分岔隧道過渡段施工結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

劉曉勇 胡 強(qiáng)

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司 貴陽 550081)

受地形地質(zhì)及接線橋梁結(jié)構(gòu)形式的限制，分岔隧道在山區(qū)高速公路的橋梁接隧道段的應(yīng)用日趨增多。作為一種相對(duì)新穎的隧道建造形式，分岔隧道在設(shè)計(jì)和施工方面所積累的經(jīng)驗(yàn)相對(duì)缺乏，針對(duì)性的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)規(guī)范內(nèi)容較少，尚未形成完善、成熟的技術(shù)體系。針對(duì)上述情況，國內(nèi)外專家學(xué)者展開了相關(guān)的研究工作。蔚立元等[1]通過建立三維地質(zhì)模型，分析了隧道洞身周圍巖體應(yīng)力特點(diǎn)和沉降規(guī)律，推算出分岔隧道設(shè)計(jì)的極限安全承載度；孫秋紅[2]運(yùn)用ABAQUS軟件分析羅依溪隧道過渡段形變變化規(guī)律，驗(yàn)證了新奧法和多部開挖法相結(jié)合的施工合理性；吳波等[3]通過有限元分析軟件對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件下的地鐵分岔隧道進(jìn)行了三維仿真模擬，總結(jié)出了地質(zhì)條件較差段落的隧道施工方案的合理性；張強(qiáng)勇等[4]通過組合式地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)，進(jìn)行空間地質(zhì)力學(xué)研究，總結(jié)分岔隧道的圍巖應(yīng)力場(chǎng)的變化趨勢(shì)和巖體錨固作用效應(yīng)；王漢鵬等[5]建立發(fā)三維有限元模型，動(dòng)態(tài)模擬和分析偏壓荷載作用下分岔隧道施工過程中的圍巖損傷和屈服區(qū)，提出了開挖左洞超前右洞的施工方案；劉家澍等[6]運(yùn)用FLAC3D有限元軟件對(duì)施工階段的分岔隧道連拱段進(jìn)行差分?jǐn)?shù)值分析，進(jìn)一步研究探討了隧道連拱段的圍巖力學(xué)狀態(tài)。

可以看出，針對(duì)分岔隧道的研究已經(jīng)取得了一定進(jìn)展，但大部分停留在理論分析和施工方案比選層次，對(duì)分岔隧道施工過程中支護(hù)結(jié)構(gòu)受力的研究相對(duì)匱乏。針對(duì)上述情況，本文以西南地區(qū)某山嶺隧道為工程依托，通過有限元軟件動(dòng)態(tài)模擬分岔隧道由連拱段向小凈距段過渡的施工過程，進(jìn)而分析過渡段的圍巖形變規(guī)律和支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性，并提出相對(duì)應(yīng)的施工處治建議，旨在為類似工程提供參考。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)條件

該隧道位于西南巖溶發(fā)育地區(qū)，為一座分岔式長隧道，隧道左幅起訖樁號(hào)為ZK36+693-ZK37+989，全長1 296 m；隧道右幅起訖樁號(hào)為YK36+693-YK37+990，全長1 297 m。隧道進(jìn)口端與一懸索橋相接，左右洞線間距僅1.78 m。結(jié)合洞口地形與道路線形條件，采用端墻式洞門，隧道進(jìn)口端墻式洞門結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 隧道進(jìn)口端洞門結(jié)構(gòu)圖(單位：cm)

為了盡量減小左、右洞的相互干擾，設(shè)計(jì)上采用154 m的整體式直中墻漸變段、58 m的復(fù)合式曲中墻漸變段、133 m的極小凈距段及75 m的小凈距段，將線間距由洞口段的1.78 m逐漸增大至16 m，分叉隧道線間距過渡示意圖見圖2。

