算及對有害氣體濃度進行詳細理論分析，綜合比對，可確定適當的通風方法，這樣既能最大限度地保證通風效果，又能減少不必要的通風設備，以免造成浪費。

5 結語

1)后建隧道施工導致先建隧道周邊圍巖應力重分布，左線隧道外側圍巖應力集中系數與右線隧道外側圍巖應力集中系數相比略大，且隨著兩隧道間距的增加，左、右線圍巖應力集中系數減小。

2)3種開挖方法對斷面XDK235+220拱頂沉降影響較大，全斷面開挖和二臺階開挖的拱頂沉降早于三臺階開挖發生，沉降速率較三臺階開挖的沉降速率大；全斷面開挖和二臺階開挖的凈空收斂位移早于三臺階開挖發生，收斂速率較三臺階開挖的收斂速率大。根據周邊圍巖總位移極值比較得出，對于典型斷面，三臺階開挖法對圍巖總變形影響較小, 從支護結構受力和變形控制及支護結構安全角度考慮，斷面XDK235+220處喇叭口工程采用三臺階開挖法施工最佳。

3)反向擴挖法可避免由于小凈距隧道兩側同時施工主洞相互影響而引起的圍巖較大變形；采用左右洞、斜井和橫通道各洞室聯合通風，有效解決了分岔式隧道的通風問題，可為類似工程提供參考。