袁 森

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北武漢 430063)

1 概述

隨著我國基礎建設的大規(guī)模展開，高等級高速公路建設發(fā)展迅速。在中西部崇山峻嶺之間，為了節(jié)省橋梁的工程投資，修建分岔隧道已經在所難免。分岔式隧道作為一種特殊的隧道結構形式，主要用于因地形、地質、施工、運營等條件限制的路段。

目前很多專家在連拱隧道和小間距隧道的設計、施工技術和穩(wěn)定性分析等方面做了諸多研究［1-8］。但是對于分岔式隧道連拱－小間距連接段的穩(wěn)定性分析研究還未見報道。連拱-小間距連接段施工過程中需要重點關注連拱段曲中墻、小間距段巖柱的穩(wěn)定性。連拱段中隔墻穩(wěn)定性的研究較多，如:曾勝等［1］、葉飛等［2］根據現(xiàn)場檢測研究了不同施工工序對中隔墻的內力影響;高攀科等［3］總結了不同結構形式、參數(shù)選取及不同施工工藝下連拱隧道中隔墻的受力性能;白海衛(wèi)等［4］用有限元研究了連拱隧道開挖面的空間效應;伍國軍等［5］用有限元法研究了連拱變厚度曲中墻圍巖穩(wěn)定性;代樹林等［6］論述了小間距隧道開挖方法和巖柱加固技術。

結合滬蓉西高速公路八字嶺分岔隧道的連拱－小間距過渡段，通過建立三維模型，用有限元法模擬分析隧道動態(tài)開挖支護過程中曲中墻、巖柱的受力特點及圍巖的穩(wěn)定性。

八字嶺隧道位于宜昌市長陽縣及恩施自治州巴東縣境內，平面形態(tài)呈近東西向展布，進口為分離式，出口為分岔式，長3.5 km。分岔式隧道在向分離式過渡過程中設計有大拱段、連拱段和小間距段三種形式，連拱段圍巖為大冶組灰?guī)r，薄中層狀，產狀NE350°＜84°，節(jié)理裂隙較發(fā)育，圍巖類別Ⅲ～Ⅳ類，地下水不豐富，以降水入滲為主。連拱段－小間距段隧道單洞室凈空9.75 m×5.0 m，最大埋深約156 m，設計為雙拱四車道形式。連拱段設置有中隔墻，靠近小間距段為曲中墻設計，小間距段兩洞之間保留巖柱，其位置與連拱段曲中墻的位置相同，這種過渡形式為國內較罕見的雙拱大跨度設計形式。

2 連拱及小間距連接段穩(wěn)定性分析

2.1 計算模型

連拱到小間距段過渡段取連拱段和小間距段縱深各10 m共20 m的長度作為分析模型，模型示意如圖1。圖1中交界面為連拱到小間距段的過渡界面，為計算結果分析方便，取模型四個剖面set－1至set－4。本次數(shù)值模擬連拱一直開挖到小間距段的整個動態(tài)開挖過程。

連拱段施工工法:

開挖中導洞→施做中隔墻和中導洞臨時支護→開挖左側導洞→施做左側導洞支護。左側導洞的主要施工工序:→開挖左側主洞上半斷面→施工拱部初期支護→開挖側導洞→施做邊墻初期支護→開挖核心土。左側導洞施工完成后開挖右側導洞，右側導洞的施工工藝和左側導洞類似，左右洞開挖完成后施做二次襯砌。

圖1 連拱到小間距段過渡段示意(單位:m)

小間距段施工工法:

開挖左洞上半斷面→施工拱部初期支護→開挖左洞兩側邊洞→施做左洞兩側邊洞初期支護→開挖左洞核心土。左側導洞施工完成后開挖右側導洞，右側導洞的施工工藝和左側導洞類似，左右洞開挖完成后施做二次襯砌。

連拱段開挖工序示意及剖面上布設的關鍵點位置見圖2，小間距段開挖工序示意見圖3，關鍵點布設位置同連拱段剖面。

圖2 連拱隧道洞周關鍵點示意

圖3 小間距段隧道洞周關鍵點示意

2.2 計算參數(shù)

根據現(xiàn)場巖體力學試驗結果，在對八字嶺隧道的開挖、支護進行數(shù)值分析時，采用的工程巖體材料參數(shù)見表1。

對于支護結構，初次襯砌考慮噴射混凝土和錨桿支護。噴射混凝土設計厚度25 cm，材料為C20;系統(tǒng)錨桿為φ25 mm螺紋鋼，間距1.2 m，縱向間隔1 m，錨桿長度L=3 m;二次襯砌采用鋼筋混凝土材料，設計厚度60 cm，材料C25。連拱曲中墻采用的材料同二次襯砌。