圖2 分叉隧道線間距過渡示意圖

隧道場(chǎng)區(qū)位于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)黔北臺(tái)隆復(fù)雜構(gòu)造變形區(qū)，巖層單斜，產(chǎn)狀穩(wěn)定。隧道上覆第四系坡殘積層黏土、塊石土等，下伏基巖為寒武系下統(tǒng)清虛洞組(∈1q)白云質(zhì)灰?guī)r、寒武系中統(tǒng)高臺(tái)組(∈2g)白云巖、泥質(zhì)白云巖等，其中隧道進(jìn)口端圍巖主要為強(qiáng)、中風(fēng)化白云質(zhì)灰?guī)r、泥質(zhì)白云巖，巖質(zhì)軟硬相間，Rc=40 MPa。巖體破碎，結(jié)構(gòu)面極發(fā)育、結(jié)合差，呈碎裂狀結(jié)構(gòu)，Kv=0.35。隧道開挖可能產(chǎn)生淋雨?duì)睢⒂苛鳡畛鏊５叵滤绊懶拚禂?shù)K1=0.60、[BQ]=237.5，圍巖級(jí)別為V級(jí)。場(chǎng)區(qū)地下水為第四系松散裂隙水、基巖中風(fēng)化裂隙水、巖溶裂隙水，其中巖溶裂隙水賦存于白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r溶蝕裂隙中，水量較大且分布極不均勻。隧道洞口段地質(zhì)縱斷面圖見圖3。

圖3 隧道洞口段地質(zhì)縱斷面圖

此外，隧道進(jìn)口段上方設(shè)置有懸索橋的隧道錨結(jié)構(gòu)，其與隧道結(jié)構(gòu)最小間距為15 m。實(shí)際施工過程中，由于施工組織安排等多方面因素，隧道錨先于隧道結(jié)構(gòu)施工完成。本次計(jì)算重點(diǎn)分析隧道施工期間的結(jié)構(gòu)受力，故將隧道錨作為一個(gè)隧道上覆結(jié)構(gòu)荷載簡化考慮。

1.2 分岔段隧道施工步驟

分岔段隧道施工可大體分為連拱段施工、小凈距段施工及正常段施工，其中直墻及曲墻連拱段采用中隔墻法施工，小凈距段先行洞采用環(huán)形開挖預(yù)留核心土法施工，后行洞采用CD法進(jìn)行開挖。

復(fù)合式曲中墻段隧道施工步驟為：①中導(dǎo)洞開挖，施作臨時(shí)支護(hù)及中隔墻→②左洞側(cè)導(dǎo)洞開挖，施作臨時(shí)支護(hù)及初期支護(hù)→③左洞上臺(tái)階開挖，施作初期支護(hù)→④左洞中臺(tái)階開挖，施作初期支護(hù)→⑤左洞下臺(tái)階開挖，施作初期支護(hù)，施作左洞仰拱、仰拱回填、邊墻及拱部二次襯砌→⑥右洞側(cè)導(dǎo)洞開挖，施作臨時(shí)支護(hù)→⑦右洞上臺(tái)階開挖，施作初期支護(hù)→⑧右洞中臺(tái)階開挖，施作初期支護(hù)→⑨右洞下臺(tái)階開挖，施作初期支護(hù)→⑩待沉降穩(wěn)定后拆除臨時(shí)支護(hù)，施作右洞仰拱、仰拱回填、邊墻及拱部二次襯砌。

極小凈距及小凈距段隧道先行洞施工步驟為：①上部弧形導(dǎo)坑開挖，施作拱部初期支護(hù)→②上部核心土開挖→③中臺(tái)階左右側(cè)錯(cuò)槽開挖，分別施作中臺(tái)階左右側(cè)邊墻初期支護(hù)→④下臺(tái)階左右側(cè)錯(cuò)槽開挖，分別施作下臺(tái)階左右側(cè)邊墻初期支護(hù)→⑤沉降穩(wěn)定后施作二次襯砌。后行洞的施工步驟為：①左側(cè)導(dǎo)洞開挖，施作側(cè)導(dǎo)洞臨時(shí)支護(hù)→②上臺(tái)階開挖，施作拱部初期支護(hù)→③中臺(tái)階開挖，施作初期支護(hù)→④下臺(tái)階開挖，施作邊墻、拱底初期支護(hù)→⑤待沉降穩(wěn)定后拆除臨時(shí)支護(hù)，施作二次襯砌。分岔區(qū)前后斷面支護(hù)結(jié)構(gòu)與施工步驟圖見圖4。

