左右线分岔四洞隧道施工力学特性三维分析

安永林，李佳豪，雷明锋，周进，谭格宇，刘文娟

(1.湖南科技大学 土木工程学院，湖南 湘潭 411201；2.中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075；3.湖南科技大学 材料科学与工程学院，湖南 湘潭 411201)

1 工程概况及模型建立

1.1 工程概况

某隧道小净距段里程为A匝道AK0+233～AK0+271(长L=38m)、B匝道BK0+299～BK0+357(长L=58 m)、右 线YK1+099～YK1+134(长L=35m)、左线ZK1+038～ZK1+107(长L=69 m)；极小净距里程为A匝道AK0+271～AK0+305(长L=34 m)、B匝道BK0+244～BK0+299(长L=55 m)、右线YK1+134～YK1+166(长L=32m)、左线ZK1+107～ZK1+155(长L=48m)。其中A匝道与右线2车道隧道极小净距交界处两洞净距为3.55m；B匝道与左线2车道极小净距交界处两洞净距为5.23m。具体位置关系如图1(a)所示。图1(b)给出了范围内右主线地质情况。

图1 交叉段平面示意与右主线洞口段地质纵断面Fig.1 Schematic diagram of the cross section and geological profile of rightmain line

1.2 模型建立

模拟过程为先开挖右线，后开挖左线，两边开挖过程均为从匝道正向开挖至大跨段，然后开挖大跨段半导坑至模型反面，随后反向开挖大跨段另一半导坑至主线两车道隧道，随后开挖至模型正面，隧道开挖完毕。

本文采用大型有限元软件进行建模分析，数值模型如图2所示，围岩为中～微风化花岗岩，围岩级别Ⅲ级，采用Mohr-Coulomb屈服准则，锚杆区域以增大围岩弹性模量及黏聚力等参数进行等效代替，增大围岩弹性模量及黏聚力10%为锚杆区域参数，采用实体单元模拟支护结构，各结构材料参数见表1。对土体模型下部边界的X，Y和Z方向进行约束，对左右边界的X方向进行约束，对前后边界的Y方向进行约束。

表1 围岩与支护力学参数Table 1 Mechanicalparametersof rock and supports

图2 数值仿真模型Fig.2 Numerical simulationmodel

2 数值模拟结果分析

2.1 围岩位移分析

2.1.1 拱顶最大竖向位移

隧道开挖后，周边围岩产生位移，将模型匝道、大跨段与主线两车道隧道的开挖分别视为一个开挖阶段，在每个阶段内，随着隧道的开挖，围岩变形是渐变的，当不同阶段开挖时，由于隧道断面的变化，围岩位移变化规律也有所不同。

各阶段开挖后各个部分拱顶最大竖向位移如表2所示：右线分岔段开挖完毕后，A匝道、右线主线2车道隧道和右线大跨段拱顶最大竖向位移分别为7.3，7.9和10.5 mm；当B匝道开挖完毕后，B匝道拱顶最大竖向位移5.2mm，此过程对右线隧道几乎无影响，右线各处拱顶竖向位移无明显变化；之后当分别开挖左线大跨段左、右导坑和左线两车道隧道时，右线A匝道、右线主线两车道隧道和右线大跨段拱顶最大竖向位移都会增大。后开挖部分使已开挖部分竖向位移变大，而后开挖左线隧道使右线隧道拱顶竖向位移增大1～1.5mm，对大跨段影响最大。

表2 各阶段开挖后各个部分拱顶最大竖向位移Table 2 Maximum verticaldisplacementof arch crown mm

2.1.2 地表沉降

“黄色”，主要指黄豆，包括各类豆制品，还有黄色的水果和蔬菜以及蛋类，如黄豆芽、金针菜、柿子、柑橘、南瓜、生姜、花生油等；

由于下方隧道的开挖，会对地表产生一定的影响，所以还应研究地表沉降的变化，地表沉降曲线示意图如图3所示(各测线类似，为节省篇幅，只给了C测线；及各测线最终位移对比)。

图3 地表沉降曲线Fig.3 Surface settlementcurves

整体上，地表沉降随着隧道开挖逐步增大；右线隧道开挖时，右线隧道上方地表沉降逐渐增大，在大跨段隧道开挖后，地表沉降会有一个较大的增长，随后继续增大，在开挖左线隧道时，地表沉降最大值逐渐增大，同样在左线大跨段开挖完毕后，其值会有较大增长，且其位置逐渐向模型中轴线靠近，最终地表沉降最大值在模型中轴线处，即左右线隧道的中间位置。总体上由A至D线地表沉降最大值逐渐增大，即地表沉降由小净距段至大跨段逐渐增大。

2.2 围岩应力分析

各阶段开挖完毕后，最大及最小主应力值如表3所示：随着开挖的进行，左线隧道最大和最小主应力逐渐增大；并且左线隧道开挖会对右线隧道最大和最小主应力产生影响，最大主应力逐渐增大，而最小主应力呈现先减小后增大的趋势；开挖完毕后，两隧道周边围岩主应力值相差不大。

