畢 強(qiáng)，吳金剛

(北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院，北京 100082)

0 引言

隨著我國(guó)高速公路網(wǎng)的不斷發(fā)展，城市地區(qū)對(duì)高等級(jí)地下交通隧道的需求不斷加大，公路隧道與地下交通隧道修建技術(shù)逐漸成為工程領(lǐng)域的研究重點(diǎn)之一［1－2］。長(zhǎng)大隧道、超大斷面隧道及復(fù)雜環(huán)境與特殊地質(zhì)條件下的隧道修建技術(shù)日益成為隧道設(shè)計(jì)與施工技術(shù)的主要研究方向。目前，在公路隧道中，單洞3車道公路隧道已成為較普遍采用的斷面形式，4車道公路隧道的設(shè)計(jì)與施工技術(shù)尚不成熟，國(guó)內(nèi)建成和在建的工程實(shí)例較少。

我國(guó)公路系統(tǒng)從20世紀(jì)80年代開(kāi)始修建大跨度隧道，目前國(guó)內(nèi)已修建的單洞4車道隧道主要有沈大高速公路擴(kuò)建工程韓家?guī)X隧道，長(zhǎng)521 m，最大開(kāi)挖高度21.242m;貴州凱里市市政干線大閣山隧道，長(zhǎng)496 m，最大開(kāi)挖寬度22m;廣州龍頭山隧道，長(zhǎng)1 010 m，開(kāi)挖面積達(dá)230m2，是目前同類隧道中規(guī)模最大的公路隧道。隨著我國(guó)高速公路的快速發(fā)展，大跨度公路隧道已逐漸成為地下工程領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。

目前分岔隧道在國(guó)內(nèi)外建成并投入使用的例子并不多［3－5］，該類工程包含分離段、小凈距段、連拱段和大斷面段，結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，工序轉(zhuǎn)換頻繁，設(shè)計(jì)、施工的綜合難度較大。國(guó)內(nèi)建成與在建的分岔式隧道見(jiàn)表1。

表1 國(guó)內(nèi)主要分岔式隧道Table 1 List of forked tunnels in China

國(guó)內(nèi)不少學(xué)者采用理論分析、模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)等方法研究了分離式隧道、連拱隧道和小凈距隧道的力學(xué)特性。劉偉［6］將分離隧道、小凈距隧道和連拱隧道3種結(jié)構(gòu)形式的一些技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了對(duì)比，國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)大跨徑隧道初期支護(hù)的布設(shè)及優(yōu)化做了大量的研究工作;沈才華等［7］通過(guò)對(duì)斜坡淺埋卵礫石土層地段大跨公路隧道初期支護(hù)的研究，提出隧道卵礫石土層拱頂埋深在26 m左右時(shí)，斷面最合理的初期支護(hù)噴混凝土厚度為22～28cm，該研究成果對(duì)斜坡淺埋大跨徑隧道初期支護(hù)的設(shè)計(jì)具有一定參考價(jià)值;同濟(jì)大學(xué)的曲海峰等［8］以廣州龍頭山單洞4車道隧道為研究背景，通過(guò)對(duì)鋼拱架和鋼格柵2種不同支護(hù)形式的對(duì)比和分析，最終給出2種支護(hù)形式的適用條件和應(yīng)用范圍;鄭俊杰等［9］采用FLAC程序?qū)泿r大斷面隧道不同的錨桿布置方式進(jìn)行研究，對(duì)圍巖應(yīng)力分布、錨桿受力狀態(tài)以及圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行對(duì)比分析，確定出軟巖中大斷面隧道在一定圍巖級(jí)別下的最優(yōu)布錨方案;張社榮等［10］在對(duì)超大型地下洞室的分級(jí)開(kāi)挖和支護(hù)的過(guò)程進(jìn)行模擬后，通過(guò)對(duì)周圍巖體的位移、塑性區(qū)及錨桿應(yīng)力的變化規(guī)律進(jìn)行分析，認(rèn)為在工程造價(jià)固定的情況下，適當(dāng)?shù)臏p小錨桿的長(zhǎng)度，加大錨桿的密度，能夠有效地控制巖體的變形和塑性區(qū)范圍的擴(kuò)大。

