王 剛

(廣西交科集團有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引言

隨著城市不斷發(fā)展、地下空間逐步開發(fā)利用，建設地下互通式立交成為緩解城市擁堵的有效方案之一。地下互通式立交工程具備環(huán)境影響小、占地少等優(yōu)點，是城市可持續(xù)發(fā)展的方向。在國內的廈門機場路工程、膠州灣海底隧道、長沙營盤路湘江隧道等工程中均采用了類似地下互通式立交[1-2]。建設地下互通式立交工程用以分合流交通，必然面臨分岔隧道結構斷面大、受力復雜、斷面形式變化多、施工工序繁雜等技術難題，其在圍巖、結構受力及施工力學特點等方面與常規(guī)斷面隧道有較明顯的區(qū)別[3-5]。分岔隧道由常規(guī)隧道斷面過渡到兩個分離式隧道斷面，一般由特大斷面隧道段、連拱隧道段和小凈距隧道段組成。而特大斷面隧道漸變的形式、結構方案，成為分岔隧道設計、施工是否安全可靠的關鍵因素。本文結合某項目的分岔隧道，對分岔隧道過渡方式的優(yōu)、缺點進行論證，采用數值方法比較分析不同支護結構方案的力學特性，對該工程的設計關鍵技術進行探討，以期為后續(xù)相似工程提供參考。

1 工程概況

某項目主線隧道起點為隧道一期工程DK0+520，主線隧道長1 370 m；匝道隧道從主線隧道DK1+172處分流，匝道隧道長232.883 m。隧道沿線地貌單元屬殘積臺地-丘陵山地，山坡起伏較大，隧道分岔段穿越地層主要為強-中風化凝灰?guī)r，裂隙發(fā)育，巖體較破碎，開挖后有少量孔隙水、裂隙水滲出，圍巖等級為Ⅳ級。

2 分岔段隧道結構

2.1 分岔隧道結構平面過渡形式

按線形、行車需求，地下互通交通分流應設置一段減速車道，以便滿足線形順暢及行車安全要求，從而出現隧道橫斷面的變化，即通過改變隧道跨度以適應車道漸變。主線隧道與匝道隧道平交口分岔部結構過渡方式有一次性突變式過渡、喇叭形過渡及分段逐步擴大過渡等三種過渡方式。三種過渡方式特性對比分析如表1所示。

表1 三種過渡方式特性對比表

根據三種過渡方式特性比選分析，設計過程綜合考慮經濟性、工程復雜性，推薦采用分段逐步擴大過渡方式，將該段隧道分為三個不同的分岔過渡斷面(如圖1所示)，隧道開挖斷面跨度范圍為16～22.6 m，既保證工程經濟性和結構斷面利用率，又解決了隧道漸變斷面襯砌結構施工難度大的問題。

圖1 分岔段隧道平面圖

2.2 特大斷面分岔隧道結構設計的特點、難點

本隧道最大斷面為分岔三段，屬Ⅳ級圍巖地段，隧道最大開挖寬度達到22.6 m，大于常規(guī)四車道隧道斷面的寬度，其矢跨比為0.47(不計仰拱)，扁平率較小。特大斷面分岔隧道具有尺寸效應、圍巖缺陷效應及應力重分布影響擴大的特點。在相同的地層條件中，隨著隧道的斷面尺寸增大，開挖后的變形規(guī)律雖仍是相似的，但隧道斷面與不利構造交叉、切割的概率也增大(如圖2所示)。特大斷面分岔隧道開挖后形成更大的臨空面，不穩(wěn)定塊體范圍顯著增加，圍巖缺陷直接影響洞室的穩(wěn)定。巖體力學理論分析表明，隧道開挖支護影響范圍約為3～5倍開挖跨度，特大斷面分岔隧道其承載圈范圍內不良地質、不穩(wěn)定構造的概率增大。一般處理大跨隧道尺寸效應的影響有兩種解決思路，一種是改變圍巖級別，另一種是改變結構支護方案。從工程實際出發(fā)，大多采用改變隧道支護方案的模式，即在同一圍巖等級條件下，因洞室跨度的不同，會有不同支護結構方案，并根據地質條件結合特大斷面分岔隧道結構設計的特點、難點對支護方案進行探討研究。

