特大断面分岔隧道结构设计分析

王 刚

(广西交科集团有限公司，广西 南宁 530007)

0 引言

随着城市不断发展、地下空间逐步开发利用，建设地下互通式立交成为缓解城市拥堵的有效方案之一。地下互通式立交工程具备环境影响小、占地少等优点，是城市可持续发展的方向。在国内的厦门机场路工程、胶州湾海底隧道、长沙营盘路湘江隧道等工程中均采用了类似地下互通式立交[1-2]。建设地下互通式立交工程用以分合流交通，必然面临分岔隧道结构断面大、受力复杂、断面形式变化多、施工工序繁杂等技术难题，其在围岩、结构受力及施工力学特点等方面与常规断面隧道有较明显的区别[3-5]。分岔隧道由常规隧道断面过渡到两个分离式隧道断面，一般由特大断面隧道段、连拱隧道段和小净距隧道段组成。而特大断面隧道渐变的形式、结构方案，成为分岔隧道设计、施工是否安全可靠的关键因素。本文结合某项目的分岔隧道，对分岔隧道过渡方式的优、缺点进行论证，采用数值方法比较分析不同支护结构方案的力学特性，对该工程的设计关键技术进行探讨，以期为后续相似工程提供参考。

1 工程概况

某项目主线隧道起点为隧道一期工程DK0+520，主线隧道长1 370 m；匝道隧道从主线隧道DK1+172处分流，匝道隧道长232.883 m。隧道沿线地貌单元属残积台地-丘陵山地，山坡起伏较大，隧道分岔段穿越地层主要为强-中风化凝灰岩，裂隙发育，岩体较破碎，开挖后有少量孔隙水、裂隙水渗出，围岩等级为Ⅳ级。

2 分岔段隧道结构

2.1 分岔隧道结构平面过渡形式

按线形、行车需求，地下互通交通分流应设置一段减速车道，以便满足线形顺畅及行车安全要求，从而出现隧道横断面的变化，即通过改变隧道跨度以适应车道渐变。主线隧道与匝道隧道平交口分岔部结构过渡方式有一次性突变式过渡、喇叭形过渡及分段逐步扩大过渡等三种过渡方式。三种过渡方式特性对比分析如表1所示。

表1 三种过渡方式特性对比表

根据三种过渡方式特性比选分析，设计过程综合考虑经济性、工程复杂性，推荐采用分段逐步扩大过渡方式，将该段隧道分为三个不同的分岔过渡断面(如图1所示)，隧道开挖断面跨度范围为16～22.6 m，既保证工程经济性和结构断面利用率，又解决了隧道渐变断面衬砌结构施工难度大的问题。

图1 分岔段隧道平面图

2.2 特大断面分岔隧道结构设计的特点、难点

本隧道最大断面为分岔三段，属Ⅳ级围岩地段，隧道最大开挖宽度达到22.6 m，大于常规四车道隧道断面的宽度，其矢跨比为0.47(不计仰拱)，扁平率较小。特大断面分岔隧道具有尺寸效应、围岩缺陷效应及应力重分布影响扩大的特点。在相同的地层条件中，随着隧道的断面尺寸增大，开挖后的变形规律虽仍是相似的，但隧道断面与不利构造交叉、切割的概率也增大(如图2所示)。特大断面分岔隧道开挖后形成更大的临空面，不稳定块体范围显著增加，围岩缺陷直接影响洞室的稳定。岩体力学理论分析表明，隧道开挖支护影响范围约为3～5倍开挖跨度，特大断面分岔隧道其承载圈范围内不良地质、不稳定构造的概率增大。一般处理大跨隧道尺寸效应的影响有两种解决思路，一种是改变围岩级别，另一种是改变结构支护方案。从工程实际出发，大多采用改变隧道支护方案的模式，即在同一围岩等级条件下，因洞室跨度的不同，会有不同支护结构方案，并根据地质条件结合特大断面分岔隧道结构设计的特点、难点对支护方案进行探讨研究。

图2 隧道断面尺寸效应影响示意图

2.3 特大断面分岔隧道结构支护类型

参考规范及相关文献，一般单洞四车道隧道开挖跨度B>18m，属于特大跨断面隧道[6-7]，其衬砌支护多采用复合式衬砌结构。衬砌分两次或三次施作；Ⅱ级与Ⅲ级围岩宜采用二次支护方案；Ⅳ级与Ⅴ级可采用三次支护方案。本项目特大断面分岔隧道跨度B=22.6m，且属较差的Ⅳ级围岩地层，加之城市隧道周边环境复杂，沉降变形、爆破安全要求高，拟采用三层支护结构，其结构方案细分为以下两种：方案一是两层初期支护+单层模筑钢筋混凝土结构；方案二是单层初期支护+两层模筑钢筋混凝土结构。以上两种结构方案各有优缺点，具体如下：

方案一优点：二次支护采用喷射混凝土初期支护，能够及时对一次支护进行补强、单层支护暴露时间短、早期强度高，施工方便、灵活，不受双侧壁导坑法临时支护结构限制。其缺点是二次支护结构采用喷射混凝土结构密实性较差，运营期喷射混凝土结构侵蚀后，材料性能下降，模筑衬砌结构作为主要承载结构。

方案二优点：二次、三次支护结构采用模注钢筋(格栅)混凝土，具有整体密实性好、后期强度高的特点。其缺点是二次衬砌作为对初期支护的补强，由于受到双侧壁导坑法临时支护结构的影响，无法一次成型，需采用临时模板分步实施浇筑，步序繁琐，整体性差，围岩及初期支护暴露时间长，模筑混凝土初期强度较低，无法及时发挥补强作用，安全风险较大。

