客运专线单双线过渡段分岔隧道施工效应三维数值分析

代维达

(中铁第五勘察设计院集团 工程试验检测公司，北京 102600)

随着基础设施的飞速发展，分岔隧道的现象会越来越多，施工中对隧道整体稳定性的控制是一直以来的难题，目前尚无成熟的分析方法体系，尤其对客运专线标准断面的研究更是少见。

分岔隧道作为一种特殊的隧道布置形式，在较短的距离内由洞口大跨隧道、连拱隧道、小间距隧道，逐步过渡到一般分离式隧道，平面上呈现Y形分岔形状，这是为了降低工程造价而发展出来的一种新型隧道结构形式。目前分岔隧道在国内外建成并投入使用的例子并不多，由于涉及到分离段、小净距段、连拱段和大拱段施工，复杂的受力结构、频繁的工序转换给施工带来了一定的难度。如何确保分岔隧道的快速施工和安全，是分岔隧道的建设关键。

石太客运专线南梁单双线过渡段分岔隧道结构复杂，开挖支护相互交错，围岩应力变化和衬砌荷载转换十分复杂，伴随开挖过程围岩的应力分布、支护实际效果以及结构受力情况等尚不十分清楚。而且客运专线隧道断面大，标准断面开挖面积已经达到150 m2左右。为了研究分岔隧道段施工全过程围岩与支护结构间复杂的力学行为，利用FLAC3D三维快速拉格朗日差分方法分析软件建立三维模型，按实际的开挖顺序和施工工艺，对分岔隧道施工过程进行数值模拟。从隧道围岩变形、应力场、围岩塑性区分布及中间岩柱应力状态等方面，分析研究客运专线分岔隧道施工时的相互影响及施工效应，以期为类似客运专线分岔隧道设计、施工和研究提供有益借鉴和参考。

1 工程概况

石太客运专线南梁隧道进出口段位于直线上，受太行山隧道结构形式影响，线路间距在南梁隧道内需要从35.0 m过渡到4.6 m，即由两座单线隧道(线间距35.0 m)逐渐过渡为一条双线隧道(线间距4.6 m)。南梁隧道单双洞过渡段全长150 m(DIK63+340—DIK63+490)，区段隧道穿越泥质条带灰岩、鲕状灰岩，弱风化～微风化，岩体完整，呈块状整体结构，围岩以Ⅲ级为主，埋深252 m。隧道净宽9.94 m，净高10.33 m，截面形式为半圆拱曲墙断面。

2 三维数值模拟

2.1 数值模拟目的

按实际的开挖顺序和施工工艺，从施工力学机制分析的角度探讨分岔隧道施工引起的围岩力学特性、塑性区的分布及支护稳定性，验证施工方案的可行性，并为地层加固部位及辅助施工措施的选择提供依据。

2.2 计算模型的建立

采用FLAC3D三维快速拉格朗日差分方法分析软件，根据地下结构的计算原理，隧道开挖影响范围为洞径的3～5倍，且由工程实际情况，计算范围取:纵向方向取120 m，水平方向长度约为连拱隧道跨度的5倍，长150 m;垂直方向取隧道底部以下35 m，模型上表面取至拱顶60 m，该模型的计算未考虑地层的加固和采取超前支护措施，见图1。

图1 三维数值计算模型

2.3 计算参数

围岩参数可参考地质勘察和设计院提供的参数分析报告，结合现行《铁路隧道设计规范》(TB10003—2005)，具体计算参数如表1所示，围岩本构模型选用Mohr-Coulomb弹塑性模型。

表1 围岩物理力学参数

锚杆单元充分考虑其径向和法向的摩擦效果，即在裂隙发育的中硬岩和硬岩中，主要是抑制与裂隙面平行或者直角方向的相对位移;在软岩和土砂围岩中，主要是控制隧道壁面径向位移和围岩内部相对位移，具体参数根据室内试验确定，如表2所示。

表2 锚杆力学参数

钢拱架加挂网喷射混凝土的模拟，按抗弯刚度等效的原则，将初期支护的网喷混凝土和钢拱架作为一个等效体，并采用弹性三维实体壳单元进行模拟。计算中，每一计算步开挖后及时施加模拟钢拱架加网喷混凝土的壳单元，但刚度取实际刚度的30%来模拟施工过程中强度发展的时间效应，在下一计算步中，初期支护刚度发展到100%，初期支护具体计算参数见表3。

