不同净距下浅埋分岔隧道力学行为研究

邢渝遥 谢义正

(重庆交通大学， 重庆 400074)

近年来，为缓解地面交通拥堵，地下互交隧道建设应运而生。地下隧道常常设计成分岔形式，分岔隧道过渡段由不同断面形式组合而成，如小净距与大跨的过渡、连拱与大跨的过渡以及连拱与小净距的过渡等。然而，考虑到隧道在变截面处极易产生应力集中，可能导致围岩变形严重，分岔隧道过渡段的设计与施工是隧道建设的重难点之一[1-3]。

目前国内对分岔隧道的研究主要集中于施工方面，如对分岔隧道反向扩挖法[4]、三台阶临时仰拱法[5-6]、无中导洞施工工法[7]等不同施工方法进行研究分析。此外，在分岔隧道施工力学行为方面的研究也不少，如张俊儒[8]等利用“以索代撑”的思想，并结合围岩强度高的特点，提出主动支护的钢架岩墙组合支撑法并对其进行工法优化。安永林[9]等揭示了左右线分岔四洞隧道依次施工的相互影响规律，提出在设计施工时应注意加强过渡段的支护。张富鹏[10]等对比分析反向扩挖法和传统中隔墙法对分岔隧道的影响，证明两种工法均能保证隧道施工安全，但反向扩挖法更优。叶伦[11]对分岔隧道施工力学特性的研究分析中，对支护手段提出优化建议。

综上所述，目前国内对分岔隧道的研究已经较为深入，不少专家学者都得出了相对完整的成果结论，但在分岔隧道净距方面的研究还存在一些不足。因此，文章依托嘉滨路连接道分岔隧道，开展不同净距对分岔隧道影响研究，对隧道围岩位移以及初支应力状态进行分析。

1 工程概况

1.1 工程地质条件

重庆环道三期工程嘉滨路连接道分岔隧道过渡段里程为K 0+008.000～K 0+048.000，位于重庆市渝中区解放碑。该工程旨在缓解市中心地区地面交通拥堵情况，提高地下互交系统的利用率和周转率，综合改善市中心交通拥堵的状况。分岔隧道小净距段最大埋深18.1 m，隧道净宽9 m，净高7.4 m；大跨段最大埋深12.6 m，隧道净宽23 m，净高13.232 m。

经现场地质勘测后得，嘉滨路连接道原始地形地貌属于构造剥蚀浅丘地貌，位于解放碑向斜西翼，岩层走向与分岔隧道K 0+008～K 0+048m段走向斜交角度小(为40°～44°)。该段隧道所处范围内地下水贫乏，水文地质条件简单。分岔隧道上覆土层厚约0.5～2 m，主要是杂填土，在场地大部分范围均有分布，下伏侏罗系中统沙溪庙组中厚层砂岩、泥岩。隧道围岩级别为Ⅳ级，岩体整体强度较高。

1.2 分岔隧道开挖方法

分岔隧道过渡段由小净距隧道和大断面隧道连接而成，小净距隧道采用全断面法开挖，先开挖左洞后开挖右洞；大断面隧道采用双侧壁导坑法开挖，施工顺序如图1所示，开挖进尺均为1 m。

1.左侧壁导坑上台阶开挖；2.左侧壁导坑上台阶初期支护施作；3.左侧壁导坑下台阶开挖；4.左侧壁导坑下台阶初期支护施作；5.右侧壁导坑上台阶开挖；6.右侧壁导坑上台阶初期支护施作；7.右侧壁导坑下台阶开挖；8.右侧壁导坑下台阶初期支护施作；9.中夹岩上台阶开挖；10.中夹岩上台阶初期支护施作；11.中夹岩中部开挖；12.中夹岩下台阶开挖；13.中间下台阶初期支护施作；14.隧道二衬施作

