涌水大跨分岔式隧道施工方法数值模拟研究*

郭红斌，孙卫涛，张子明

(中铁七局集团西安铁路工程有限公司，陕西 西安 710032)

0 引言

为适应城市发展需要，近年来，隧道及地下工程建设进入高速发展阶段，各种新工艺、新技术、新方法在建设中大量涌现，给传统的隧道建设带来众多挑战，大跨分岔式隧道施工是迫切需系统研究的前沿课题之一。

分岔式隧道是隧道布置的一种特殊形式，平面呈“Y”形，是在隧道内设置分岔口，由大跨隧道、连拱隧道、小净距隧道在短距离内逐渐过渡到正常分离式隧道。为了降低工程造价，在工程条件复杂的山区开发出一种全新隧道结构形式，即铁路分岔式隧道。该隧道形式与以往的独立双向隧道相比，在满足功能、节约投资等方面具有不可比拟的优势。在传统的隧道施工过程中，我国主要采用双洞分离式隧道形式，但随着铁路交通事业的改造升级，在地质、地形条件复杂的山区，双洞分离式结构形式往往局限性较大，此时分岔式隧道可作为替代方案。

目前，在国内外建成和使用分岔式隧道的案例并不多，为研究分岔式隧道施工力学行为及隧道开挖变形特征，本文基于基础理论和数值模拟，对比分析不同施工组织情况下3种开挖方法施工阶段隧道力学行为及相应的变形规律，拟为类似工程施工和设计提供参考。

1 工程概况

阳安二线直通线包湾村隧道位于陕西省安康市辖区汉江右岸大巴山低山区，海拔为410.000～960.000m，隧道地表起伏较大，地表坡度为30°～50°，洞身发育众多冲沟，沟内土层主要为膨胀土和粉质黏土。隧道为1双线3单线结构，本文研究段为XDK235+105—XDK235+260。其平面如图1所示，该处喇叭口最小净距为0.88m,双线标准段开挖跨度为12.96m,经过多次加宽，分岔部分双线断面开挖跨度增大为17.46m。隧道地层为第四系全新统洪积膨胀土、坡积粉质黏土、细角砾土，上更新统冲积粉质黏土、膨胀土、粉土、粗圆砾土，中更新统冲积膨胀土；下伏基岩为志留系下统片岩，紧邻南秦岭活动带，正处秦岭峰腰构造南端，呈近东西向分布。

图1 阳安二线直通线包湾村隧道平面示意

2 分岔式隧道施工理论分析

隧道开挖破坏了原有围岩应力场的平衡，使围岩应力重新分布；相邻或邻近隧道施工也会导致区域内围岩应力重分布；而对于分岔式这种中心线不断变化，支护结构受力状态十分复杂的隧道，更要注意不同断面、不同轴线方向和相同轴线、不同断面隧道施工的影响。

为研究分岔式隧道的相互影响，通过选择典型空间相对位置，将施工扰动看作是无限连续岩体中2座隧道受到无穷远处的应力作用。针对阳安二线直通线包湾村隧道，利用数值模拟得到隧道周边及中夹岩墙应力集中系数变化曲线，如图2所示。

图2 不同空间相对位置下隧道应力集中系数

由图2可知，随着2座条隧道之间距离的增加，隧道外侧围岩的应力集中系数减小。当两隧道之间的距离D>4m时，两座隧道周围的应力值大致等于单座隧道的围岩应力值，这就表明后修隧道对先修隧道在距离足够远的情况下不会产生显著影响。

