不同凈距下淺埋分岔隧道力學行為研究

邢渝遙 謝義正

(重慶交通大學， 重慶 400074)

近年來，為緩解地面交通擁堵，地下互交隧道建設應運而生。地下隧道常常設計成分岔形式，分岔隧道過渡段由不同斷面形式組合而成，如小凈距與大跨的過渡、連拱與大跨的過渡以及連拱與小凈距的過渡等。然而，考慮到隧道在變截面處極易產生應力集中，可能導致圍巖變形嚴重，分岔隧道過渡段的設計與施工是隧道建設的重難點之一[1-3]。

目前國內對分岔隧道的研究主要集中于施工方面，如對分岔隧道反向擴挖法[4]、三臺階臨時仰拱法[5-6]、無中導洞施工工法[7]等不同施工方法進行研究分析。此外，在分岔隧道施工力學行為方面的研究也不少，如張俊儒[8]等利用“以索代撐”的思想，并結合圍巖強度高的特點，提出主動支護的鋼架巖墻組合支撐法并對其進行工法優化。安永林[9]等揭示了左右線分岔四洞隧道依次施工的相互影響規律，提出在設計施工時應注意加強過渡段的支護。張富鵬[10]等對比分析反向擴挖法和傳統中隔墻法對分岔隧道的影響，證明兩種工法均能保證隧道施工安全，但反向擴挖法更優。葉倫[11]對分岔隧道施工力學特性的研究分析中，對支護手段提出優化建議。

綜上所述，目前國內對分岔隧道的研究已經較為深入，不少專家學者都得出了相對完整的成果結論，但在分岔隧道凈距方面的研究還存在一些不足。因此，文章依托嘉濱路連接道分岔隧道，開展不同凈距對分岔隧道影響研究，對隧道圍巖位移以及初支應力狀態進行分析。

1 工程概況

1.1 工程地質條件

重慶環道三期工程嘉濱路連接道分岔隧道過渡段里程為K 0+008.000～K 0+048.000，位于重慶市渝中區解放碑。該工程旨在緩解市中心地區地面交通擁堵情況，提高地下互交系統的利用率和周轉率，綜合改善市中心交通擁堵的狀況。分岔隧道小凈距段最大埋深18.1 m，隧道凈寬9 m，凈高7.4 m；大跨段最大埋深12.6 m，隧道凈寬23 m，凈高13.232 m。

經現場地質勘測后得，嘉濱路連接道原始地形地貌屬于構造剝蝕淺丘地貌，位于解放碑向斜西翼，巖層走向與分岔隧道K 0+008～K 0+048m段走向斜交角度小(為40°～44°)。該段隧道所處范圍內地下水貧乏，水文地質條件簡單。分岔隧道上覆土層厚約0.5～2 m，主要是雜填土，在場地大部分范圍均有分布，下伏侏羅系中統沙溪廟組中厚層砂巖、泥巖。隧道圍巖級別為Ⅳ級，巖體整體強度較高。

1.2 分岔隧道開挖方法

分岔隧道過渡段由小凈距隧道和大斷面隧道連接而成，小凈距隧道采用全斷面法開挖，先開挖左洞后開挖右洞；大斷面隧道采用雙側壁導坑法開挖，施工順序如圖1所示，開挖進尺均為1 m。

1.左側壁導坑上臺階開挖；2.左側壁導坑上臺階初期支護施作；3.左側壁導坑下臺階開挖；4.左側壁導坑下臺階初期支護施作；5.右側壁導坑上臺階開挖；6.右側壁導坑上臺階初期支護施作；7.右側壁導坑下臺階開挖；8.右側壁導坑下臺階初期支護施作；9.中夾巖上臺階開挖；10.中夾巖上臺階初期支護施作；11.中夾巖中部開挖；12.中夾巖下臺階開挖；13.中間下臺階初期支護施作；14.隧道二襯施作