圖4 分岔區(qū)前后斷面支護(hù)結(jié)構(gòu)與施工步驟

2 有限元模型建立

有限元模型地層結(jié)構(gòu)整體分為3個(gè)部分：地表塊石土、強(qiáng)風(fēng)化白云質(zhì)灰?guī)r及中風(fēng)化白云質(zhì)灰?guī)r。采用摩爾-庫侖本構(gòu)模型，應(yīng)變關(guān)系滿足摩爾-庫侖屈服準(zhǔn)則。分岔隧道的支護(hù)結(jié)構(gòu)，如初期支護(hù)、二次襯砌、錨桿、注漿導(dǎo)管、中隔墻和隧道錨均采用彈性本構(gòu)模型。

2.1 材料參數(shù)

通過現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘測(cè)得到各類巖土體的力學(xué)參數(shù)，相關(guān)支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)由相關(guān)規(guī)范[7]取得，主要材料參數(shù)見表1。

表1 巖體及結(jié)構(gòu)材料參數(shù)表

2.2 建立模型

根據(jù)施工勘探資料和實(shí)際工況建立三維有限元模型。由于山體坡面起伏較小，將坡面近似看作平順曲面。連拱段和小凈距段平均埋深約20 m，中隔墻法施工斷面形狀為雙連拱，斷面跨徑約14 m。隧道錨位于上覆基巖的傾斜面，距離隧道襯砌結(jié)構(gòu)頂約15 m，其垂直于巖面向下，錨體長約10 m，三維有限元模型結(jié)構(gòu)圖見圖5。

圖5 三維有限元模型結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)設(shè)計(jì)資料配置模型計(jì)算參數(shù)，并設(shè)計(jì)施工階段，其中小凈距段先行洞與后行洞的開挖間距控制為50 m，臺(tái)階長度為5 m，有限元分析總位移云圖見圖6。

圖6 有限元分析總位移云圖(單位：m)

3 數(shù)值模擬結(jié)果研究分析

為分析隧道分岔過渡段結(jié)構(gòu)的可靠性，選取曲墻連拱段和小凈距段隧道拱部和底部的特征點(diǎn)作為研究對(duì)象，以特征點(diǎn)的位移、應(yīng)力變化規(guī)律分析隧道斷面襯砌結(jié)構(gòu)的安全性。考慮后期提取結(jié)果的靈活性，將監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置在初期支護(hù)和二次襯砌的交界面上，其中監(jiān)測(cè)斷面1位于隧道分岔點(diǎn)偏曲墻段15 m位置處，監(jiān)測(cè)斷面2位于隧道分岔點(diǎn)偏小近距段30 m位置處，隧道過渡段監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖見圖7。