3 不同开挖方法分岔式隧道变形规律分析

3.1 三维模型建立

为了真实模拟分岔式隧道施工相互影响的过程，采用有限元软件MIDAS/NX对其建立三维模型，以分析施工过程中的相互影响和支护结构的变形规律，并做出如下假设。

1)假设材料为均质、连续、各向同性的弹塑性体。

2)使用Mohr-Coulomb屈服准则，支护结构均采用线弹性本构关系。

3)以断面XDK235+220处喇叭口为典型代表，三维模型如图3所示。

图3 隧道喇叭口模型

以阳安二线直通线包湾村实测勘察数据资料为依据，根据规范和实际工程经验，在确保不影响模拟效果的情况下，对模拟材料参数进行适当简化，具体计算参数如表1所示。

表1 材料特性参数

由于在施工过程中不考虑二次衬砌影响，因此在模拟过程中也不考虑二次衬砌影响，依等效刚度法将型钢拱架在初期支护结构中维护围岩稳定性的作用等效到喷射混凝土单元中，以保证模拟过程的精度和准确性，其等效计算依据如下:

(1)

式中:E1为折算后初期支护体系的弹性模量；Ec为喷射混凝土材料的弹性模量；As为型钢拱架截面面积；Es为型钢拱架的弹性模量，其值为210GPa;Ac为初期支护结构的截面面积。

3.2 三维隧道开挖模拟

以断面XDK235+220为例，拟定施工开挖方法为全断面开挖法、二台阶开挖法、三台阶开挖法。在施工阶段对3种开挖方法分别进行了数值模拟，分析其相应的变形规律，并与实际施工过程的监测数据和变形特征作对比研究。

3.2.1洞室周边围岩变形分析

隧道在3种开挖方法下，全部开挖支护完成后，断面XDK235+220围岩竖向变形情况如图4所示。

图4 断面XDK235+220围岩竖向位移云图

1)本喇叭口隧道属深埋隧道，围岩形成自然拱，围岩变形量及其影响在一定控制范围内。

2)采用全断面开挖法，围岩最大沉降变形出现在拱顶位置，为1.04mm，最大隆起出现在仰拱中间位置，为1.13mm；采用二台阶开挖法，最大沉降变形出现在拱顶位置，为1.03mm，最大隆起出现在仰拱中间位置，为1.11mm; 采用三台阶开挖法，围岩最大沉降变形出现在拱顶位置，为1.02mm，最大隆起出现在仰拱中间位置，为1.11mm。

3)根据上述关键指标极值比较得出，对于断面XDK235+220，三台阶开挖法对围岩总变形的影响较小。

3.2.2支护结构位移影响

对典型断面XDK235+220支护结构变形过程进行横纵向对比分析。3种开挖方法下，断面XDK235+220支护结构位移随开挖过程变化情况如图5所示。

图5 断面XDK235+220支护结构位移随开挖步序变化

1)3种开挖方法对断面XDK235+220拱顶沉降影响较大，全断面开挖和二台阶开挖的拱顶沉降早于三台阶开挖法发生，且全断面开挖和二台阶开挖的最终累计拱顶沉降值大于三台阶开挖的最终累计拱顶沉降值；可以看出，全断面开挖和二台阶开挖的沉降速率较三台阶开挖法的沉降速率大，不利于隧道支护和施工安全。

2)对于净空收敛指标，不同开挖方法下，全断面开挖和二台阶开挖的净空收敛位移早于三台阶开挖发生，且全断面开挖和二台阶开挖的最终累积收敛值大于三台阶开挖的最终累积收敛值；可以看出，全断面开挖和二台阶开挖的收敛速率较三台阶开挖的收敛速率大，不利于结构的安全性和耐久性。

3)从支护结构变形控制角度，三台阶开挖更加适合本区间隧道施工。

3.2.3衬砌受力分析

根据衬砌结构的最大主应力，分析在不同开挖方法下隧道结构的稳定性。隧道开挖完成后，典型断面XDK235 +220支护结构的最大主应力分布如图6所示。

图6 断面XDK235+220支护结构最大主应力云图

1)该衬砌结构最大主应力大部分为正，呈现为拉应力，原因是洞室受到多次开挖扰动，稳定性变差，且最大值出现最多的地方在拱顶和仰拱位置。

2)3种开挖方法下，隧道最大主应力数值相差不大。

3)全断面开挖最大主应力在拱脚位置出现负值，且在仰拱处出现一定程度的拉应力集中现象；二台阶开挖和三台阶开挖最大主应力在整个支护结构上均为正值，且无应力集中现象，但二台阶开挖在整个支护结构上的最大主应力值比三台阶开挖在整个支护结构上的最大主应力值大25%左右。