1.3 分岔隧道初期支護參數

小凈距段左右洞初支參數：采用φ25 mm的砂漿錨桿，長3.5 m，間距1 m×0.8 m，梅花形布置；噴射混凝土采用厚270 mm的C30混凝土；鋼架采用I20b型鋼，縱向間距0.8 m；鋼筋網采用單層φ8 HPB300鋼筋。大跨段初支參數：采用R28 mm的中空錨桿，長5 m，間距0.8 m×0.55 m，梅花形布置；噴射混凝土采用厚320 mm的C30混凝土；鋼架采用HW250×250 mm型鋼，縱向間距0.55 m；鋼筋網采用雙層φ8HPB300鋼筋。

2 數值模擬模型

2.1 假定條件

(1)圍巖滿足連續、均質和各向同性的彈塑性模型假定。

(2)不考慮地下水影響。

(3)不考慮土體時空效應。

(4)巖土體本構滿足M-C屈服準則。

(5)土體開挖不影響土體力學參數。

(6)初期支護為理想彈性材料。

2.2 模型概況

采用MIDAS GTS/NX軟件建立不同凈距條件下的分岔隧道數值模型，如圖2所示?？紤]模型邊界后尺寸選為140 m×80 m×60 m，隧道參數及巖體條件按照設計圖紙設置。模型整體共 61 160 個單元，40 003個節點。模型中隧道的施工步驟為：小凈距段左洞→小凈距段右洞→大跨段左導坑→大跨段右導坑→大跨段中夾巖。

圖2 數值模型概況圖

2.3 材料參數

依據現場地質勘測報告及JTG 3370.1-2018《公路隧道設計規范》得出模型中材料的物理力學參數，如表1所示。

表1 材料物理力學參數表

2.4 主要研究內容

參照嘉濱路連接道實際工程情況設計3種不同凈距方案：1.5 m凈距、2 m凈距和3 m凈距。采用數值仿真對3種不同凈距下的分岔隧道施工分別進行模擬，通過對比分析不同凈距下圍巖位移及初期支護結構受力，為分岔隧道過渡段建設給出合理化建議。

3 不同凈距計算結果分析

選取分岔隧道連接斷面(Y=20 m)作為分析的主要對象。

3.1 不同凈距對水平收斂的影響

不同凈距下過渡段小凈距斷面和大跨斷面的水平收斂隨施工步的變化曲線如圖3所示。

由圖3(a)可知，小凈距隧道開挖時，不同凈距對連接處斷面的水平收斂幾乎不產生影響。大跨隧道開挖時，不同凈距對水平收斂的影響明顯變大。小凈距段凈距為3 m時對水平收斂的影響最大，凈距為 1.5 m 時對水平收斂的影響最小，左洞相差0.2 mm，右洞相差0.17 mm。

圖3 分岔隧道不同凈距條件下圍巖水平收斂的影響圖

由圖3(b)可知，小凈距隧道開挖對不同凈距下大跨斷面的水平收斂影響很小。大跨隧道開挖時，不同凈距對大跨斷面的水平收斂影響增大，小凈距段凈距3 m時水平收斂最大，收斂最大值為1 mm，凈距為1.5 m 時水平收斂最小，收斂最大值為0.81 mm。

3.2 不同凈距對拱頂沉降的影響

不同凈距下小凈距斷面和大跨斷面拱頂圍巖豎向位移隨施工步變化曲線如圖4所示。

由圖4(a)可知，不論是小凈距隧道開挖，還是大跨隧道開挖，不同凈距對連接處小凈距隧道的拱頂沉降影響非常小。隧道貫通后，與小凈距隧道凈距為1.5 m和2 m相比，當凈距為3 m時，連接處小凈距斷面的拱頂沉降略小。

從圖4(b)可知，在小凈距隧道開挖時，不同凈距對連接處大跨斷面的拱頂沉降影響極??；當大跨隧道開挖時，凈距對大跨斷面拱頂沉降的影響逐漸變大。小凈距隧道凈距為3 m時拱頂沉降最小，最終沉降值為1.52 mm，當凈距為1.5 m時，拱頂沉降最大，最終沉降值為1.69 mm。