盡管前人對(duì)連拱隧道的力學(xué)特性、大跨隧道初期支護(hù)的優(yōu)化做了大量工作，但均未對(duì)大跨分岔式隧道的支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行系統(tǒng)的研究。本文以深圳市東部過(guò)境高速公路蓮塘隧道為工程依托，擬建隧道開(kāi)挖跨度之大、建設(shè)環(huán)境之復(fù)雜、技術(shù)難度之高，均為國(guó)內(nèi)公路隧道建設(shè)前列。開(kāi)展復(fù)雜超大斷面分岔式公路隧道設(shè)計(jì)的技術(shù)研究，將從宏觀上掌握超大斷面分岔式隧道荷載特征、大跨隧道—連拱隧道—小凈距隧道—分離式標(biāo)準(zhǔn)隧道段等多種隧道結(jié)構(gòu)形式的銜接與過(guò)渡時(shí)圍巖穩(wěn)定的基本規(guī)律，從而進(jìn)一步提高支護(hù)措施的可靠性和分岔段隧道施工工法的實(shí)用性。對(duì)于保證結(jié)構(gòu)安全可靠，技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行，確定支護(hù)參數(shù)，優(yōu)化施工方法等方面均具有重要的指導(dǎo)意義。

1 工程背景與特點(diǎn)

1.1 工程概況

深圳東部過(guò)境高速公路位于深圳市東部，向南通過(guò)規(guī)劃一線蓮塘口岸與香港東部通道相銜接，向北與深惠、深汕高速公路相接，通過(guò)深惠、深汕高速公路與位于珠江三角洲東北部的惠州、惠陽(yáng)、汕頭等地銜接，是《珠江三角洲城鎮(zhèn)群協(xié)調(diào)發(fā)展規(guī)劃》中“十三縱”之一的“粵贛高速”的組成部分，見(jiàn)圖1。

圖1 深圳市東部過(guò)境高速公路平面示意圖Fig.1 Plan layout of East Transit Highway in Shenzhen

蓮塘隧道位于蓮塘水廠西南部地段的丘陵地區(qū)。擬建隧道臨近深圳水庫(kù)，位于沙灣河中游，距市中區(qū)約3 km，集水面積 60.5 km2，總庫(kù)容 4 577 萬(wàn) m3，水面面積314 hm2，環(huán)境保護(hù)要求高。隧道全長(zhǎng)約5 km，標(biāo)準(zhǔn)段為雙向8車道，洞內(nèi)將實(shí)現(xiàn)主線隧道、蓮塘口岸連接線隧道及市政連接線隧道的洞內(nèi)分合流，標(biāo)準(zhǔn)段隧道跨度21.0 m，分岔處最大開(kāi)挖跨度26.8 m。該隧道的建設(shè)環(huán)境之復(fù)雜、開(kāi)挖跨度之大在國(guó)內(nèi)公路隧道建設(shè)中極為少見(jiàn)，可借鑒、類比的工程實(shí)例極少，技術(shù)難度較大，在安全、工期、造價(jià)及環(huán)保等方面均存在較高風(fēng)險(xiǎn)。

1.2 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)

隧道穿越地層巖性以石炭系砂巖為主，為測(cè)水組巖層，已經(jīng)輕微變質(zhì)，具變余砂狀結(jié)構(gòu)，局部見(jiàn)片理化現(xiàn)象，新鮮巖石屬堅(jiān)硬巖類?？碧缴疃葍?nèi)按風(fēng)化程度可分為全風(fēng)化砂巖、強(qiáng)風(fēng)化砂巖、中風(fēng)化砂巖、微風(fēng)化砂巖。地下水類型有第四系土層上層滯水、孔隙水、基巖裂隙水及巖溶裂隙水。

