淺埋黃土分岔隧道在不同施工方案下的變形規律研究

符文亮，張元帥，徐松，葛萬杰

（1 蘭州交通大學 土木工程學院，甘肅蘭州 730070；2 中鐵二十二局集團第一工程有限公司，黑龍江哈爾濱 150006）

在山區高速鐵路的建設中，由于地質地形復雜，以及橋隧銜接、工程投資的限制，將鐵路隧道建成完全分離的隧道愈加困難，修建分岔隧道已在所難免。分岔隧道由大拱隧道逐步過渡到分離式隧道，因此同時具備大拱隧道、連拱隧道、小凈距隧道和分離式隧道的結構特點[1]。由于這類隧道位置選擇自由度大，適用于地形復雜、線路布設極為困難的情況，而且可保持路線線形流暢，便于橋隧相連，分岔隧道在我國鐵路隧道建設中的應用日益增多[2-5]。但是，在分岔隧道過渡段，施工工序復雜，涉及多種開挖工法的轉換，導致分岔段圍巖受力和變形特征復雜，而且左右洞交替施工對中隔墻和洞身中間巖柱應力狀態的影響會增加施工及支護難度，如果處理不當，很容易造成安全事故。因此，對該分岔隧道開展專題研究十分必要。

目前，學者主要通過理論分析、數值模擬、現場監測和模型試驗四種方法開展相關研究。胡新朋等[2]針對復雜的地質條件和周邊環境，提出單側隧道擴挖并噴混凝土回灌的方法，有效地控制了施工風險，并實現了快速施工。朱正國等[6]依托榮烏高速黃土嶺隧道工程，通過數值模擬對比分析了單側壁導坑法、CRD 法和CD 法三種施工方法的圍巖變形及受力特征，認為單側壁導坑法為該淺埋連拱隧道最合理的施工方案，且兩側導洞可同時開挖。胡志平等[7]依托西安地鐵5 號線雙連拱隧道工程，通過現場監測和三維數值模擬，分析了中導洞法開挖過程中襯砌的變形和應力變化，認為襯砌變形分迅增、緩增、穩定三個階段，迅增階段應加強監測。趙金鵬等[8-10]依托南山路連拱隧道工程，通過數值模擬和現場實測，研究了軟弱圍巖連拱隧道不同開挖順序下圍巖的變形特征以及中隔墻和支護結構受力變形規律。陳培帥等[11]依托某在建隧道工程，結合大變形段現場監測數據對圍巖變形及原因進行分析，認為淺埋黃土隧道圍巖變形受上覆圍巖性質影響較大。圍巖大變形主要分為快速發展、持續發展、緩慢發展、趨于穩定4 個階段，緩慢發展階段仰拱盡早閉合成環，可有效抑制圍巖變形發展。

可以看出，對分岔隧道和黃土隧道的研究主要集中在施工方案優化、支護結構受力規律以及中隔墻穩定性等方面，針對淺埋黃土分岔隧道的研究相對較少。因此，本文依托蘭州市白石二號分岔隧道工程，采用數值模擬對不同施工方案施工過程中圍巖、中隔墻的變形規律展開研究，優選最合理的施工方案，為類似新建黃土分岔隧道提供工程參考。

1 工程概況

白石二號隧道位于蘭州市七里河區崔家崖鄉，屬新建中衛至蘭州鐵路（甘肅段）引入蘭州樞紐配套工程。該隧道由單洞雙線大跨隧道變為雙線單洞隧道，隧道起止里程為DK6+772～DK7+045，全長273m。隧道出口端為雙線大跨隧道，里程為DK7+004～DK7+045；其余段落為雙線單洞隧道。白石二號隧道分岔部位平面示意圖如圖1 所示。

隧道所在區域地貌上屬黃河南岸黃河高階地，隧道進、出口端原始地形為溝谷，地形起伏。由于南環路及蘭新高鐵的修建及其他人為活動，對隧道進、出口段原始地形地貌改變較大，現如今地形起伏不大，地面高程約1556～1591m，相對高差約35m。隧道全線淺埋，最大埋深約為24m，圍巖級別為Ⅴ級，屬淺埋黃土分岔隧道。