圖2 隧道斷面尺寸效應影響示意圖

2.3 特大斷面分岔隧道結構支護類型

參考規(guī)范及相關文獻，一般單洞四車道隧道開挖跨度B>18m，屬于特大跨斷面隧道[6-7]，其襯砌支護多采用復合式襯砌結構。襯砌分兩次或三次施作；Ⅱ級與Ⅲ級圍巖宜采用二次支護方案；Ⅳ級與Ⅴ級可采用三次支護方案。本項目特大斷面分岔隧道跨度B=22.6m，且屬較差的Ⅳ級圍巖地層，加之城市隧道周邊環(huán)境復雜，沉降變形、爆破安全要求高，擬采用三層支護結構，其結構方案細分為以下兩種：方案一是兩層初期支護+單層模筑鋼筋混凝土結構；方案二是單層初期支護+兩層模筑鋼筋混凝土結構。以上兩種結構方案各有優(yōu)缺點，具體如下：

方案一優(yōu)點：二次支護采用噴射混凝土初期支護，能夠及時對一次支護進行補強、單層支護暴露時間短、早期強度高，施工方便、靈活，不受雙側壁導坑法臨時支護結構限制。其缺點是二次支護結構采用噴射混凝土結構密實性較差，運營期噴射混凝土結構侵蝕后，材料性能下降，模筑襯砌結構作為主要承載結構。

方案二優(yōu)點：二次、三次支護結構采用模注鋼筋(格柵)混凝土，具有整體密實性好、后期強度高的特點。其缺點是二次襯砌作為對初期支護的補強，由于受到雙側壁導坑法臨時支護結構的影響，無法一次成型，需采用臨時模板分步實施澆筑，步序繁瑣，整體性差，圍巖及初期支護暴露時間長，模筑混凝土初期強度較低，無法及時發(fā)揮補強作用，安全風險較大。

綜合以上優(yōu)缺點分析，特大斷面分岔隧道推薦采用兩層初期支護+單層模筑鋼筋混凝土的復合式襯砌結構方案，該設計方案施工方便靈活、圍巖支護及時，更有利于合理發(fā)揮圍巖自穩(wěn)能力。

3 特大斷面分岔隧道結構支護類型數值對比分析

針對以上兩種不同支護結構方案采用有限元方法進行數值對比，分析隧道開挖支護過程，著重研究開挖支護過程圍巖及支護結構的力學特征、位移等，以及長期荷載狀況下初期支護材料性能下降后襯砌結構的受力狀態(tài)。

3.1 數值分析方法及理論

隧道數值分析一般主要有荷載結構法、地層結構法兩種分析計算模型。采用荷載結構法分析時，荷載的確定方法是基于塌落拱統計的經驗公式，以支護結構為承載主體，圍巖為荷載，同時考慮地層圍巖的約束，具有概念清晰、荷載明確等優(yōu)點。但是對于特大斷面分岔隧道，仍按經驗公式塌落拱理論計算荷載，顯然設計所得的支護結構經濟性欠合理，在地質較差的圍巖地層與工程實際相差甚遠。地層結構法是一種連續(xù)介質力學方法，考慮了圍巖的自承能力，圍巖作為連續(xù)介質既傳遞荷載又提供支承作用，能反映圍巖初設應力、開挖和支護對圍巖及支護結構力學特征的影響等。因此，本文采用地層結構法按平面應變模型進行分析。

3.2 數值分析模型及材料參數

根據巖石力學原理，分析圍巖選用三倍或以上洞徑范圍作為數值分析的模型范圍，隧道左右水平約束，下部垂直約束，采用PLANE42平面單元模擬圍巖，BEAM3單元模擬隧道初期支護結構，Link1單元模擬隧道錨桿，通過單元的生死技術模擬開挖和支護的過程。圍巖本構關系采用Drucker-Prager模型，其屈服準則與Mahr-coulomb準則近似，用以修正VonMises屈服準則，屈服強度隨側限應力的增加而相應增加，假定為理想彈塑性。圍巖及支護結構物理力學參數如表2所示。