結(jié)合涌水量預(yù)測(cè)表明:隧道段水文地質(zhì)條件較簡(jiǎn)單，地下水較貧乏，地層滲透性弱，蓮塘隧道北西向斷裂富水、導(dǎo)水特征不明顯;預(yù)測(cè)隧道開(kāi)挖時(shí)，地下水將以潮濕、滴水或線狀細(xì)水水流為主，不具備產(chǎn)生大量涌水、突水的水文地質(zhì)條件;蓮塘隧道的北西向斷層不具有富水、導(dǎo)水通道的特征，隧道的開(kāi)挖不會(huì)影響深圳水庫(kù)與隧址區(qū)的水力聯(lián)系。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 “2+2車道”與“2+3車道”隧道橫斷面的比選

2.1.1 計(jì)算模型

為論證蓮塘隧道分岔部分合流模式，采用有限元軟件MIDAS－GTS對(duì)蓮塘隧道的開(kāi)挖和支護(hù)過(guò)程進(jìn)行三維數(shù)值模擬。

“2+2車道”分岔部的平面和結(jié)構(gòu)橫斷面如圖2和圖3所示。施工順序?yàn)閺拇罂鐔味炊讼蚍蛛x式雙洞端掘進(jìn)，采用雙側(cè)壁導(dǎo)洞法施工，與“2+3車道”分岔部施工方法相同。

建立了2個(gè)三維模型，模型1采用“2+2車道”(小凈距左、右線隧道均采用標(biāo)準(zhǔn)2車道的結(jié)構(gòu)形式);模型2采用“2+3車道”(小凈距左、右線隧道分別采用標(biāo)準(zhǔn)3車道和標(biāo)準(zhǔn)2車道的結(jié)構(gòu)形式)。由于蓮塘隧道分岔部頂部覆土較厚，模型覆土厚度30 m、寬140 m、高90 m、長(zhǎng)40 m，模型的底部和四周分別為垂直滑動(dòng)約束和水平滑動(dòng)約束，三維模型如圖4所示。

圖4 橫斷面比選隧道模型FEM圖Fig.4 FEM of tunnel model

隧道圍巖為Ⅲ級(jí)，初期支護(hù)采用C25噴射混凝土，二次襯砌采用C30模筑混凝土。為簡(jiǎn)化計(jì)算條件，突出隧道橫斷面比較結(jié)果，錨桿和超前支護(hù)采用等效彈性模量法，將支護(hù)范圍內(nèi)圍巖的彈性模量提高25%。材料的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。

蓮塘隧道分岔部隧道的開(kāi)挖方法為:大斷面隧道采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開(kāi)挖，小凈距隧道均采用上下臺(tái)階法開(kāi)挖，先行洞與后行洞錯(cuò)開(kāi)20 m，后行洞遠(yuǎn)離先行洞的一側(cè)先開(kāi)挖。

表2 各種材料的物理力學(xué)參數(shù)Table 2 Physical and mechanical parameters of different materials

2.1.2 計(jì)算結(jié)果分析

綜合上述分析，2種設(shè)計(jì)模型的數(shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)表3和表4。

表3 土體位移對(duì)比Table 3 Ground displacement cm

表4 大斷面隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)所承受的應(yīng)力對(duì)比Table 4 Stress on primary support of large cross-section tunnel

由表3和表4可知:相比模型1，模型2中的大斷面隧道拱頂沉降增大了36.8%、地面沉降增大了27.3%;大斷面初期支護(hù)結(jié)構(gòu)所承受的軸力在拱頂部位增大了7.2%、在拱腳部位增大了62.8%、在拱底部位增大了15.7%;大斷面初期支護(hù)所承受的彎矩在拱頂部位增大了10.6%、在拱腳部位增大了44.8%、在拱底部位增大了7.2%。

綜上所述，相比設(shè)計(jì)模型2，設(shè)計(jì)模型1(即“2+2車道”)的結(jié)構(gòu)合理性更加突出。但是具體到本工程“2+3車道”的隧道分岔方式，對(duì)應(yīng)了較好的交通功能需求;最終會(huì)在交通和結(jié)構(gòu)2功能綜合合理的前提下確定最終的結(jié)構(gòu)形式。