表1 巖體和支護材料力學參數(shù)

3 數(shù)值計算結果分析

對連拱段和小間距段進行二維平面應變分析即可研究開挖過程中圍巖應力分布、演化特征和位移特征。三維動態(tài)開挖模擬結果的分析內容較多，由于文章篇幅限制，僅對工程所關注的連接段附近曲中墻在動態(tài)開挖過程中的受力情況、圍巖位移情況以及連接段圍巖塑性破壞情況進行分析。開挖結束后圍巖以及曲中墻的最大主應力分布、最小主應力分布見圖4、圖5。

圖4 連拱-小間距連接段隧道開挖結束后拉應力分布(單位:Pa)

圖5 連拱-小間距連接段隧道開挖結束后壓應力分布(單位:Pa)

3.1 曲中墻受力特征

從連拱段隧道開挖開始，曲中墻遠離連接端的兩側部位就形成壓應力集中區(qū)，隨著開挖的進行，壓應力集中區(qū)域逐步向連接端擴大，且壓應力值逐步增大，到連拱隧道開挖結束時，最大壓應力值由開挖初期的4.07 MPa增大至連拱開挖結束時的9.05 MPa;小間距隧道的開挖使得曲中墻的壓應力區(qū)發(fā)生了轉移且壓應力量值有所增大，隨著小間距隧道的開挖，壓應力區(qū)向靠近小間距端的曲中墻兩側集中，至開挖結束時，最大壓應力值由小間距開挖初期的9.35 MPa增大至14.72 MPa，最大壓應力出現(xiàn)在靠近小間距巖柱部位的曲中墻側部，這是由于巖柱弱支撐的原因。

開挖過程中，曲中墻上端側部和下端側部局部受拉，但是拉應力很小，開挖結束后，拉應力值不超過1 MPa。

圖6顯示了連拱第一、二組剖面關鍵點8的壓應力隨著開挖步的變化。由圖6可見，開挖過程中，曲中墻底部壓應力越來越大，第一組關鍵點8的壓應力由小間距開挖前的7.22 MPa增大到開挖結束時的9.31 MPa;在前面開挖階段，遠離連接端部分的壓應力值高于靠近連接端部分，而在小間距段右洞的側導洞開挖結束后，靠近連接端部位的壓應力值要稍高。

圖6 連拱剖面曲中墻底部壓應力隨開挖步變化

圖7顯示了小間距段第三、四組剖面關鍵點8的壓應力隨著開挖步的變化。由圖7可見，開挖過程中，小間距巖柱下部壓應力逐漸增大;另外可以看到靠近連接端部位巖柱下部的壓應力要稍高于遠離連接端部位的巖柱。

圖7 小間距剖面巖柱底部壓應力隨開挖步變化

圖8顯示了開挖結束后，曲中墻、巖柱內的壓應力沿著軸線方向的變化。橫坐標距離0 m處為連接端面，距離為正一端是小間距段，距離為負一端是連拱段。整體上看，小間距斷巖柱承受的壓應力小于連拱段曲中墻承受的壓應力，曲中墻、巖柱中上部壓應力小于中部，中部小于底部，但是在連接端面周圍，曲中墻、巖柱中部壓應力變化幅度較大。

3.2 開挖過程中圍巖位移情況分析

連拱隧道開挖完成后，拱頂下沉，底板上抬，最大位移出現(xiàn)于底板中部，值為3.73 mm，第一組關鍵點4、12(左、右洞拱頂位置)的位移分別2.96 mm、3.16 mm;第二組關鍵點4、12的位移分別為2.16 mm、2.09 mm，這是因為小間距還沒有開挖，對其附近的連拱圍巖形成約束。

圖8 曲中墻、巖柱內的壓應力沿著軸線方向的變化

小間距隧道開挖結束后，最大位移出現(xiàn)于遠離連拱的小間距底板中間，值為5.2 mm;第三組關鍵點4、12的位移分別為4.3 mm、4.59 mm，第四組關鍵點點4、12的位移分別為4.61 mm、4.91 mm。連拱隧道的位移隨著小間距隧道的開挖有所增大。由位移變化規(guī)律可見，小間距隧道開挖后，巖柱形成一個弱支撐(相對于連拱曲中墻)，向著小間距隧道方向，位移越來越大。

圖9顯示了連拱第一、二組剖面關鍵點12的位移隨著開挖步的變化。由圖9可見，開挖過程中，連拱隧道右洞洞頂?shù)奈灰撇粩嘣龃?另外可以看出遠離連接端部位的位移大于靠近連接端部位的位移，到了小間距開挖結束前，靠近連接端部位的位移稍大。該圖的變化趨勢和壓應力隨開挖變化圖的趨勢相同，同樣是由于巖柱支撐較弱的原因。