表2 數值分析結構和材料參數表

兩種結構模型及單元劃分具體如圖3和圖4所示。

圖3 兩層初期支護+單層模筑鋼筋混凝土結構模型圖

圖4 單層初期支護+兩層模筑鋼筋混凝土結構模型圖

特大斷面分岔隧道在圍巖構造的影響下，其開挖后的穩(wěn)定性與施工工法息息相關。有限元模擬分析隧道開挖支護過程采用雙側壁導坑法工法，即先開挖兩側導洞，利用中間巖柱對拱部的支撐，有效減小臨空面的跨度。其荷載步序如下：(1)初始地應力計算；(2)圍巖開挖；(3)第一層(單層)初期支護結構施工；(4)臨時支護結構拆除；(5)第二層初期支護(模筑鋼筋混凝土)結構施工；(6)鋼筋混凝土襯砌結構施工；(7)初期支護結構材料劣化，鋼筋混凝土襯砌結構作為主要承載結構。

3.3 數值分析計算成果

如表3所示，隨著開挖、支護的進行，地層應力逐步釋放，錨桿軸力逐步增加，錨桿軸力最大值均小于其抗拔力，徑向錨固效果明顯。支護襯砌結構應力逐步增加，主要以受壓為主，拉應力很小，極值滿足承載力要求，混凝土未發(fā)生壓潰或受拉破壞。支護結構有效約束了周邊圍巖的變形。隧道開挖過程中，拱頂地層沉降逐步增加，最終沉降值均在9mm以內，側墻收斂值較小。開挖后圍巖應力重分布，圍巖應力值均較小，塑性區(qū)分布于邊墻兩側約0.5m范圍，不顯著，滿足支護結構及圍巖穩(wěn)定性要求。

表3 數值分析計算成果對比表

對兩種結構支護方案進行深入比較分析，方案一的錨桿軸力、拱頂沉降位移值均小于方案二。從支護結構σ3應力變化看，方案二在荷載步(4)，單層初期支護便承擔較大荷載，存在突變情況，之后變化幅度不大；方案一支護結構σ3應力在各荷載步穩(wěn)步增加，說明支護結構發(fā)揮承載力更為及時，可合理發(fā)揮圍巖自穩(wěn)能力，松弛有度，避免支護結構出現較大的應力變化。兩種支護方案最后總變形量相差不大，方案一開挖支護過程中圍巖變形發(fā)展過程較為平順，而方案二存在一定的突變。通過數值比較分析結果，從圍巖支護結構協同變形考慮，方案一更有利于支護結構合理發(fā)揮承載力，避免應力集中局部失穩(wěn)破壞，有效利用圍巖的自穩(wěn)能力，體現柔性支護，協同變形共同承載，因此方案一優(yōu)于方案二。

4 結語

本文通過結合某分岔隧道工程案例，對分岔隧道三種過渡方式進行比較分析，從斷面變化方式、結構斷面利用率、施工難度、工程經濟性等方面綜合考慮，平面結構布置推薦采用分段逐步擴大過渡方式。特大斷面分岔隧道開挖斷面大、矢跨比小，扁平率低，在Ⅳ級圍巖段落受不良地質構造切割影響大、穩(wěn)定性差。本文通過論證分析推薦采用兩層初期支護+單層模筑鋼筋混凝土的復合式襯砌結構方案。該方案施工便利、圍巖支護及時，柔性支護、協同變形，更有利于發(fā)揮圍巖自穩(wěn)能力，應力應變演變歷程平順、無突變，滿足穩(wěn)定性要求，確保了工程的安全、順利建成。當前該項目已建成通車，運營狀況良好，采用的設計方案合理可行，可為今后城市地下立交類似工程提供借鑒和參考。