1.3 分岔隧道初期支护参数

小净距段左右洞初支参数：采用φ25 mm的砂浆锚杆，长3.5 m，间距1 m×0.8 m，梅花形布置；喷射混凝土采用厚270 mm的C30混凝土；钢架采用I20b型钢，纵向间距0.8 m；钢筋网采用单层φ8 HPB300钢筋。大跨段初支参数：采用R28 mm的中空锚杆，长5 m，间距0.8 m×0.55 m，梅花形布置；喷射混凝土采用厚320 mm的C30混凝土；钢架采用HW250×250 mm型钢，纵向间距0.55 m；钢筋网采用双层φ8HPB300钢筋。

2 数值模拟模型

2.1 假定条件

(1)围岩满足连续、均质和各向同性的弹塑性模型假定。

(2)不考虑地下水影响。

(3)不考虑土体时空效应。

(4)岩土体本构满足M-C屈服准则。

(5)土体开挖不影响土体力学参数。

(6)初期支护为理想弹性材料。

2.2 模型概况

采用MIDAS GTS/NX软件建立不同净距条件下的分岔隧道数值模型，如图2所示。考虑模型边界后尺寸选为140 m×80 m×60 m，隧道参数及岩体条件按照设计图纸设置。模型整体共 61 160 个单元，40 003个节点。模型中隧道的施工步骤为：小净距段左洞→小净距段右洞→大跨段左导坑→大跨段右导坑→大跨段中夹岩。

图2 数值模型概况图

2.3 材料参数

依据现场地质勘测报告及JTG 3370.1-2018《公路隧道设计规范》得出模型中材料的物理力学参数，如表1所示。

表1 材料物理力学参数表

2.4 主要研究内容

参照嘉滨路连接道实际工程情况设计3种不同净距方案：1.5 m净距、2 m净距和3 m净距。采用数值仿真对3种不同净距下的分岔隧道施工分别进行模拟，通过对比分析不同净距下围岩位移及初期支护结构受力，为分岔隧道过渡段建设给出合理化建议。

3 不同净距计算结果分析

选取分岔隧道连接断面(Y=20 m)作为分析的主要对象。

3.1 不同净距对水平收敛的影响

不同净距下过渡段小净距断面和大跨断面的水平收敛随施工步的变化曲线如图3所示。

由图3(a)可知，小净距隧道开挖时，不同净距对连接处断面的水平收敛几乎不产生影响。大跨隧道开挖时，不同净距对水平收敛的影响明显变大。小净距段净距为3 m时对水平收敛的影响最大，净距为 1.5 m 时对水平收敛的影响最小，左洞相差0.2 mm，右洞相差0.17 mm。

图3 分岔隧道不同净距条件下围岩水平收敛的影响图

由图3(b)可知，小净距隧道开挖对不同净距下大跨断面的水平收敛影响很小。大跨隧道开挖时，不同净距对大跨断面的水平收敛影响增大，小净距段净距3 m时水平收敛最大，收敛最大值为1 mm，净距为1.5 m 时水平收敛最小，收敛最大值为0.81 mm。

3.2 不同净距对拱顶沉降的影响

不同净距下小净距断面和大跨断面拱顶围岩竖向位移随施工步变化曲线如图4所示。

由图4(a)可知，不论是小净距隧道开挖，还是大跨隧道开挖，不同净距对连接处小净距隧道的拱顶沉降影响非常小。隧道贯通后，与小净距隧道净距为1.5 m和2 m相比，当净距为3 m时，连接处小净距断面的拱顶沉降略小。

从图4(b)可知，在小净距隧道开挖时，不同净距对连接处大跨断面的拱顶沉降影响极小；当大跨隧道开挖时，净距对大跨断面拱顶沉降的影响逐渐变大。小净距隧道净距为3 m时拱顶沉降最小，最终沉降值为1.52 mm，当净距为1.5 m时，拱顶沉降最大，最终沉降值为1.69 mm。