2 施工方案及計算模型

2.1 施工方案

白石二號隧道由單洞雙線大跨隧道過渡為雙線單洞隧道，其分岔位置洞身間距小，洞身之間的巖柱較薄，難以保證施工穩定，安全風險高，需用混凝土置換洞身之間的巖柱。對此，在該隧道的連拱段可采用兩種施工方法有兩種：中導洞法和三導洞法，圖2、3 為相應的施工示意圖，其具體施工步驟見表1。

表1 兩種方法的施工步驟

圖2 中導洞法施工示意圖

圖3 三導洞法施工示意圖

2.2 計算模型

根據實際工程情況，使用Midas GTS NX 巖土有限元分析軟件建立數值計算模型，模擬兩種方案下隧道的開挖支護過程，對比分析不同施工方法所呈現的工程效果。

2.2.1 計算邊界

本次計算中，計算區域的左右邊界取4 倍隧道跨徑，下邊界取4 倍隧道高度，上邊界應按實際情況取至地表，模型尺寸為90m×40m×74m。模型左、右邊界施加水平向約束，下邊界施加豎向約束及水平向約束，上邊界為自由約束。如圖4 所示，為兩種工法相應的有限元模型。

圖4 三維有限元模型

2.2.2 計算參數

本文研究重點為施工方案的比選，故采用完全相同的支護結構，初期支護采用C25 噴射混凝土、φ22 砂漿錨桿和I16 型鋼鋼架，二次襯砌采用C45 鋼筋混凝土，中隔墻采用C20 混凝土澆筑。

為了簡化計算，超前小導管的作用效應可通過提高地層的c、φ 值近似模擬；型鋼鋼架可不單獨劃分單元，采用等效法計算，將鋼筋的彈性模量折算給噴射混凝土。如圖5 所示，為初支結構等效示意圖，假設鋼拱架和混凝土協調變形，在線彈性階段，等效前后剛度不變：

圖5 初支結構等效示意圖

式中，E——折算后混凝土的彈性模量；As——鋼拱架的截面面積；Ac——混凝土的截面面積；Es——鋼拱架的彈性模量；Ec——混凝土的彈性模量。

相關材料物理力學參數根據鐵路隧道設計規范以及實際工程確定，具體參數詳見表2。

表2 圍巖及支護材料物理力學參數

3 結果分析

本文主要研究對象為白石二號隧道連拱段，起止里程為DK6+964～DK7+004。為清楚表達施工過程中的圍巖、中隔墻變形規律，在以下分析中取連拱段中部（DK6+984）為目標斷面，目標斷面各關鍵點的位置如圖6 所示。

圖6 目標斷面關鍵部位示意圖

3.1 豎向位移分析

如圖7 所示，為兩種施工方案下目標斷面左右洞拱頂沉降值與施工步的變化關系圖。從圖中可見，在隧道開挖過程中，左右洞拱頂均出現不同程度的沉降，當開挖至目標斷面時，拱頂沉降值會立即增大。兩種工法中導洞的開挖，拱頂沉降持續增加，數值基本相同，增大了5mm 左右。之后開挖隧道左右主洞，中導洞法左右洞拱頂沉降依次激增，最后逐步趨于穩定，拱頂沉降的整體發展趨勢呈“兩臺階”方式變化；三導洞法與中導洞法相比，側導洞施工會對拱頂沉降產生較大影響，導致該方法施工拱頂沉降的整體發展趨勢呈現“三臺階”式變化。

圖7 目標斷面拱頂沉降歷時曲線

中導洞法施工，目標斷面左右洞拱頂的最終沉降值分別為-25.20mm、-27.77mm；三導洞法施工，目標斷面左右洞拱頂的最終沉降值分別為-23.23mm、-24.66mm，相差不大。從圖中還可見，最終拱頂沉降值均為后開挖的右洞大于先開挖的左洞。該斷面拱頂沉降隨開挖進尺的變化規律與張富鵬[12]等人研究成果的變化規律基本一致，也驗證了本文計算結果的正確性。

