分岔隧道過渡段施工結構穩定性分析

劉曉勇 胡 強

(貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司 貴陽 550081)

受地形地質及接線橋梁結構形式的限制，分岔隧道在山區高速公路的橋梁接隧道段的應用日趨增多。作為一種相對新穎的隧道建造形式，分岔隧道在設計和施工方面所積累的經驗相對缺乏，針對性的技術標準和行業規范內容較少，尚未形成完善、成熟的技術體系。針對上述情況，國內外專家學者展開了相關的研究工作。蔚立元等[1]通過建立三維地質模型，分析了隧道洞身周圍巖體應力特點和沉降規律，推算出分岔隧道設計的極限安全承載度；孫秋紅[2]運用ABAQUS軟件分析羅依溪隧道過渡段形變變化規律，驗證了新奧法和多部開挖法相結合的施工合理性；吳波等[3]通過有限元分析軟件對復雜地質條件下的地鐵分岔隧道進行了三維仿真模擬，總結出了地質條件較差段落的隧道施工方案的合理性；張強勇等[4]通過組合式地質力學模型試驗，進行空間地質力學研究，總結分岔隧道的圍巖應力場的變化趨勢和巖體錨固作用效應；王漢鵬等[5]建立發三維有限元模型，動態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，提出了開挖左洞超前右洞的施工方案；劉家澍等[6]運用FLAC3D有限元軟件對施工階段的分岔隧道連拱段進行差分數值分析，進一步研究探討了隧道連拱段的圍巖力學狀態。

可以看出，針對分岔隧道的研究已經取得了一定進展，但大部分停留在理論分析和施工方案比選層次，對分岔隧道施工過程中支護結構受力的研究相對匱乏。針對上述情況，本文以西南地區某山嶺隧道為工程依托，通過有限元軟件動態模擬分岔隧道由連拱段向小凈距段過渡的施工過程，進而分析過渡段的圍巖形變規律和支護結構的力學特性，并提出相對應的施工處治建議，旨在為類似工程提供參考。

1 工程概況

1.1 地質條件

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

圖1 隧道進口端洞門結構圖(單位：cm)

為了盡量減小左、右洞的相互干擾，設計上采用154 m的整體式直中墻漸變段、58 m的復合式曲中墻漸變段、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

隧道場區位于揚子準地臺黔北臺隆復雜構造變形區，巖層單斜，產狀穩定。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清虛洞組(∈1q)白云質灰巖、寒武系中統高臺組(∈2g)白云巖、泥質白云巖等，其中隧道進口端圍巖主要為強、中風化白云質灰巖、泥質白云巖，巖質軟硬相間，Rc=40 MPa。巖體破碎，結構面極發育、結合差，呈碎裂狀結構，Kv=0.35。隧道開挖可能產生淋雨狀、涌流狀出水。地下水影響修正系數K1=0.60、[BQ]=237.5，圍巖級別為V級。場區地下水為第四系松散裂隙水、基巖中風化裂隙水、巖溶裂隙水，其中巖溶裂隙水賦存于白云巖、白云質灰巖溶蝕裂隙中，水量較大且分布極不均勻。隧道洞口段地質縱斷面圖見圖3。

圖3 隧道洞口段地質縱斷面圖

此外，隧道進口段上方設置有懸索橋的隧道錨結構，其與隧道結構最小間距為15 m。實際施工過程中，由于施工組織安排等多方面因素，隧道錨先于隧道結構施工完成。本次計算重點分析隧道施工期間的結構受力，故將隧道錨作為一個隧道上覆結構荷載簡化考慮。

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形開挖預留核心土法施工，后行洞采用CD法進行開挖。

復合式曲中墻段隧道施工步驟為：①中導洞開挖，施作臨時支護及中隔墻→②左洞側導洞開挖，施作臨時支護及初期支護→③左洞上臺階開挖，施作初期支護→④左洞中臺階開挖，施作初期支護→⑤左洞下臺階開挖，施作初期支護，施作左洞仰拱、仰拱回填、邊墻及拱部二次襯砌→⑥右洞側導洞開挖，施作臨時支護→⑦右洞上臺階開挖，施作初期支護→⑧右洞中臺階開挖，施作初期支護→⑨右洞下臺階開挖，施作初期支護→⑩待沉降穩定后拆除臨時支護，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上部弧形導坑開挖，施作拱部初期支護→②上部核心土開挖→③中臺階左右側錯槽開挖，分別施作中臺階左右側邊墻初期支護→④下臺階左右側錯槽開挖，分別施作下臺階左右側邊墻初期支護→⑤沉降穩定后施作二次襯砌。后行洞的施工步驟為：①左側導洞開挖，施作側導洞臨時支護→②上臺階開挖，施作拱部初期支護→③中臺階開挖，施作初期支護→④下臺階開挖，施作邊墻、拱底初期支護→⑤待沉降穩定后拆除臨時支護，施作二次襯砌。分岔區前后斷面支護結構與施工步驟圖見圖4。