图4 分岔隧道不同净距条件下围岩拱顶沉降的影响图

3.3 不同净距对拱底隆起的影响

分岔隧道连接处小净距断面及大跨断面拱底的竖向位移随施工步变化曲线图如图5所示。

图5 分岔隧道不同净距条件下围岩拱顶沉降的影响图

从图5(a)可知，不同净距对连接处小净距断面拱底隆起几乎不产生影响，且3种不同净距下左右洞的最终隆起值都约为4.7 mm。

由图5(b)可知，大跨隧道开挖时3种不同净距对大跨断面拱底隆起的影响较大。小净距隧道净距为1.5 m时拱底隆起值最大，为3.61 mm，其次是净距为2 m和3 m，隆起值分别为3.46 mm和3.28 mm。

3.4 不同净距对过渡段初支应力的影响

分岔隧道初期支护应力状态分布较为复杂，应力集中现象主要集中在分岔隧道的连接处，如图6、图7所示(以分岔隧道连接处两端各2 m范围为例)。

图6 连接断面最大主应力云图

图7 连接断面最小主应力云图

由图6、图7可知，隧道开挖完成后，分岔隧道连接段初期支护最大及最小主应力主要集中在连接断面前2 m小净距段左右拱脚处和中夹岩柱内侧左右拱肩处。提取应力集中处的6个观测点初期支护最大及最小主应力如表2、表3所示。

表2 分岔隧道连接处初期支护最大主应力表(MPa)

表3 分岔隧道连接处初期支护最小主应力表(MPa)

由表2、表3可知，隧道开挖完成后分岔隧道连接段初期支护最大主应力最大值发生在中夹岩柱右侧拱肩处，约为11.71 MPa；最小主应力最大值发生在中夹岩柱左侧拱肩处，约为35.49 MPa。此外，隧道净距越大，初期支护的最大及最小主应力越小。

4 监控量测数据对比

选取嘉滨路连接道分岔段监控量测断面对小净距断面(里程为ZK 0+048和YK 0+048处)，将数值模拟中的拱顶竖向位移(净距为3 m时)和实际监控量测结果(净距为1.5 m)进行对比分析，如图8所示。

图8 拱顶沉降监测对比图

由图8可知，数值模拟结果与实际监控量测数据趋势基本吻合，且净距为3 m时数值模拟的拱顶沉降小于实际监控量测的拱顶沉降，这说明适当增大净距会减小围岩的拱顶沉降。

5 结语

通过对重庆市嘉滨路连接道施工全过程的数值模拟，对比分析了不同净距下分岔隧道过渡断面的围岩位移与初支应力状态，得到主要结论如下：

(1)分岔隧道过渡段开挖会对连接处小净距及大跨断面的围岩水平收敛、拱顶及拱底竖直位移产生较大的影响。分岔隧道围岩水平位移最大值发生在大跨段，约为1.01 mm；围岩竖向位移最大值发生在小净距段拱底处，约为4.7 mm。

(2)隧道净距越大，连接断面水平收敛就越大；净距越小，连接断面拱顶及拱底的竖向位移就越大。

(3)隧道贯通后沿隧道方向的初支应力主要集中在连接断面前2 m的小净距隧道拱脚处以及中夹岩左右侧拱肩处。同时，连接断面处会发生应力集中现象，建议在分岔隧道连接处加强支护以及严格监测。

(4)分岔隧道净距越大时，初期支护的最大主应力及最小主应力越小。初支最大主应力最大值发生在中夹岩柱右侧拱肩处，当净距为1.5 m和3 m时，最大值分别为11.71 MPa和7.58 MPa。初支最小主应力最大值发生在中夹岩柱左侧拱肩处，净距为1.5 m和3 m时，其最大值分别为35.49 MPa和29.64 MPa。

(5)数值模拟结果与实际监控量测的拱顶沉降趋势大致吻合，研究具有一定合理性。增加小净距隧道间距至3 m对围岩拱顶沉降有一定的优化。