綜上研究成果還發現，隧道施工過程中，兩種開挖方法不同施工階段所產生的沉降占比（相對沉降/總沉降）如表3 所示。由表可知，拱頂沉降主要由主洞洞身開挖所引起，兩種方案在左洞開挖階段產生的左洞拱頂沉降，分別占左洞拱頂沉降總值的64%和47%；其次為中導洞開挖，分別占總沉降值的26%和28%。此外，由于施工工序的先后順序，相鄰洞施工時產生的偏壓也會導致拱頂沉降的增大，兩種方案在右洞開挖階段產生的左洞拱頂沉降，分別占左洞拱頂沉降總值的10%和5%，即三導洞法施工相鄰洞開挖的影響效果更小。

表3 不同施工階段所產生的拱頂沉降占比

3.2 水平位移分析

圖8 為兩種方案下目標斷面左右洞外側邊墻的水平收斂歷時曲線。從圖中可見，邊墻水平收斂主要由邊墻處圍巖的開挖引起，三導洞法由于兩側導洞的開挖，左右洞邊墻水平收斂的發展趨勢基本對稱，而中導洞法左右洞邊墻的水平收斂增長趨勢則有先后之別。施工完成后，中導洞法左右洞邊墻的水平收斂值分別為32.20mm、-34.08mm；三導洞法左右洞邊墻的水平收斂值分別為16.28mm、-16.64mm。中導洞法明顯大于三導洞法，三導洞法施工更有利于控制邊墻水平收斂。

圖8 目標斷面外側邊墻水平收斂歷時曲線

3.3 中隔墻位移分析

該分岔隧道的中隔墻從分岔處開始逐漸變寬，在分岔處的厚度最薄，加上該部位施工工序較多，中隔墻受力變化復雜，為該段施工的最薄弱環節。圖9 為目標斷面中隔墻頂部和底部水平位移與施工步的變化關系。由圖可知，兩種方案的中隔墻水平位移變化趨勢基本一致，都表現為開挖左洞時，中隔墻墻頂向左洞偏移，墻底向右洞偏移；右洞開挖后，偏轉趨勢有所緩解，但最終偏轉方向沒改變。

圖9 目標斷面中隔墻水平位移歷時曲線

兩種施工方法主洞的開挖次序均是先左后右，施工次序產生的偏壓是導致中隔墻整體發生傾斜的主要原因。從圖中可見，施工過程中，中導洞法中隔墻頂部和底部的最大水平位移分別為-2.85mm、0.26mm；三導洞法中隔墻頂部和底部的最大水平位移分別為-2.48mm、1.12mm。施工結束時，兩種開挖工法墻頂位移相差不大，但三導洞法墻底水平位移明顯大于中導洞法，即中導洞法更能保證中隔墻在施工過程中的穩定。在現場實際施工過程中，為保證中隔墻的穩定，應在其兩側采用沙袋回填或型鋼進行支撐，并做好實時監測。

4 結論

本文依托蘭州市白石二號分岔隧道工程，針對淺埋黃土分岔隧道連拱段的施工方案展開研究，運用Midas GTS NX 軟件對中導洞法與三導洞法的施工過程進行三維數值模擬，對比分析兩種施工方案下隧道位移、中隔墻的變形規律，得到以下結論：

1）中導洞法與三導洞法施工結束后，目標斷面左右洞拱頂的沉降值相差不大，且最終拱頂沉降值均為后開挖的右洞大于先開挖的左洞。但三導洞法左右洞邊墻的水平收斂值遠小于中導洞法，故三導洞法施工更有利于控制隧道圍巖的變形；

2）在該分岔隧道中，中隔墻厚度處于漸變狀態，比通常情況下更薄，且施工工序較多，導致中隔墻頂部、底部水平位移發展復雜，為該施工段的最薄弱環節。兩種方案的中隔墻均向先行洞傾斜，但中導洞法施工中隔墻偏移值較小，更能確保中隔墻的穩定性。在施工現場，為保證中隔墻的穩定，應在其兩側采用沙袋回填或型鋼進行支撐；

3）中導洞法與三導洞法施工均能滿足要求，保證施工安全，且各有優勢。但三導洞法工序轉換復雜，對圍巖擾動大，工期較長，在其他方面相差不大的情況下，三導洞法并不是最經濟的施工方案，可優先考慮中導洞法。