圖7 隧道過渡段監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖

3.1 隧道過渡段支護(hù)結(jié)構(gòu)變形分析

過渡段各特征點(diǎn)在施工循環(huán)推進(jìn)下的豎向位移變化規(guī)律曲線見圖8。

圖8 監(jiān)測(cè)斷面1洞內(nèi)豎向位移曲線

由圖8可見，采用中隔墻法進(jìn)行連拱段的開挖過程中，隧道拱頂出現(xiàn)沉降現(xiàn)象，仰拱有所隆起，但結(jié)構(gòu)整體位移相對(duì)較小。其后，小凈距段先行洞上臺(tái)階開挖早期，過渡段圍巖整體出現(xiàn)較大變形，其中拱頂處的沉降尤為突出，沉降值達(dá)到了8.72 mm，相比中隔墻法施工末期而言，沉降變形量增加了近4倍。此后，隨著施工方法轉(zhuǎn)換完成，掌子面繼續(xù)向前推進(jìn)，過渡段的沉降變形逐漸趨于穩(wěn)定。分析上述現(xiàn)象，工法轉(zhuǎn)換過程中對(duì)圍巖產(chǎn)生多次擾動(dòng)，且環(huán)形開挖預(yù)留核心土法的一次性開挖跨徑相對(duì)較大，故而導(dǎo)致圍巖產(chǎn)生較大變形。實(shí)際施工過程中，應(yīng)加強(qiáng)過渡段的施工監(jiān)控量測(cè)，進(jìn)而根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)隧道的支護(hù)參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，以確保施工安全性及結(jié)構(gòu)可靠性。建議適當(dāng)加強(qiáng)掌子面前方的超前預(yù)加固措施，并根據(jù)初支變形情況靈活調(diào)整工字鋼的型號(hào)及縱向布置間距，必要時(shí)可考慮在拱腳部位增設(shè)大管徑的鎖腳錨桿，以控制圍巖的不利變形。

進(jìn)一步觀察小凈距段左右洞的沉降變形可以發(fā)現(xiàn)，隨著后行洞的開挖，左、右隧洞相同部位監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降變形值逐步趨近，但最終仍存在著一定的數(shù)值差異，最大差異沉降量達(dá)6.47 mm。出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因在于小凈距段先行洞側(cè)所采用的環(huán)形開挖預(yù)留核心土法對(duì)后方連拱段的施工擾動(dòng)影響較后行洞CD法的擾動(dòng)影響大。實(shí)際施工過程中，可通過適當(dāng)減小臺(tái)階法的開挖進(jìn)尺，盡早施作初支支護(hù)等措施盡量減小環(huán)向開挖預(yù)留核心土法開挖對(duì)周邊巖土體和結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)，進(jìn)而有效減輕左右洞間的差異沉降。

在分析連拱段結(jié)構(gòu)變形規(guī)律的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對(duì)小凈距段的結(jié)構(gòu)變形特性進(jìn)行分析，監(jiān)測(cè)斷面2洞內(nèi)水平位移曲線，見圖9。

圖9 監(jiān)測(cè)斷面2洞內(nèi)水平位移曲線

由圖9可見，隨著隧道左、右洞掌子面的開挖，隧道間的中夾巖柱受到施工擾動(dòng)作用，進(jìn)而出現(xiàn)一定程度的凈空收斂擴(kuò)容現(xiàn)象[8-10]，其中靠近連拱段一定范圍內(nèi)中夾巖柱的水平位移相對(duì)較小，此后其水平位移有較明顯的增長趨勢(shì)，但最終趨于穩(wěn)定。分析上述現(xiàn)象產(chǎn)生原因，靠近連拱段的中夾巖柱受到曲中墻的強(qiáng)支護(hù)作用，受施工擾動(dòng)的影響相對(duì)較輕。隨著掌子面的推進(jìn)，曲中墻的支護(hù)作用逐漸減弱，此時(shí)極小凈距段中夾巖柱的厚度偏薄，其抵抗施工擾動(dòng)的能力較弱，在隧道施工擾動(dòng)的作用下，中夾巖柱產(chǎn)生應(yīng)力重分布，進(jìn)而在側(cè)向臨空面?zhèn)瘸霈F(xiàn)收斂變形現(xiàn)象。隨著左、右洞線間距的逐漸增大，中夾巖柱抵抗施工擾動(dòng)的能力增大，左、右洞相對(duì)位移值逐漸趨于穩(wěn)定，中夾巖柱的位移極值達(dá)15.1 mm。當(dāng)線間距增大至16 m后，中夾巖柱的凈空收斂擴(kuò)容現(xiàn)象基本消失。