2.2 取消連拱段結(jié)構(gòu)分析

2.2.1 計(jì)算模型

為分析蓮塘隧道分岔部是否有必要在超大斷面段與小凈距段隧道之間設(shè)置連拱隧道以及連拱段隧道和小凈距段隧道的結(jié)構(gòu)受力、變形特性等問(wèn)題，分別建立了2個(gè)有限元模型進(jìn)行計(jì)算分析，設(shè)置連拱段的隧道模型1和不設(shè)置連拱段的隧道模型2。

分析中，主要對(duì)比模型1和模型2中由開(kāi)挖引起的圍巖和隧道結(jié)構(gòu)的變形、支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力情況，以確定分岔隧道的合理結(jié)構(gòu)形式。

模型計(jì)算范圍選取:模型的左、右邊界至隧道最大斷面外輪廓的距離均為2.5D(D為隧道最大斷面的跨度);上、下邊界至隧道最大斷面外輪廓的距離為1.5H(H為隧道最大斷面的高度);2模型尺寸均長(zhǎng)100 m、高85 m、寬145 m。模型1中，超大斷面段、連拱段、小凈距段隧道的長(zhǎng)度分別為40，40，20 m;模型2中，超大斷面段和小凈距段隧道的長(zhǎng)度分別為40 m和60 m。有限元網(wǎng)絡(luò)如圖5所示。

圖5 連拱段設(shè)置必要性隧道模型FEM圖Fig.5 FEM of tunnel model

模型邊界條件及材料參數(shù)同2.1。

根據(jù)隧道施工工序設(shè)計(jì)的開(kāi)挖步序，本次數(shù)值模擬采用的施工工法如下。

1)超大斷面段施工方法。采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開(kāi)挖，即先開(kāi)挖左、右導(dǎo)洞，后開(kāi)挖中間巖體。

2)連拱段施工方法。左洞采用中導(dǎo)洞法開(kāi)挖，即開(kāi)挖中導(dǎo)洞—施作中墻和中導(dǎo)洞頂部臨時(shí)支護(hù)—開(kāi)挖左洞上半斷面—施作左洞上半斷面初期支護(hù)—開(kāi)挖左洞下半斷面—施作左洞下半斷面初期支護(hù)—左洞超前右洞20 m后開(kāi)挖右洞;右洞的施工工序與左洞類似。

3)小凈距段施工方法。左洞采用上下臺(tái)階法開(kāi)挖，右洞采用CD法開(kāi)挖;左洞超前右洞20 m，且右洞遠(yuǎn)離左洞的一側(cè)先開(kāi)挖。

2.2.2 計(jì)算結(jié)果分析

2.2.2.1 豎向位移分析

超大斷面段隧道拱頂沉降歷時(shí)曲線見(jiàn)圖6。由圖6可知:

1)仰拱施作后，模型1和模型2的超大斷面段隧道底板的隆起值不再增長(zhǎng)，隆起現(xiàn)象得到有效控制;2個(gè)模型中，超大斷面段隧道底板最大隆起值分別為2.03 cm 和 2.11 cm。

2)模型1中，連拱隧道右洞受左洞超前開(kāi)挖影響，開(kāi)挖初始拱頂沉降較大;同時(shí)，左洞開(kāi)挖至第12步(即右洞掘進(jìn)4m)后，拱頂沉降有增大趨勢(shì)，說(shuō)明左洞拱頂沉降亦受右洞開(kāi)挖的影響，隨著施工的推進(jìn)，拱頂沉降逐漸增大，最終趨于穩(wěn)定。模型1的小凈距段、模型2的小凈距段同樣存在上述左、右洞施工相互影響的現(xiàn)象。

3)錨噴、襯砌支護(hù)后，隧道斷面的變形明顯降低，并且隨著掌子面的推進(jìn)變形逐漸變緩，這說(shuō)明錨噴、襯砌支護(hù)對(duì)加強(qiáng)隧道穩(wěn)定性的效果明顯。