圖9 連拱剖面拱頂下沉隨開挖步變化

圖10顯示了小間距段第三、四組剖面關鍵點12的位移隨著開挖步的變化。由圖10可見，開挖過程中，小間距隧道右洞洞頂?shù)奈灰撇粩嘣龃?另外可以看出遠離連接端部位(set4)的位移稍小于靠近連接端部位的位移，到了小間距開挖結束前，靠近連接端部位(set3)的位移稍小。原因可能是:小間距段尚未開挖時，連拱隧道開挖使得連接端附近的小間距隧道圍巖位移較大;而小間距隧道開挖結束后，由于巖柱相對軟弱，所以遠離連接端的小間距隧道位移較大。

圖10 小間距剖面拱頂下沉隨開挖步變化

3.3 圍巖塑性區(qū)分析

巖體開挖擾動，使得隧道洞圍巖因應力釋放，產生應力集中而出現(xiàn)塑性區(qū)，開挖結束后的塑性區(qū)分布見圖11～圖13。數(shù)值計算結果表明:

圖11 連拱隧道開挖后圍壓塑性區(qū)分布

圖12 小間距隧道開挖后圍壓塑性區(qū)分布

圖13 小間距隧道開挖后圍壓塑性區(qū)分布縱剖面

連拱隧道開挖后，圍壓塑性區(qū)如圖11所示。在曲中墻上部、曲中墻下部腳點處等部位局部進入塑性，其中曲中墻腳點部位塑性變形最大;越靠近連接端，塑性變形越小。

圖11～圖13顯示了小間距隧道開挖結束后圍巖的塑性區(qū)分布。在小間距隧道開挖過程中，巖柱兩側塑性區(qū)越來越大，右洞側導洞開挖后，巖柱中間塑性區(qū)域貫通;開挖結束后，最大等效塑性應變出現(xiàn)于巖柱側部。因此在開挖小間距隧道過程中要對巖柱進行及時合理支護，施工過程中根據需要施做對穿錨桿。

小間距隧道開挖過程中，連拱段曲中墻也有部分區(qū)域進入塑性，主要發(fā)生在四個角點附近由于壓應力集中引起，但是塑性變形都非常小。

4 結論

通過對分岔式隧道連拱-小間距分離段進行的隧道開挖三維數(shù)值模擬研究，得出如下結論:

(1)由于小間距隧道巖柱相對曲中墻較弱，開挖結束后，小間距斷巖柱承受的壓應力小于連拱段曲中墻承受的壓應力，最大壓應力14 MPa左右，出現(xiàn)在靠近連接段部位的曲中墻側部。曲中墻上下端側面局部受拉，但是拉應力值很小，不超過1 MPa。

(2)開挖結束后，拱頂下沉、底板上抬，橫剖面上最大位移位于底板中間;由于巖柱相對較弱，向著小間距隧道方向，位移越來越大，最大位移值為5.2 mm。

(3)隨著隧道的開挖，小間距段巖柱兩側塑性區(qū)越來越大，最終出現(xiàn)貫通;因此在開挖小間距隧道過程中要對巖柱進行及時合理支護，施工過程中根據需要應該施做對穿錨桿。

［1］ 曾勝，覃慶通，陽軍生．大跨度連拱隧道直中墻受力現(xiàn)場監(jiān)測分析［J］．巖土力學，2008，29(9)

［2］ 葉飛，丁文其，朱合華，等．連拱隧道中隔墻現(xiàn)場監(jiān)測及分析研究［J］．地下空間與工程學報，2007，3(3)

［3］ 高攀科，徐林生．公路連拱隧道中隔墻的若干技術問題［J］．重慶交通大學學報(自然科學版)，2008，27(3)

［4］ 白海衛(wèi)，于晨昀．連拱隧道開挖面空間效應分析［J］．西部探礦工程，2008(1)

［5］ 伍國軍，陳衛(wèi)忠，于洪丹，等．連拱變厚度曲中墻隧道圍巖穩(wěn)定性研究［J］．地下空間與工程學報，2008，4(4)

［6］ 代樹林，佴磊，門妮．小凈距隧道開挖方法和中巖柱加固技術探討［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2007(4)

［7］ 金豐年，王波，蔣美蓉．雙連拱隧道穿越破碎山體圍巖穩(wěn)定性數(shù)值分析［J］．巖土力學，2008，28(增)

［8］ 張強勇，李術才，李勇，等．大型分岔隧道圍巖穩(wěn)定與支護三維地質力學模型試驗研究［J］．巖石力學與工程學報，2007，26(增2)