表3 初期支护计算力学参数

2.4 模拟的施工步骤

根据分岔过渡段隧道结构特点及工期控制要求，分为连拱段和小净距近接隧道施工段，施工部分网格如图2所示。由于地形所限，所采用的分岔式隧道连拱段为复合式曲中墙形式，开挖进尺2 m，双侧全断面开挖，中隔墙超前6 m，左右断面开挖延迟6 m。

图2 分岔过渡段局部网格

小净距接近隧道施工部分，先开挖左洞，并及时进行初期支护，右洞开挖20 m以后，开挖左洞，并对分界里程掌子面进行初期支护。支护均为每一循环开挖结束后立即支护，但是由于实际中初期支护施作后，各种原因造成的支护并不能马上受力，因此初期支护滞后开挖掌子面一个循环进尺，即每一循环开挖时让上一循环的初期支护刚度发展到100%。

3 数值模拟结果与分析

3.1 连拱段围岩稳定性分析

3.1.1 围岩受力特性研究

隧道围岩材料一般为拉压异性体，其抗拉和抗压强度相差极大。围岩的抗拉强度都比较低，因此很容易在拉应力的作用下产生受拉破坏。

通过图3应力云图分析，最大应力出现在中隔墙中间部位(约为17 MPa)，洞室边墙内侧应力也较大(约12 MPa)，拱顶和仰拱出现松弛区域，特别是拱顶靠近中隔墙位置，从以上应力云图以及等值线图不难看出，左右洞基本成对称趋势，也就是说后行洞(左洞)对先行洞(右洞)影响不大，但是中隔墙应力集中较大。

图3 主应力云图以及等值线(单位:Pa)

图4 边墙位置主应力随深度的变化曲线

根据图4可知，沿边墙进深约15 m左右，围岩应力基本稳定，回到初始应力状态，即边墙部位扰动1.5倍D(D为隧道直径)。

3.1.2 计算位移

在评价隧道稳定性时，变形是评价的重要数据之一。限于篇幅，只取连拱段施工完最终位移图作为代表，见图5。

图5 最终位移云图以及等值线(单位:m)

从图5可以看出，左右洞基本成对称分布，无论是拱顶下沉，还是仰拱上抬都只有5 mm左右，竖向收敛也只有1 cm，在这种好的围岩条件下，变形不是连拱隧道稳定性控制指标，而应力集中应是特别注意问题。

3.1.3 围岩塑性区分析

围岩在开挖强卸荷作用下都是要经历从弹性到塑性的过程。当围岩进入塑性以后，其承载能力将大幅地下降，甚至导致整体失稳。

连拱隧道的开挖必然引起周围围岩松弛，横向坍落拱的宽带和高度都相应地增大，作用在支护上的松散压力相应会大很多。塑性区较均匀分布在洞周，深度不大，围岩较稳定，但是支护结构和中夹岩柱成为稳定性控制部位。

3.1.4 支护结构力学响应

开挖后衬砌结构以及中隔墙应力如图6所示，从整体来看，衬砌应力不大，最大主应力分布在中隔墙与衬砌结合部位，特别是中隔墙顶部、衬砌拱肩部位，最大主应力为15 MPa。另外两侧拱腰处应力也较大。中隔墙受压，最大主应力约20 MPa，而与中隔墙结合的衬砌拱肩部位也需要特别注意，此处受力较大。

中隔墙稳定性是研究重点，施工完成后，中隔墙最大压应力为19.5 MPa。中隔墙开挖完后应力状态即趋于稳定。中隔墙中间较薄的位置应力大，厚的位置应力小，所以配筋上要特别注意中间较薄位置。

图6 衬砌结构及中隔墙受力状态(单位:Pa)

3.2 右洞(直洞)施工引起围岩稳定性分析

3.2.1 应力状态分析

为了维护小净距隧道及连拱段衔接处的稳定性，右洞(直洞)作先行洞，重点分析右洞(直洞)对连拱段衔接处稳定性的影响。

分析图7、图8可知，随着右洞的开挖，对连拱段和小净距段衔接处影响很明显，在开挖到0～8 m变化最明显，最先开挖的4 m对接头处的影响最显著，随着掌子面的推进，影响幅度越来越小。开挖关键控制步序是前两个循环进尺。开挖到12 m、16 m主洞最大主应力基本稳定了。在右洞开挖前8 m以内，对衔接处影响很大，施工中应加强衔接处围岩设计参数。

图7 衔接处最大主应力(单位:Pa)