4)模型1中，中隔墻上部、中部和底部的豎向位移分別為 －1.179，0.02，0.429 cm，可見(jiàn)墻身上部和底部的豎向變形值明顯大于墻身中部的豎向變形值，說(shuō)明中隔墻受壓較大。

5)模型2中，小凈距段隧道起始段的中間夾巖上部、中部和底部的豎向位移分別為 －0.109，0.06，0.545 cm，可見(jiàn)夾巖下部的豎向變形較明顯，說(shuō)明夾巖受壓較大。

圖6 超大斷面段隧道拱頂沉降歷時(shí)曲線Fig.6 Time-dependent curve of crown settlement at section with extrarlarge cross-section

2.2.2.2 水平位移分析

1)超大斷面段隧道拱腳水平位移。隧道拱腳收斂變化曲線見(jiàn)圖7。由圖7可知:①隨著開(kāi)挖推進(jìn)，超大斷面拱腳處的水平相對(duì)位移在第10步(掘進(jìn)距離為20 m)以前逐漸增長(zhǎng)，而在第10步以后穩(wěn)定并收斂，收斂距離約在1D左右。②模型1的水平位移量值小，拱腳處水平位移最終值為0.29 cm。③模型2的水平位移量值小，拱腳處水平位移最終值為0.32 cm。

2)中隔墻、中夾巖體水平位移。①模型1。連拱段隧道的中隔墻上部、中部和底部水平位移分別為0.197，0.038，0.044 cm，可見(jiàn)中隔墻上部水平位移大于墻身中部和底部，說(shuō)明墻身上部受壓較大。②模型2。小凈距段隧道起始段的中隔墻上部、中部和底部水平位移分別為0.141，0.050，0.034 cm，可見(jiàn)夾巖上部水平位移大于墻身中部和底部，說(shuō)明夾巖上部受壓較大。

圖7 隧道拱腳收斂變化曲線Fig.7 Curves of convergence at spring line of tunnel

2.2.2.3 結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

模型1和模型2在大斷面段、連拱段、小凈距段隧道各關(guān)鍵點(diǎn)的初期支護(hù)應(yīng)力如表5和表6所示。

表5 模型1中各段隧道關(guān)鍵點(diǎn)的初期支護(hù)應(yīng)力Table 5 Stress on primary support at critical points of different tunnel sections in Model 1 MPa

1)2模型中，拱頂豎向應(yīng)力先在即將開(kāi)挖到時(shí)產(chǎn)生集中，開(kāi)挖后應(yīng)力釋放;在各段隧道的拱腳、墻腳和底板部位易出現(xiàn)應(yīng)力集中;在各段隧道的頂部和底板易出現(xiàn)拉應(yīng)力，拱腳易出現(xiàn)壓應(yīng)力。

表6 模型2中各段隧道關(guān)鍵點(diǎn)的初期支護(hù)應(yīng)力Table 6 Stress on primary support at critical points of different tunnel sections in Model 2 MPa

2)2模型中，在連拱隧道和小凈距隧道施工中，先行洞的結(jié)構(gòu)受力明顯大于后行洞，表明施工偏壓?jiǎn)栴}顯著。

3)模型1中，中隔墻附近應(yīng)力變化較為顯著，靠近連拱段的小凈距段隧道由于連拱中導(dǎo)坑開(kāi)挖的影響而產(chǎn)生較復(fù)雜的應(yīng)力場(chǎng)，為最薄弱部位。

2.2.2.4 中隔墻、中夾巖應(yīng)力分析

模型1和模型2應(yīng)力圖見(jiàn)圖8和圖9。

1)模型1中，施工結(jié)束后，中隔墻頂部、中部、底部承受的最大應(yīng)力分別為2.26 MPa(壓)、0.92 MPa(拉)、2.25MPa(壓)。結(jié)合應(yīng)力分布云圖可知，中隔墻頂部、底部主要承受壓應(yīng)力，中部主要承受拉應(yīng)力，故中隔墻頂部、底部可能發(fā)生壓剪破壞，中隔墻中部可能產(chǎn)生拉剪破壞;另外，模型1中靠近連拱段的小凈距段由于連拱中導(dǎo)坑開(kāi)挖的影響，應(yīng)力場(chǎng)復(fù)雜，為薄弱部位。