圖4 分岔區前后斷面支護結構與施工步驟

2 有限元模型建立

有限元模型地層結構整體分為3個部分：地表塊石土、強風化白云質灰巖及中風化白云質灰巖。采用摩爾-庫侖本構模型，應變關系滿足摩爾-庫侖屈服準則。分岔隧道的支護結構，如初期支護、二次襯砌、錨桿、注漿導管、中隔墻和隧道錨均采用彈性本構模型。

2.1 材料參數

通過現場地質勘測得到各類巖土體的力學參數，相關支護結構參數由相關規范[7]取得，主要材料參數見表1。

表1 巖體及結構材料參數表

2.2 建立模型

根據施工勘探資料和實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，距離隧道襯砌結構頂約15 m，其垂直于巖面向下，錨體長約10 m，三維有限元模型結構圖見圖5。

圖5 三維有限元模型結構圖

根據設計資料配置模型計算參數，并設計施工階段，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 數值模擬結果研究分析

為分析隧道分岔過渡段結構的可靠性，選取曲墻連拱段和小凈距段隧道拱部和底部的特征點作為研究對象，以特征點的位移、應力變化規律分析隧道斷面襯砌結構的安全性。考慮后期提取結果的靈活性，將監測點設置在初期支護和二次襯砌的交界面上，其中監測斷面1位于隧道分岔點偏曲墻段15 m位置處，監測斷面2位于隧道分岔點偏小近距段30 m位置處，隧道過渡段監測點布置圖見圖7。

圖7 隧道過渡段監測點布置圖

3.1 隧道過渡段支護結構變形分析

過渡段各特征點在施工循環推進下的豎向位移變化規律曲線見圖8。

圖8 監測斷面1洞內豎向位移曲線

由圖8可見，采用中隔墻法進行連拱段的開挖過程中，隧道拱頂出現沉降現象，仰拱有所隆起，但結構整體位移相對較小。其后，小凈距段先行洞上臺階開挖早期，過渡段圍巖整體出現較大變形，其中拱頂處的沉降尤為突出，沉降值達到了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，隨著施工方法轉換完成，掌子面繼續向前推進，過渡段的沉降變形逐漸趨于穩定。分析上述現象，工法轉換過程中對圍巖產生多次擾動，且環形開挖預留核心土法的一次性開挖跨徑相對較大，故而導致圍巖產生較大變形。實際施工過程中，應加強過渡段的施工監控量測，進而根據監測結果對隧道的支護參數進行動態調整，以確保施工安全性及結構可靠性。建議適當加強掌子面前方的超前預加固措施，并根據初支變形情況靈活調整工字鋼的型號及縱向布置間距，必要時可考慮在拱腳部位增設大管徑的鎖腳錨桿，以控制圍巖的不利變形。

進一步觀察小凈距段左右洞的沉降變形可以發現，隨著后行洞的開挖，左、右隧洞相同部位監測點的沉降變形值逐步趨近，但最終仍存在著一定的數值差異，最大差異沉降量達6.47 mm。出現上述現象的原因在于小凈距段先行洞側所采用的環形開挖預留核心土法對后方連拱段的施工擾動影響較后行洞CD法的擾動影響大。實際施工過程中，可通過適當減小臺階法的開挖進尺，盡早施作初支支護等措施盡量減小環向開挖預留核心土法開挖對周邊巖土體和結構的擾動，進而有效減輕左右洞間的差異沉降。

在分析連拱段結構變形規律的基礎上，進一步對小凈距段的結構變形特性進行分析，監測斷面2洞內水平位移曲線，見圖9。

圖9 監測斷面2洞內水平位移曲線

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作用，進而出現一定程度的凈空收斂擴容現象[8-10]，其中靠近連拱段一定范圍內中夾巖柱的水平位移相對較小，此后其水平位移有較明顯的增長趨勢，但最終趨于穩定。分析上述現象產生原因，靠近連拱段的中夾巖柱受到曲中墻的強支護作用，受施工擾動的影響相對較輕。隨著掌子面的推進，曲中墻的支護作用逐漸減弱，此時極小凈距段中夾巖柱的厚度偏薄，其抵抗施工擾動的能力較弱，在隧道施工擾動的作用下，中夾巖柱產生應力重分布，進而在側向臨空面側出現收斂變形現象。隨著左、右洞線間距的逐漸增大，中夾巖柱抵抗施工擾動的能力增大，左、右洞相對位移值逐漸趨于穩定，中夾巖柱的位移極值達15.1 mm。當線間距增大至16 m后，中夾巖柱的凈空收斂擴容現象基本消失。

