分岔隧道连拱-小间距连接段施工过程稳定性分析

2012-05-14袁森

铁道勘察 2012年3期

袁森

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉 430063)

1 概述

随着我国基础建设的大规模展开，高等级高速公路建设发展迅速。在中西部崇山峻岭之间，为了节省桥梁的工程投资，修建分岔隧道已经在所难免。分岔式隧道作为一种特殊的隧道结构形式，主要用于因地形、地质、施工、运营等条件限制的路段。

目前很多专家在连拱隧道和小间距隧道的设计、施工技术和稳定性分析等方面做了诸多研究［1-8］。但是对于分岔式隧道连拱－小间距连接段的稳定性分析研究还未见报道。连拱-小间距连接段施工过程中需要重点关注连拱段曲中墙、小间距段岩柱的稳定性。连拱段中隔墙稳定性的研究较多，如:曾胜等［1］、叶飞等［2］根据现场检测研究了不同施工工序对中隔墙的内力影响;高攀科等［3］总结了不同结构形式、参数选取及不同施工工艺下连拱隧道中隔墙的受力性能;白海卫等［4］用有限元研究了连拱隧道开挖面的空间效应;伍国军等［5］用有限元法研究了连拱变厚度曲中墙围岩稳定性;代树林等［6］论述了小间距隧道开挖方法和岩柱加固技术。

结合沪蓉西高速公路八字岭分岔隧道的连拱－小间距过渡段，通过建立三维模型，用有限元法模拟分析隧道动态开挖支护过程中曲中墙、岩柱的受力特点及围岩的稳定性。

八字岭隧道位于宜昌市长阳县及恩施自治州巴东县境内，平面形态呈近东西向展布，进口为分离式，出口为分岔式，长3.5 km。分岔式隧道在向分离式过渡过程中设计有大拱段、连拱段和小间距段三种形式，连拱段围岩为大冶组灰岩，薄中层状，产状NE350°＜84°，节理裂隙较发育，围岩类别Ⅲ～Ⅳ类，地下水不丰富，以降水入渗为主。连拱段－小间距段隧道单洞室净空9.75 m×5.0 m，最大埋深约156 m，设计为双拱四车道形式。连拱段设置有中隔墙，靠近小间距段为曲中墙设计，小间距段两洞之间保留岩柱，其位置与连拱段曲中墙的位置相同，这种过渡形式为国内较罕见的双拱大跨度设计形式。

2 连拱及小间距连接段稳定性分析

2.1 计算模型

连拱到小间距段过渡段取连拱段和小间距段纵深各10 m共20 m的长度作为分析模型，模型示意如图1。图1中交界面为连拱到小间距段的过渡界面，为计算结果分析方便，取模型四个剖面set－1至set－4。本次数值模拟连拱一直开挖到小间距段的整个动态开挖过程。

连拱段施工工法:

开挖中导洞→施做中隔墙和中导洞临时支护→开挖左侧导洞→施做左侧导洞支护。左侧导洞的主要施工工序:→开挖左侧主洞上半断面→施工拱部初期支护→开挖侧导洞→施做边墙初期支护→开挖核心土。左侧导洞施工完成后开挖右侧导洞，右侧导洞的施工工艺和左侧导洞类似，左右洞开挖完成后施做二次衬砌。

图1 连拱到小间距段过渡段示意(单位:m)

小间距段施工工法:

开挖左洞上半断面→施工拱部初期支护→开挖左洞两侧边洞→施做左洞两侧边洞初期支护→开挖左洞核心土。左侧导洞施工完成后开挖右侧导洞，右侧导洞的施工工艺和左侧导洞类似，左右洞开挖完成后施做二次衬砌。

连拱段开挖工序示意及剖面上布设的关键点位置见图2，小间距段开挖工序示意见图3，关键点布设位置同连拱段剖面。

图2 连拱隧道洞周关键点示意

图3 小间距段隧道洞周关键点示意

2.2 计算参数

根据现场岩体力学试验结果，在对八字岭隧道的开挖、支护进行数值分析时，采用的工程岩体材料参数见表1。

对于支护结构，初次衬砌考虑喷射混凝土和锚杆支护。喷射混凝土设计厚度25 cm，材料为C20;系统锚杆为φ25 mm螺纹钢，间距1.2 m，纵向间隔1 m，锚杆长度L=3 m;二次衬砌采用钢筋混凝土材料，设计厚度60 cm，材料C25。连拱曲中墙采用的材料同二次衬砌。

表1 岩体和支护材料力学参数

3 数值计算结果分析

对连拱段和小间距段进行二维平面应变分析即可研究开挖过程中围岩应力分布、演化特征和位移特征。三维动态开挖模拟结果的分析内容较多，由于文章篇幅限制，仅对工程所关注的连接段附近曲中墙在动态开挖过程中的受力情况、围岩位移情况以及连接段围岩塑性破坏情况进行分析。开挖结束后围岩以及曲中墙的最大主应力分布、最小主应力分布见图4、图5。