小凈距段施工后洞內(nèi)沉降云圖見圖10。

圖10 小凈距段施工后洞內(nèi)沉降云圖(單位：m)

由圖10可知，先、后行洞的沉降變形主要集中在中夾巖柱側(cè)，其中先行洞拱頂右側(cè)出現(xiàn)大面積的豎向沉降，結(jié)構(gòu)最大位移量達(dá)8.9 mm。分析上述現(xiàn)象，小凈距段中夾巖柱較薄，左、右洞施工對(duì)該區(qū)域巖體產(chǎn)生多次擾動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致中夾巖柱在施工過程中發(fā)生應(yīng)力重分布，并在左、右線隧洞的內(nèi)側(cè)拱頂處產(chǎn)生了偏壓荷載。

進(jìn)一步觀察圖10可以發(fā)現(xiàn)，先行洞右側(cè)沉降變形呈先增大后減小的趨勢(shì)。小凈距初始段圍巖沉降變形偏小的原因在于該段落有連拱曲中墻的強(qiáng)支護(hù)作用，其后隨著中夾巖柱的增厚，兩隧道間圍巖的承載能力逐漸提升，拱部沉降量穩(wěn)步下降。

3.2 過渡段支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)特性分析

隧道連拱段施工過程中，曲中墻兩側(cè)出現(xiàn)較大的壓應(yīng)力集中區(qū)，但應(yīng)力水平較低。隨著小凈距段先行洞的開挖，曲墻段拱頂和拱底部位逐漸出現(xiàn)大小不同的拉應(yīng)力區(qū)，其中拱底處初期支護(hù)的拉應(yīng)力水平較高，拉應(yīng)力極值為1.24 MPa，接近初期支護(hù)噴射混凝土的設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度。實(shí)際施工工程中應(yīng)對(duì)上述現(xiàn)象予以重視，建議盡早施作仰拱及仰拱回填，確保結(jié)構(gòu)安全。曲墻過渡段早期應(yīng)力云圖見圖11。

圖11 曲墻過渡段早期應(yīng)力云圖(單位：kPa)

進(jìn)一步對(duì)小凈距段襯砌結(jié)構(gòu)的受力進(jìn)行分析。繪制監(jiān)測(cè)斷面2先行洞襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力圖見圖12。由圖12可見，隧道先行洞開挖后，圍巖發(fā)生應(yīng)力重分布，襯砌結(jié)構(gòu)的壓應(yīng)力陡增，其中在左、右拱腳和拱腰位置出現(xiàn)壓應(yīng)力集中現(xiàn)象。后行洞開挖對(duì)先行洞襯砌結(jié)構(gòu)影響主要集中在靠近后行洞側(cè)的區(qū)域，其中6號(hào)測(cè)點(diǎn)的襯砌應(yīng)力水平增長相對(duì)明顯。實(shí)際施工過程中，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注對(duì)連拱段中夾巖柱的保護(hù)，盡量減少后行洞開挖對(duì)先行洞已施作襯砌的影響。

圖12 監(jiān)測(cè)斷面2先行洞襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力圖

繪制監(jiān)測(cè)斷面2后行洞襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力圖見圖13。

圖13 監(jiān)測(cè)斷面2后行洞襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力圖

由圖13可見，后行洞襯砌應(yīng)力增長趨勢(shì)呈臺(tái)階形，明顯分為2個(gè)階段。分析其原因，除CD法開挖初期對(duì)圍巖產(chǎn)生了施工擾動(dòng)外，后期側(cè)導(dǎo)洞臨時(shí)支護(hù)的拆除使得圍巖的外部支承作用驟減，喪失部分約束作用的圍巖不可避免會(huì)產(chǎn)生一定的松動(dòng)荷載，進(jìn)而在后行洞的拱頂和拱腰位置形成偏壓作用，導(dǎo)致上述區(qū)域壓應(yīng)力發(fā)生突增變化，其壓應(yīng)力極值達(dá)12.86 MPa。實(shí)際施工過程中，應(yīng)分段拆除臨時(shí)支護(hù)，并盡早施工二次襯砌，以確保結(jié)構(gòu)安全。