图8 衔接处(中隔墙)随右洞开挖最大主应力曲线

3.2.2 计算位移

从图9衔接处位移变化云图看出，洞壁各关键点位移均较大。隧道两侧边墙水平位移不对称。当右洞开挖4 m位置时，最大竖向位移在拱顶位置(3.9 mm);当右洞开挖至8 m时，最大竖向位移(拱顶4.3 mm);当右洞开挖至12 m时，最大竖向位移(拱顶4.52 mm);当右洞开挖至16 m时，最大竖向位移(拱顶4.57 mm)。前两个进尺，主动拱顶(都在右侧)竖向位移变化明显，开挖到8 m以后基本就没有影响了，维持4.5 mm左右，即对衔接处影响的右洞开挖极限长度为8 m，关键影响长度为4 m。

图9 右洞开挖引起衔接处位移云图(单位:m)

3.2.3 围岩塑性区分析

在右洞施工过程中，由于围岩条件好，右洞的开挖影响主洞塑性区变化不是很明显。最先开挖的4 m对接头处的影响最显著，随着掌子面的推进，影响幅度越来越小。当掌子面推进到8 m时，衔接处塑性区应力基本稳定。

3.3 左洞(曲线洞)施工引起围岩稳定性分析

3.3.1 应力状态分析

为了保证小净距隧道及对连拱段衔接处稳定性，左洞作后行洞，较右洞延后20 m开挖，围岩松弛区域增大，必然导致衔接处受力特性再次变化。

图10 衔接处最大主应力(单位:Pa)

图11 衔接处(中隔墙)随右洞开挖最大主应力曲线

图10、图11为左洞开挖后主隧道衔接处围岩最大主应力变化云图，可以看出，开挖左洞之前衔接处中隔墙(最大主应力一直在这个位置)中间位置，约12 MPa，当左洞开挖到12 m处，此时，也是在衔接处中隔墙中间位置最大主应力达到24 MPa，增长了一倍，但是当左洞继续开挖，此时衔接处基本稳定。也就是说，左洞在开挖12 m时对主洞影响最大，即对衔接处影响的左洞开挖极限长度为12 m，这个阶段要注意保护衔接处中隔墙稳定以及小净距中墙的稳定，施作对拉锚杆，采取给中墙注浆等加固方式。

3.3.2 计算位移

从图12可知，左洞监测断面距离右洞开挖面8 m以上时，主洞所受的影响已经较小。洞壁各关键点位移均较大。隧道两侧边墙位移不对称，右洞先行开挖卸荷，左洞再次施工，使得右洞围岩再次承担荷载，因此右洞位移明显大于左洞。

图12 右洞开挖引起衔接处位移云图(单位:m)

3.3.3 围岩塑性区分析

随着左洞不断开挖，主洞衔接处塑性区在开挖4 m时发展较快，开挖到12 m时基本稳定。

4 结语

综合分析南梁分岔隧道从双连拱段过渡到两座单线施工时围岩及支护结构的位移、应力以及塑性区的变化，可以得出以下几个主要结论:

1)根据三维动态施工仿真的计算结果，在推荐的开挖工法下，洞室稳定，支护结构安全，能够满足施工安全需要。

2)连拱段隧道拱肩最易破坏，应重点加强肩部的锚杆支护，可适当减少拱腰处的锚杆数量，中墙上部的岩体要重点支护，特别是中隔墙上部和底部以及上部要加强配筋。

3)左洞的开挖对接头处应力、塑性区变化影响明显，最先开挖的6 m对接头处的影响最显著，随着掌子面的推进，影响幅度越来越小。左洞的施工对于左洞围岩稳定性是安全的，左洞开挖关键控制步序是开始2 m，对衔接处影响的右洞开挖极限长度为8 m。

4)右洞的开挖对接头处应力、塑性区变化影响明显，施工中需加强左右洞观测，及时支护，对衔接处影响的左洞开挖极限长度为12 m。隧道两侧边墙位移不对称，右洞先行开挖卸荷，左洞再次施工，使得右洞围岩再次承担荷载，因此右洞位移明显大于左洞。

5)计算中由于未考虑地层的加固和采取超前支护效果和作用，计算所得围岩屈服区域略大，在实际施工中必要的地层超前处理措施会明显改善地层的受力状态，减小施工引起的屈服区域。

总之，通过三维数值模拟和施工动态综合分析，认为由连拱段过渡到小净距单线隧道，按照推荐的开挖方案进行开挖施工，并结合及时支护、加强连拱段中隔墙施作工法能够确保施工过程中洞室的稳定和结构的安全。

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