2)模型2中，小凈距段隧道右洞開(kāi)始開(kāi)挖時(shí)，夾巖頂部、中部、底部承受的最大應(yīng)力分別為0.26MPa(壓)、1.05MPa(拉)、0.54 MPa(壓)。結(jié)合應(yīng)力分布云圖可知，夾巖頂部、底部主要承受壓應(yīng)力，中部主要承受拉應(yīng)力，且拉應(yīng)力數(shù)值較大，故夾巖中部可能發(fā)生拉剪破壞。

3)由于模型2中的小凈距段隧道的最小間距僅有2.3 m，為保證施工中夾巖和周邊圍巖的穩(wěn)定，建議待左洞施作二次襯砌并達(dá)到自穩(wěn)狀態(tài)后，再開(kāi)挖右洞，以減少左、右洞間的相互影響。

圖8 模型1的中隔墻應(yīng)力Fig.8 Stress on central wall in Model 1

圖9 模型2的小凈距中夾巖應(yīng)力Fig.9 Stress on rock pillar in Model 2

2.2.3 小結(jié)

模型2中小凈距段隧道中間夾巖產(chǎn)生的最大豎向變形、最大水平變形，其變形程度均較模型1的中隔墻小;另外考慮到連拱隧道與超大斷面段以及小凈距段均存在復(fù)雜的施工轉(zhuǎn)換，工程設(shè)計(jì)中最終取消了連拱段，由大跨段直接過(guò)渡到小凈距隧道。

2.3 鋼支撐材料選擇

鋼支撐是隧道復(fù)合式襯砌的重要組成部分，常見(jiàn)的鋼支撐有鋼拱架和鋼格柵。雖然作用相近，但2種支撐結(jié)構(gòu)在經(jīng)濟(jì)、剛度、承載力等方面存在明顯差別，本文在超大跨徑隧道斷面情況下比較了二者的性能差異。

2.3.1 計(jì)算概況

分別采用工字型鋼拱架和鋼格柵2種結(jié)構(gòu)作為鋼支撐，對(duì)蓮塘隧道開(kāi)挖和支護(hù)過(guò)程進(jìn)行二維模擬，分析開(kāi)挖后圍巖的穩(wěn)定性和網(wǎng)噴混凝土的受力狀況。分別選用I20b型工字型鋼支撐和φ28鋼格柵，按間距0.5 m/榀布設(shè)鋼拱架。

2.3.2 計(jì)算結(jié)果分析

不同鋼支撐布設(shè)方案支護(hù)施作后的拱頂最大沉降見(jiàn)表7。

表7 隧道拱頂最大沉降Table 7 Maximum settlement at tunnel crown mm

不同鋼支撐布設(shè)方案支護(hù)施作后圍巖的塑性區(qū)分布見(jiàn)圖10和圖11。

圖10 噴射混凝土—型鋼拱架支護(hù)施作后圍巖的塑性區(qū)分布圖Fig.10 Distribution of plasticized zone of ground after shotcreting and steel ribs are installed

圖11 噴射混凝土—鋼格柵支護(hù)施作后圍巖的塑性區(qū)分布圖Fig.11 Distribution of plasticized zone of ground after shotcreting and lattice girder are installed

從表7、圖10和圖11中可以看出:2種鋼支撐支護(hù)形式對(duì)初期支護(hù)的剛度及強(qiáng)度的影響并不大，并且塑性區(qū)的分布和發(fā)展情況相似。

相比工字鋼而言，鋼格柵與混凝土的接觸面積大、黏結(jié)效果好，兩者能夠共同變形、協(xié)同受力，結(jié)構(gòu)不會(huì)出現(xiàn)收縮裂縫;其拱架間空隙大，噴射混凝土不容易出現(xiàn)較大的空洞現(xiàn)象;并且鋼格柵重量輕，制作簡(jiǎn)單，運(yùn)輸和安裝方便，工程造價(jià)低，經(jīng)濟(jì)性較好。因此，建議選取鋼筋格柵聯(lián)合噴射混凝土及錨桿作為超大斷面隧道(圍巖較好情況，對(duì)初始強(qiáng)度及剛度要求不高)的初期支護(hù)較為合適。