表3 各阶段开挖完毕后最大及最小主应力值Table 3 Maximum andm inimum principalstress values

2.3 支护结构稳定性分析

特征线示意图如图4所示。其中，符号第1个字母表示右线隧道y，左线隧道z；第2个字母表示大跨段d，主线2车道隧道l，匝道隧道z；第3个字母表示拱顶与仰拱s和x，左右拱腰z和y。

图4 初期支护特征线示意Fig.4 Schematic diagram of the analytical line

提取左、右线隧道拱顶及仰拱特征线的位移及主应力大小，各隧道拱顶及仰拱主应力及位移对比如图5所示：各隧道拱顶的竖向位移值与主应力值大于仰拱处的位移与主应力值，仅在个别位置会有偏差，因此，要对拱顶位置进行监控量测，防止失稳。现场大跨段拱顶沉降监测最大值约11mm(图5(c))，与数值模拟结果接近。从整体来看，左右线隧道拱顶及仰拱相对应位置特征线上的位移及应力变化趋势基本一致，其值大小较为接近，但左线隧道的位移及应力值普遍较右线隧道大；不同的是，大跨段拱顶主应力要小于仰拱处的主应力，且右线隧道的仰拱主应力要大于左线隧道的仰拱主应力。

图5 各隧道拱顶及仰拱主应力及、位移对比Fig.5 Comparison of principalstressesand displacements

2.4 过渡段支护稳定性分析

2.4.1 过渡段位移

隧道分岔段模型由小净距段至过渡段到大跨段，过渡段支护结构起到保护和缓冲围岩应力应变变化的作用，过渡段支护结构位移云图如图6所示：支护结构水平方向的位移在中间支撑部位较大，左右线均为从主线两车道向匝道方向变形，最大变形为4.9mm，位于左线隧道的主线2车道断面侧边；过渡段支护结构在匝道断面侧边向小净距一侧变形，而在主线2车道断面周围向大跨段一侧变形，最大纵向变形为3.1mm，位于左线主线2车道断面上方且靠近大跨段的一侧；支护结构呈现常规的拱顶向下变形，仰拱向上变形，最大位移为9.5mm，位于左线的拱顶位置。

图6 过渡段支护结构位移云图Fig.6 Displacementcloud diagram of supporting structure

2.4.2 过渡段主应力

过渡段支护结构最大与最小主应力云图如图7所示：左右线隧道拱顶位置最大主应力较大处位于各自隧道匝道上方的拱肩处，而其最大主应力最大正值为9.7 MPa，位于左线隧道仰拱中间位置；支护结构在两隧道之间的部分应力较为集中，同时在左右线各自隧道的匝道边主应力值更大，其最小主应力最大负值为28.3 MPa，位于左线隧道的中间位置。综上所述，过渡段支护结构整体受压，其中中间支护部位应力集中较大，在设计施工中应予以重点关注与监测。

图7 过渡段支护结构主应力云图Fig.7 Principalstress cloud diagram of supporting structure

2.4.3 过渡段大跨段端面位移和主应力

过渡段支护结构起到支撑围岩的作用，在小净距一端紧贴围岩，在大跨段一端支护结构临空，右线过渡段大跨段端面位移与主应力等值线图如图8所示：该端面越靠近外轮廓的地方，其最大主应力越大，其中在拱顶、拱肩及仰拱处主应力值较大，同时左半边相较于右半边其值更大。该端面的中间支撑柱的最小主应力值最大，起到明显的支撑作用，且匝道侧的应力集中现象更明显。该端面仅在匝道断面左上方部位位移值为正，其位移方向向右，而其他大部分区域位移方向向左，最大水平位移位于主线2车道断面侧，其值为4mm左右。该端面大部分区域位移值为负，向大跨段方向变形，仅在匝道断面左上方部分区域向小净距段方向变形，最大纵向位移位于主线2车道断面上方，其值为1.5mm。该端面上部向下位移，下部向上变形，最大正向位移为9mm左右，位于拱顶位置。综上所述，从主应力方面看，过渡段支护结构主要受压，在中间支撑位置应力集中，仅在拱顶、拱肩及仰拱外轮廓处受拉；从位移来看，在水平方向上，过渡段支护结构向匝道方向倾斜，在纵向上，向大跨段方向倾斜，在竖向上，上部向下变形，下部向上变形。因此在设计施工时需要注意，在必要时进行不对称支护，施工过程中要加强支护，变形过大时注意加强，以防止失稳。

图8 右线过渡段大跨段端面位移与主应力等值线Fig.8 Contourof displacementand principalstress

2.4.4 过渡段特征线位移和主应力

过渡段支护结构在小净距一端与围岩贴合，起到保护围岩的作用，而在大跨段一端是临空的，在该断面中间位置作特征线，特征线最大及最小主应力曲线图如图9所示，特征线位移曲线图如图10所示。