考慮到小凈距段落中夾巖柱的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度遠(yuǎn)低于曲中墻，對(duì)中夾巖柱的分析顯得更加重要。由于曲中墻支護(hù)結(jié)構(gòu)的存在，在接近曲中墻位置的中夾巖柱的應(yīng)力水平相對(duì)較小，而遠(yuǎn)離曲中墻位置的中夾巖柱表面的壓應(yīng)力則相對(duì)較大。此外，中夾巖柱的應(yīng)力變化規(guī)律與掌子面位置有關(guān)，隨著掌子面開挖的推進(jìn)呈先增大后變小的趨勢(shì)。總體而言，在先行洞開挖過程中，過渡段處中夾巖柱的壓應(yīng)力變化幅度相對(duì)較小，其數(shù)值穩(wěn)定在6 MPa左右。隨著后行洞的開挖，該區(qū)域的中夾巖柱受到二次擾動(dòng)，應(yīng)力水平急劇增大，數(shù)值達(dá)10 MPa左右。施工過程中，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況采用注漿、增設(shè)錨桿等措施對(duì)該區(qū)域圍巖進(jìn)行加固處理。

4 結(jié)語

借助有限元軟件分析分岔隧道分岔過渡段在施工過程中襯砌結(jié)構(gòu)的位移與應(yīng)力變化，通過對(duì)相關(guān)監(jiān)測(cè)斷面數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行分析，主要結(jié)論如下。

1) 從連拱段中隔墻法施工過渡到小凈距段先行洞環(huán)形開挖預(yù)留核心土法、后行洞CD法開挖的過程中，連拱段圍巖及結(jié)構(gòu)承受多次施工擾動(dòng)，隧道截面拱頂、拱腰位移增大，其中拱頂位置沉降增大近4倍。此外，由于先、后行洞采用的開挖工法不同，曲墻段襯砌出現(xiàn)一定的差異沉降。考慮過渡段施工工序復(fù)雜，建議根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工情況動(dòng)態(tài)調(diào)整施工參數(shù)，并適當(dāng)加強(qiáng)支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)。

2) 隨著先行洞的開挖，后方連拱段存在拱底隆起的風(fēng)險(xiǎn)，施工中應(yīng)予以重視，建議盡早施作仰拱襯砌，使結(jié)構(gòu)封閉成環(huán)。同時(shí)，為了盡量減小環(huán)形開挖對(duì)圍巖及既有結(jié)構(gòu)的影響，建議適當(dāng)減小開挖步距，上臺(tái)階的長度不宜超過5 m，二次襯砌至掌子面的距離宜控制在50 m以內(nèi)。

3) 緊鄰連拱段的極小凈距段落的中夾巖柱厚度較薄，承載能力偏弱，施工過程中易出現(xiàn)凈空收斂擴(kuò)容現(xiàn)象，且該區(qū)域圍巖的壓應(yīng)力隨先行洞、后行洞開挖增大趨勢(shì)明顯。施工過程中，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況采用注漿、增設(shè)錨桿等措施對(duì)該區(qū)域圍巖進(jìn)行加固處理。

4) 小凈距段左、右洞在施工過程中相互干擾較大，靠近中夾巖柱側(cè)先行洞和后行洞的拱部均出現(xiàn)明顯的沉降變形。建議嚴(yán)格控制先行洞、后行洞掌子面的錯(cuò)開間距，一般不得小于50 m。此外，后行洞CD法拆除臨時(shí)支護(hù)時(shí)的施工擾動(dòng)影響不容忽視，實(shí)際施工過程中應(yīng)逐段拆除，并盡快施做主洞二次襯砌。