综合以上优缺点分析，特大断面分岔隧道推荐采用两层初期支护+单层模筑钢筋混凝土的复合式衬砌结构方案，该设计方案施工方便灵活、围岩支护及时，更有利于合理发挥围岩自稳能力。

3 特大断面分岔隧道结构支护类型数值对比分析

针对以上两种不同支护结构方案采用有限元方法进行数值对比，分析隧道开挖支护过程，着重研究开挖支护过程围岩及支护结构的力学特征、位移等，以及长期荷载状况下初期支护材料性能下降后衬砌结构的受力状态。

3.1 数值分析方法及理论

隧道数值分析一般主要有荷载结构法、地层结构法两种分析计算模型。采用荷载结构法分析时，荷载的确定方法是基于塌落拱统计的经验公式，以支护结构为承载主体，围岩为荷载，同时考虑地层围岩的约束，具有概念清晰、荷载明确等优点。但是对于特大断面分岔隧道，仍按经验公式塌落拱理论计算荷载，显然设计所得的支护结构经济性欠合理，在地质较差的围岩地层与工程实际相差甚远。地层结构法是一种连续介质力学方法，考虑了围岩的自承能力，围岩作为连续介质既传递荷载又提供支承作用，能反映围岩初设应力、开挖和支护对围岩及支护结构力学特征的影响等。因此，本文采用地层结构法按平面应变模型进行分析。

3.2 数值分析模型及材料参数

根据岩石力学原理，分析围岩选用三倍或以上洞径范围作为数值分析的模型范围，隧道左右水平约束，下部垂直约束，采用PLANE42平面单元模拟围岩，BEAM3单元模拟隧道初期支护结构，Link1单元模拟隧道锚杆，通过单元的生死技术模拟开挖和支护的过程。围岩本构关系采用Drucker-Prager模型，其屈服准则与Mahr-coulomb准则近似，用以修正VonMises屈服准则，屈服强度随侧限应力的增加而相应增加，假定为理想弹塑性。围岩及支护结构物理力学参数如表2所示。

表2 数值分析结构和材料参数表

两种结构模型及单元划分具体如图3和图4所示。

图3 两层初期支护+单层模筑钢筋混凝土结构模型图

图4 单层初期支护+两层模筑钢筋混凝土结构模型图

特大断面分岔隧道在围岩构造的影响下，其开挖后的稳定性与施工工法息息相关。有限元模拟分析隧道开挖支护过程采用双侧壁导坑法工法，即先开挖两侧导洞，利用中间岩柱对拱部的支撑，有效减小临空面的跨度。其荷载步序如下：(1)初始地应力计算；(2)围岩开挖；(3)第一层(单层)初期支护结构施工；(4)临时支护结构拆除；(5)第二层初期支护(模筑钢筋混凝土)结构施工；(6)钢筋混凝土衬砌结构施工；(7)初期支护结构材料劣化，钢筋混凝土衬砌结构作为主要承载结构。

3.3 数值分析计算成果

如表3所示，随着开挖、支护的进行，地层应力逐步释放，锚杆轴力逐步增加，锚杆轴力最大值均小于其抗拔力，径向锚固效果明显。支护衬砌结构应力逐步增加，主要以受压为主，拉应力很小，极值满足承载力要求，混凝土未发生压溃或受拉破坏。支护结构有效约束了周边围岩的变形。隧道开挖过程中，拱顶地层沉降逐步增加，最终沉降值均在9mm以内，侧墙收敛值较小。开挖后围岩应力重分布，围岩应力值均较小，塑性区分布于边墙两侧约0.5m范围，不显著，满足支护结构及围岩稳定性要求。

表3 数值分析计算成果对比表

对两种结构支护方案进行深入比较分析，方案一的锚杆轴力、拱顶沉降位移值均小于方案二。从支护结构σ3应力变化看，方案二在荷载步(4)，单层初期支护便承担较大荷载，存在突变情况，之后变化幅度不大；方案一支护结构σ3应力在各荷载步稳步增加，说明支护结构发挥承载力更为及时，可合理发挥围岩自稳能力，松弛有度，避免支护结构出现较大的应力变化。两种支护方案最后总变形量相差不大，方案一开挖支护过程中围岩变形发展过程较为平顺，而方案二存在一定的突变。通过数值比较分析结果，从围岩支护结构协同变形考虑，方案一更有利于支护结构合理发挥承载力，避免应力集中局部失稳破坏，有效利用围岩的自稳能力，体现柔性支护，协同变形共同承载，因此方案一优于方案二。

4 结语

本文通过结合某分岔隧道工程案例，对分岔隧道三种过渡方式进行比较分析，从断面变化方式、结构断面利用率、施工难度、工程经济性等方面综合考虑，平面结构布置推荐采用分段逐步扩大过渡方式。特大断面分岔隧道开挖断面大、矢跨比小，扁平率低，在Ⅳ级围岩段落受不良地质构造切割影响大、稳定性差。本文通过论证分析推荐采用两层初期支护+单层模筑钢筋混凝土的复合式衬砌结构方案。该方案施工便利、围岩支护及时，柔性支护、协同变形，更有利于发挥围岩自稳能力，应力应变演变历程平顺、无突变，满足稳定性要求，确保了工程的安全、顺利建成。当前该项目已建成通车，运营状况良好，采用的设计方案合理可行，可为今后城市地下立交类似工程提供借鉴和参考。