图9 特征线最大及最小主应力曲线Fig.9 Curvesofmaximum andm inimum principalstress

图10 特征线位移曲线Fig.10 Characteristic line displacementcurves

从图10中可以看出，2条特征线的最大与最小主应力大致相等，最小主应力在最下部较大，随着高度上升其值减小，在中间较窄位置其值增大，随后逐渐减小，达到一定程度后又逐渐增大，而最大主应力则在最低点及最高点值较大，在中间位置应力值接近于零；而从位移曲线图可以看出，左右线隧道位移变化趋势大致相同，其中水平位移在右线特征线总体为负值，其方向为主线2车道断面向匝道断面，左线特征线则正好相反；水平位移与纵向位移均为左线特征线值较大，而竖向位移则不同，在下方向上变形的位置左线特征线位移较大，而上方向下变形的位置为右线特征线位移较大。

2.4.5 过渡段各部位位移和主应力

过渡段外侧拱顶、仰拱及左右拱腰处纵向特征线的位移及主应力曲线分别如图11和12所示。

图11 拱顶与仰拱位移与主应力曲线Fig.11 Vaultand invertdisplacementand principalstress curves

从图11中可以看出，左右线隧道对应位置的特征线的位移与主应力曲线图变化趋势基本一致，从水平位移来看，右线与左线变化趋势一致，但正负相反，右线拱顶与仰拱处水平位移均向右，即向匝道断面方向，同样左线水平位移向左，由主线2车道断面向匝道断面方向，从数值来看，右线略大；从纵向位移来看，左右线均向大跨段方向变形，而左线隧道位移变形较大；从竖向位移来看，在拱顶及仰拱位置的竖向位移较水平与纵向位移大，拱顶处大沉降为7.4mm，仰拱处最大隆起为5.4mm，均位于靠近大跨段的一端；从最大与最小主应力曲线图来看，最大主应力最大值在左线仰拱处，其值为9.6MPa，最小主应力最大值同样位于左线仰拱处，其值为16.0MPa，左右线上最大与最小主应力值均为沿正向逐渐增大，在大跨段端达到最大，因此可以说过渡段支护结构起到支撑保护过渡段围岩的作用。

从图12可以看出，左右支护结构沿中轴线对称的相应位置的位移与主应力变化趋势基本一致，从水平位移来看，左线位移方向向左，而右线位移向右，左右线拱腰水平位移均向外侧变形，在数值上，右线右拱腰位移较左线左拱腰大，左线右拱腰位移较右线左拱腰大；从纵向位移来看，左右线匝道侧拱腰向小净距段变形，而主线2车道侧拱腰向大跨段变形，这与上文判断结果一致，且均为右线位移较大；从竖向位移来看，左右拱腰均为右线支护结构位移较大；从最大与最小主应力来看，各拱腰线均呈波浪形变化，左右线内侧拱腰处最大与最小主应力值整体稳定，而外侧拱腰处，即右线右拱腰与左线左拱腰处，最大与最小主应力值沿正向变大，最大主应力最大值处位于左线右拱腰处，其值为1.6MPa，而最小主应力最大值位于左线左拱腰处，其值为9.5MPa。

图12 左右拱腰位移与主应力曲线Fig.12 Leftand rightarch waistdisplacementand principalstress

3 结论

1)左右线两隧道在开挖过程中，其变化规律基本一致，后开挖部分使已开挖部分竖向位移变大，而后开挖左线隧道使右线隧道拱顶竖向位移增大1～1.5mm，对大跨段影响最大，纵向方向上，隧道上方围岩竖向位移由进口端至出口端逐渐增大，且左右线隧道相互影响逐渐变大，但从竖向位移来看，影响较小，可看作2个独立隧道，地表沉降由小净距段至大跨段逐渐增大。

2)左线隧道的开挖，使右线隧道周边围岩主应力变大，其变化范围在0.5～1MPa，同时隧道开挖完毕后，两隧道周边围岩主应力值相差不大。

3)左右线隧道塑性应变规律及塑性区分布基本一致，同时左线隧道的开挖对右线隧道塑性变形几乎没有影响，从围岩塑性变化来看，两隧道可看作独立隧道。

4)对于支护结构，初期支护的拱顶及仰拱处受拉，在拱腰处受压。左右线隧道拱腰、拱顶及仰拱相对应位置特征线上的位移及应力变化趋势基本一致，其值大小较为接近，但左线隧道的位移及应力值普遍较右线隧道大。

5)对于过渡段，从主应力方面看，过渡段支护结构主要受压，在中间支撑位置应力集中，仅在拱顶、拱肩及仰拱外轮廓处受拉；从位移来看，在水平方向上，过渡段支护结构向匝道方向倾斜，在纵向上，向大跨段方向倾斜，在竖向上，上部向下变形，下部向上变形。因此在设计施工时需要注意，在必要时进行不对称支护，施工过程中要加强支护，变形过大时注意加强，以防止失稳。