2.4 錨桿設(shè)計(jì)

在錨桿布設(shè)方案的比選中，通過(guò)對(duì)不同工況下的拱頂沉降、圍巖塑性區(qū)分布情況、錨桿最大軸力及初期支護(hù)最大軸力等的分析，確定錨桿的合理布設(shè)長(zhǎng)度及布設(shè)形式。

2.4.1 錨桿長(zhǎng)度比選

分別采用錨桿長(zhǎng)度為4，5，6 m的3種不同布設(shè)方案。不同長(zhǎng)度錨桿工況下計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表8。

表8 不同長(zhǎng)度錨桿條件下計(jì)算結(jié)果Table 8 Calculation results under different anchor bolt lengths

不同長(zhǎng)度錨桿條件下塑性區(qū)的分布及發(fā)展情況如圖12所示。

對(duì)表8和圖12進(jìn)行分析可以得到:

1)錨桿的長(zhǎng)度對(duì)錨桿軸力變化和初期支護(hù)軸力變化的影響較小，特別是對(duì)錨桿軸力的影響，不同長(zhǎng)度錨桿的最大軸力的波動(dòng)值較小。

2)錨桿長(zhǎng)度為4 m時(shí)，隧道拱頂沉降過(guò)大，且隧道開(kāi)挖后圍巖塑性區(qū)的分布范圍過(guò)大，塑性區(qū)貫通現(xiàn)象較為明顯。

3)長(zhǎng)度為5 m或6 m的錨桿對(duì)于初期支護(hù)受力、拱頂沉降和塑性區(qū)的分布影響不大，均可滿足安全性要求，本工程最終采用了5 m錨桿。

2.4.2 錨桿布設(shè)方案比選

對(duì)3種布設(shè)方案進(jìn)行了對(duì)比分析:1)拱頂、側(cè)墻范圍布設(shè)φ25中空注漿錨桿，長(zhǎng)度5m，間隔1m;2)僅在側(cè)墻范圍內(nèi)布設(shè);3)取消錨桿。

3種錨桿布設(shè)方案的拱頂沉降值見(jiàn)表9。

表9 不同工況下拱頂沉降最大值Table 9 Maximum crown settlement values in different cases mm

從表9可以看出:相比于未布設(shè)錨桿的方案，拱頂布設(shè)錨桿對(duì)于控制拱頂沉降有較明顯的效果，布設(shè)錨桿后的拱頂沉降僅為未布設(shè)拱頂錨桿時(shí)拱頂沉降的5% ～6.4%;同時(shí)，局部布設(shè)錨桿時(shí)，拱頂沉降亦有減小的趨勢(shì)。因此，建議在拱頂和側(cè)墻均布設(shè)錨桿。

3 結(jié)論與討論

1)蓮塘隧道分岔部若采取“2+3車道”的方案，對(duì)于圍巖的穩(wěn)定性、支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全性都有較大影響，應(yīng)在滿足交通功能的前提下盡量選取“2+2車道”的對(duì)稱設(shè)計(jì)形式。

2)小凈距段隧道受力狀態(tài)及施工工法前后轉(zhuǎn)換方面均較連拱段有優(yōu)勢(shì)，因此建議取消連拱段，在嚴(yán)格控制爆破振動(dòng)速度的前提下由大跨段直接過(guò)渡到小凈距段。

圖12 不同長(zhǎng)度錨桿條件下圍巖的塑性區(qū)分布圖Fig.12 Distribution of plasticized zone of ground under different anchor bolt lengths

3)型鋼和鋼筋格柵2種初期支護(hù)骨架形式，對(duì)初期支護(hù)最終的剛度和強(qiáng)度影響均不大，在較好圍巖的情況下應(yīng)優(yōu)先選用“鋼筋格柵+噴錨”的初期支護(hù)形式。