圖4 分岔隧道不同凈距條件下圍巖拱頂沉降的影響圖

3.3 不同凈距對拱底隆起的影響

分岔隧道連接處小凈距斷面及大跨斷面拱底的豎向位移隨施工步變化曲線圖如圖5所示。

圖5 分岔隧道不同凈距條件下圍巖拱頂沉降的影響圖

從圖5(a)可知，不同凈距對連接處小凈距斷面拱底隆起幾乎不產生影響，且3種不同凈距下左右洞的最終隆起值都約為4.7 mm。

由圖5(b)可知，大跨隧道開挖時3種不同凈距對大跨斷面拱底隆起的影響較大。小凈距隧道凈距為1.5 m時拱底隆起值最大，為3.61 mm，其次是凈距為2 m和3 m，隆起值分別為3.46 mm和3.28 mm。

3.4 不同凈距對過渡段初支應力的影響

分岔隧道初期支護應力狀態分布較為復雜，應力集中現象主要集中在分岔隧道的連接處，如圖6、圖7所示(以分岔隧道連接處兩端各2 m范圍為例)。

圖6 連接斷面最大主應力云圖

圖7 連接斷面最小主應力云圖

由圖6、圖7可知，隧道開挖完成后，分岔隧道連接段初期支護最大及最小主應力主要集中在連接斷面前2 m小凈距段左右拱腳處和中夾巖柱內側左右拱肩處。提取應力集中處的6個觀測點初期支護最大及最小主應力如表2、表3所示。

表2 分岔隧道連接處初期支護最大主應力表(MPa)

表3 分岔隧道連接處初期支護最小主應力表(MPa)

由表2、表3可知，隧道開挖完成后分岔隧道連接段初期支護最大主應力最大值發生在中夾巖柱右側拱肩處，約為11.71 MPa；最小主應力最大值發生在中夾巖柱左側拱肩處，約為35.49 MPa。此外，隧道凈距越大，初期支護的最大及最小主應力越小。

4 監控量測數據對比

選取嘉濱路連接道分岔段監控量測斷面對小凈距斷面(里程為ZK 0+048和YK 0+048處)，將數值模擬中的拱頂豎向位移(凈距為3 m時)和實際監控量測結果(凈距為1.5 m)進行對比分析，如圖8所示。

圖8 拱頂沉降監測對比圖

由圖8可知，數值模擬結果與實際監控量測數據趨勢基本吻合，且凈距為3 m時數值模擬的拱頂沉降小于實際監控量測的拱頂沉降，這說明適當增大凈距會減小圍巖的拱頂沉降。

5 結語

通過對重慶市嘉濱路連接道施工全過程的數值模擬，對比分析了不同凈距下分岔隧道過渡斷面的圍巖位移與初支應力狀態，得到主要結論如下：

(1)分岔隧道過渡段開挖會對連接處小凈距及大跨斷面的圍巖水平收斂、拱頂及拱底豎直位移產生較大的影響。分岔隧道圍巖水平位移最大值發生在大跨段，約為1.01 mm；圍巖豎向位移最大值發生在小凈距段拱底處，約為4.7 mm。

(2)隧道凈距越大，連接斷面水平收斂就越大；凈距越小，連接斷面拱頂及拱底的豎向位移就越大。

(3)隧道貫通后沿隧道方向的初支應力主要集中在連接斷面前2 m的小凈距隧道拱腳處以及中夾巖左右側拱肩處。同時，連接斷面處會發生應力集中現象，建議在分岔隧道連接處加強支護以及嚴格監測。

(4)分岔隧道凈距越大時，初期支護的最大主應力及最小主應力越小。初支最大主應力最大值發生在中夾巖柱右側拱肩處，當凈距為1.5 m和3 m時，最大值分別為11.71 MPa和7.58 MPa。初支最小主應力最大值發生在中夾巖柱左側拱肩處，凈距為1.5 m和3 m時，其最大值分別為35.49 MPa和29.64 MPa。

(5)數值模擬結果與實際監控量測的拱頂沉降趨勢大致吻合，研究具有一定合理性。增加小凈距隧道間距至3 m對圍巖拱頂沉降有一定的優化。