4)根据上述关键指标极值比较得出:对于断面XDK235+220，采用三台阶开挖法明显优于二台阶开挖法和全断面开挖法。

3.3 不同开挖方法下分岔式隧道受力及变形规律

通过对3种开挖方法下断面XDK235+220支护结构位移、受力及围岩变形情况的对比分析，得出如下规律。

1)本喇叭口隧道属于深埋隧道，围岩形成自然拱，围岩变形量及其影响在一定控制范围内。

2)根据周边围岩总位移极值比较得出，对于典型断面，三台阶开挖法对围岩总变形的影响较小。

3)从支护结构变形控制角度分析，右线的变形控制指标比左线的变形控制指标小，说明后修建隧道施工也对相邻隧道已支护结构产生影响。

4)从支护结构受力和变形控制及支护结构安全角度考虑，断面XDK235+220处喇叭口工程采用三台阶开挖法施工最佳。

4 工程施工重难点

1)反向扩挖法 在断面K235+220处喇叭口，首先通过超短台阶法施工单线隧道，接着从断面K235+220处按10%的上坡开始向大跨段挑顶施工，最终在断面K235+190处扩挖至设计断面。从断面K235+190处开始进行反向扩挖，将挑顶段反向扩挖至大跨设计断面，由单线隧洞中线逐渐过渡到大跨隧洞中线。采取反向扩挖法可避免由于小净距隧道两侧同时施工主洞相互影响而引起的围岩较大变形，保证了围岩在施工过程中的稳定性。

2)分岔式隧道富水段施工 隧道围岩富水是该工程施工的难点，导致分岔式隧道施工洞室的转换更加复杂，且对分岔式隧道的支护体系提出更高要求，隧道内外的防排水措施及施工过程中的降水措施，确保了隧道施工过程中的安全性和隧道结构的稳定性。

3)控制爆破 由于分岔式隧道左、右洞间距较小，控制爆破是该工程施工的重中之重，针对该特点，施工中对小净距段和连拱段采取左、右洞交错爆破，并在过程中保持一定距离，这样既能保证爆破效果，又能减弱爆破时带来的振动影响。

4)分岔式隧道联合通风 由于分岔式隧道结构特殊，隧道通风是该工程的又一施工重点。本工程分岔式隧道通风采用左右洞、斜井和横通道各洞室通风相结合，通过通风需求量和风压的计算及对有害气体浓度进行详细理论分析，综合比对，可确定适当的通风方法，这样既能最大限度地保证通风效果，又能减少不必要的通风设备，以免造成浪费。

5 结语

1)后建隧道施工导致先建隧道周边围岩应力重分布，左线隧道外侧围岩应力集中系数与右线隧道外侧围岩应力集中系数相比略大，且随着两隧道间距的增加，左、右线围岩应力集中系数减小。

2)3种开挖方法对断面XDK235+220拱顶沉降影响较大，全断面开挖和二台阶开挖的拱顶沉降早于三台阶开挖发生，沉降速率较三台阶开挖的沉降速率大；全断面开挖和二台阶开挖的净空收敛位移早于三台阶开挖发生，收敛速率较三台阶开挖的收敛速率大。根据周边围岩总位移极值比较得出，对于典型断面，三台阶开挖法对围岩总变形影响较小, 从支护结构受力和变形控制及支护结构安全角度考虑，断面XDK235+220处喇叭口工程采用三台阶开挖法施工最佳。

3)反向扩挖法可避免由于小净距隧道两侧同时施工主洞相互影响而引起的围岩较大变形；采用左右洞、斜井和横通道各洞室联合通风，有效解决了分岔式隧道的通风问题，可为类似工程提供参考。