4)蓮塘隧道分岔部系統(tǒng)錨桿設(shè)計(jì)長(zhǎng)度以5 m為宜，應(yīng)于拱部、側(cè)墻均勻布設(shè)。

［1］ 周江天.四連拱大跨度淺埋隧道的設(shè)計(jì)［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，1999(1):10 －15.(ZHOU Jiangtian.Design of shallow tunnel with quadruple arches［J］.Modern Tunneling Technology，1999(1):10 －15.(in Chinese))

［2］ 程崇國(guó)，王新平.對(duì)3車道大斷面公路隧道問(wèn)題的思考［J］.公路交通技術(shù)，2002(3):78 －81.(CHENG Chongguo，WANG Xinping.Considerations on highway tunnels with large sections of three lanes［J］.Technology of Highway and Transport，2002(3):78 －81.(in Chinese))

［3］ 王漢鵬，李術(shù)才，鄭學(xué)芬.偏壓分岔隧道施工過(guò)程損傷破壞分析與優(yōu)化研究［J］.巖土力學(xué)，2009，30(6):173－178.(WANG Hanpeng，LI Shucai，ZHENG Xuefen.Damage analysis and optimum research on construction process for forked tunnel under bias pressure［J］.Rock and Soil Mechanics，2009，30(6):173 －178.(in Chinese))

［4］ 呂勇剛，秦輝輝.大跨隧道超淺埋段護(hù)拱反吊暗挖法設(shè)計(jì)及作用分析［J］.隧道建設(shè)，2011，31(4):85－89.(LV Yonggang，QIN Huihui.Design of mining of super-shallowcovered large-span tunnel under suspended protection arch and analysis on its effect［J］.Tunnel Construction，2011，31(4):85 －89.(in Chinese))

［5］ 蔚立元，李術(shù)才，郭小紅，等.分岔隧道過(guò)渡段穩(wěn)定性研究［J］.中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2011，24(1):93 －99.(YU Liyuan，LI Shucai，GUO Xiaohong，et al.Study of stability of transition segment for bifurcation tunnel［J］.China Journal of Highway and Transport，2011，24(1):93 －99.(in Chinese))

［6］ 劉偉.小凈距公路隧道凈距優(yōu)化研究［D］.上海:同濟(jì)大學(xué)結(jié)構(gòu)工程專業(yè)，2004.

［7］ 沈才華，劉松玉，童立元.卵礫石土層大跨公路隧道初期支護(hù)優(yōu)化研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2008，27(S1):401 － 406.(SHEN Caihua，LIU Songyu，TONG Liyuan.Primary-supporting optinmization for layer-span road tunnels in granvel deposit layers［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2008，27(S1):401 － 406.(in Chinese))

［8］ 曲海峰，朱合華，蔡永昌.扁平大跨度公路隧道松動(dòng)荷載計(jì)算方法探討［J］.巖土力學(xué)，2008，29(4):135－140，146.(QU Haifeng，ZHU Hehua，CAI Yongchang.Discussion on calculation of loose load on extra-large cross-section and large-span road tunnel［J］.Rock and Soil Mechanics，2008，29(4):135 －140，146.(in Chinese))

［9］ 鄭俊杰，劉秀敏，歐陽(yáng)院平，等.大斷面隧道錨桿設(shè)置的優(yōu)化分析［J］.地下空間與工程學(xué)報(bào)，2009(2):139－144.(ZHENG Junjie，LIU Xiumin，OUYANG Yuanping，et al.Optimum analysis of large-section tunnel’s bolts location by FLAC［J］.Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2009(2):139 －144.(in Chinese))

［10］ 張社榮，顧巖，張宗亮.超大型地下洞室圍巖錨桿支護(hù)方式的優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2007，26(5):49 －54.(ZHANG Sherong，GU Yan，ZHANG Zongliang.The optimized design of rockbolts supporting the large-scale underground cavities［J］.Journal of Hydroelectric Engineering，2007，26(5):49 －54.(in Chinese))