小凈距段施工后洞內沉降云圖見圖10。

圖10 小凈距段施工后洞內沉降云圖(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，其中先行洞拱頂右側出現大面積的豎向沉降，結構最大位移量達8.9 mm。分析上述現象，小凈距段中夾巖柱較薄，左、右洞施工對該區域巖體產生多次擾動，進而導致中夾巖柱在施工過程中發生應力重分布，并在左、右線隧洞的內側拱頂處產生了偏壓荷載。

進一步觀察圖10可以發現，先行洞右側沉降變形呈先增大后減小的趨勢。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支護作用，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，拱部沉降量穩步下降。

3.2 過渡段支護結構力學特性分析

隧道連拱段施工過程中，曲中墻兩側出現較大的壓應力集中區，但應力水平較低。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大小不同的拉應力區，其中拱底處初期支護的拉應力水平較高，拉應力極值為1.24 MPa，接近初期支護噴射混凝土的設計抗拉強度。實際施工工程中應對上述現象予以重視，建議盡早施作仰拱及仰拱回填，確保結構安全。曲墻過渡段早期應力云圖見圖11。

圖11 曲墻過渡段早期應力云圖(單位：kPa)

進一步對小凈距段襯砌結構的受力進行分析。繪制監測斷面2先行洞襯砌結構應力圖見圖12。由圖12可見，隧道先行洞開挖后，圍巖發生應力重分布，襯砌結構的壓應力陡增，其中在左、右拱腳和拱腰位置出現壓應力集中現象。后行洞開挖對先行洞襯砌結構影響主要集中在靠近后行洞側的區域，其中6號測點的襯砌應力水平增長相對明顯。實際施工過程中，應重點關注對連拱段中夾巖柱的保護，盡量減少后行洞開挖對先行洞已施作襯砌的影響。

圖12 監測斷面2先行洞襯砌結構應力圖

繪制監測斷面2后行洞襯砌結構應力圖見圖13。

圖13 監測斷面2后行洞襯砌結構應力圖

由圖13可見，后行洞襯砌應力增長趨勢呈臺階形，明顯分為2個階段。分析其原因，除CD法開挖初期對圍巖產生了施工擾動外，后期側導洞臨時支護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產生一定的松動荷載，進而在后行洞的拱頂和拱腰位置形成偏壓作用，導致上述區域壓應力發生突增變化，其壓應力極值達12.86 MPa。實際施工過程中，應分段拆除臨時支護，并盡早施工二次襯砌，以確保結構安全。

考慮到小凈距段落中夾巖柱的結構強度遠低于曲中墻，對中夾巖柱的分析顯得更加重要。由于曲中墻支護結構的存在，在接近曲中墻位置的中夾巖柱的應力水平相對較小，而遠離曲中墻位置的中夾巖柱表面的壓應力則相對較大。此外，中夾巖柱的應力變化規律與掌子面位置有關，隨著掌子面開挖的推進呈先增大后變小的趨勢。總體而言，在先行洞開挖過程中，過渡段處中夾巖柱的壓應力變化幅度相對較小，其數值穩定在6 MPa左右。隨著后行洞的開挖，該區域的中夾巖柱受到二次擾動，應力水平急劇增大，數值達10 MPa左右。施工過程中，應根據實際情況采用注漿、增設錨桿等措施對該區域圍巖進行加固處理。

4 結語

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構的位移與應力變化，通過對相關監測斷面數據結果進行分析，主要結論如下。

1) 從連拱段中隔墻法施工過渡到小凈距段先行洞環形開挖預留核心土法、后行洞CD法開挖的過程中，連拱段圍巖及結構承受多次施工擾動，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，曲墻段襯砌出現一定的差異沉降。考慮過渡段施工工序復雜，建議根據現場施工情況動態調整施工參數，并適當加強支護結構參數。

2) 隨著先行洞的開挖，后方連拱段存在拱底隆起的風險，施工中應予以重視，建議盡早施作仰拱襯砌，使結構封閉成環。同時，為了盡量減小環形開挖對圍巖及既有結構的影響，建議適當減小開挖步距，上臺階的長度不宜超過5 m，二次襯砌至掌子面的距離宜控制在50 m以內。

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，施工過程中易出現凈空收斂擴容現象，且該區域圍巖的壓應力隨先行洞、后行洞開挖增大趨勢明顯。施工過程中，應根據實際情況采用注漿、增設錨桿等措施對該區域圍巖進行加固處理。

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