图4 连拱-小间距连接段隧道开挖结束后拉应力分布(单位:Pa)

图5 连拱-小间距连接段隧道开挖结束后压应力分布(单位:Pa)

3.1 曲中墙受力特征

从连拱段隧道开挖开始，曲中墙远离连接端的两侧部位就形成压应力集中区，随着开挖的进行，压应力集中区域逐步向连接端扩大，且压应力值逐步增大，到连拱隧道开挖结束时，最大压应力值由开挖初期的4.07 MPa增大至连拱开挖结束时的9.05 MPa;小间距隧道的开挖使得曲中墙的压应力区发生了转移且压应力量值有所增大，随着小间距隧道的开挖，压应力区向靠近小间距端的曲中墙两侧集中，至开挖结束时，最大压应力值由小间距开挖初期的9.35 MPa增大至14.72 MPa，最大压应力出现在靠近小间距岩柱部位的曲中墙侧部，这是由于岩柱弱支撑的原因。

开挖过程中，曲中墙上端侧部和下端侧部局部受拉，但是拉应力很小，开挖结束后，拉应力值不超过1 MPa。

图6显示了连拱第一、二组剖面关键点8的压应力随着开挖步的变化。由图6可见，开挖过程中，曲中墙底部压应力越来越大，第一组关键点8的压应力由小间距开挖前的7.22 MPa增大到开挖结束时的9.31 MPa;在前面开挖阶段，远离连接端部分的压应力值高于靠近连接端部分，而在小间距段右洞的侧导洞开挖结束后，靠近连接端部位的压应力值要稍高。

图6 连拱剖面曲中墙底部压应力随开挖步变化

图7显示了小间距段第三、四组剖面关键点8的压应力随着开挖步的变化。由图7可见，开挖过程中，小间距岩柱下部压应力逐渐增大;另外可以看到靠近连接端部位岩柱下部的压应力要稍高于远离连接端部位的岩柱。

图7 小间距剖面岩柱底部压应力随开挖步变化

图8显示了开挖结束后，曲中墙、岩柱内的压应力沿着轴线方向的变化。横坐标距离0 m处为连接端面，距离为正一端是小间距段，距离为负一端是连拱段。整体上看，小间距断岩柱承受的压应力小于连拱段曲中墙承受的压应力，曲中墙、岩柱中上部压应力小于中部，中部小于底部，但是在连接端面周围，曲中墙、岩柱中部压应力变化幅度较大。

3.2 开挖过程中围岩位移情况分析

连拱隧道开挖完成后，拱顶下沉，底板上抬，最大位移出现于底板中部，值为3.73 mm，第一组关键点4、12(左、右洞拱顶位置)的位移分别2.96 mm、3.16 mm;第二组关键点4、12的位移分别为2.16 mm、2.09 mm，这是因为小间距还没有开挖，对其附近的连拱围岩形成约束。

图8 曲中墙、岩柱内的压应力沿着轴线方向的变化

小间距隧道开挖结束后，最大位移出现于远离连拱的小间距底板中间，值为5.2 mm;第三组关键点4、12的位移分别为4.3 mm、4.59 mm，第四组关键点点4、12的位移分别为4.61 mm、4.91 mm。连拱隧道的位移随着小间距隧道的开挖有所增大。由位移变化规律可见，小间距隧道开挖后，岩柱形成一个弱支撑(相对于连拱曲中墙)，向着小间距隧道方向，位移越来越大。

图9显示了连拱第一、二组剖面关键点12的位移随着开挖步的变化。由图9可见，开挖过程中，连拱隧道右洞洞顶的位移不断增大;另外可以看出远离连接端部位的位移大于靠近连接端部位的位移，到了小间距开挖结束前，靠近连接端部位的位移稍大。该图的变化趋势和压应力随开挖变化图的趋势相同，同样是由于岩柱支撑较弱的原因。

图9 连拱剖面拱顶下沉随开挖步变化

图10显示了小间距段第三、四组剖面关键点12的位移随着开挖步的变化。由图10可见，开挖过程中，小间距隧道右洞洞顶的位移不断增大;另外可以看出远离连接端部位(set4)的位移稍小于靠近连接端部位的位移，到了小间距开挖结束前，靠近连接端部位(set3)的位移稍小。原因可能是:小间距段尚未开挖时，连拱隧道开挖使得连接端附近的小间距隧道围岩位移较大;而小间距隧道开挖结束后，由于岩柱相对软弱，所以远离连接端的小间距隧道位移较大。