摘要：重慶火鳳山隧道的分岔小凈距段由于其工程線路復(fù)雜，同時(shí)又位于城市建筑群下方，施工存在較大風(fēng)險(xiǎn)，為了保證分岔隧道的安全施工，同時(shí)考慮經(jīng)濟(jì)效益，選取最優(yōu)的隧道施工參數(shù)極其重要。本文針對(duì)隧道分岔段的最優(yōu)施工參數(shù)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析，包含隧道開挖進(jìn)尺和初支混凝土厚度，并基于有限差分法對(duì)不同工況下的支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明：不同開挖進(jìn)尺組合下支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力最大值差異較大，適當(dāng)增加隧道的開挖進(jìn)尺，不僅能縮短隧道整體開挖時(shí)間，同時(shí)能夠有效緩解結(jié)構(gòu)受力，并減少應(yīng)力集中區(qū)域的應(yīng)力。隨著主線隧道和連接線隧道的噴射混凝土厚度的增加，隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體剛度提升，支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力最大值相應(yīng)減小，但對(duì)應(yīng)力最小值影響較小。綜合考慮施工安全及經(jīng)濟(jì)效益，主線隧道宜采用1.6m的開挖進(jìn)尺與26cm的噴射混凝土厚度，連接線隧道宜采用1.6m的開挖進(jìn)尺和24cm的噴射混凝土厚度。

關(guān)鍵詞：分岔隧道；施工參數(shù)；數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)：U455"""""""""""""""""""""""""""""""""" 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A"""""""""""""""""nbsp;"""""""""""""""" 文章編號(hào)：1673?6478（2023）04?0217?05

Study on Construction Parameter Optimization of Large Section Bifurcation Tunnel

XING Xiaoyu YANG Qiaowei FEI Hu

（1. Sichuan Road amp; Bridge（Group）Co.， Ltd.， Highway Three Branch， Chengdu Sichuan 610200， China; 2. School of Civil Engineering， Southwest Jiaotong University， Chengdu Sichuan 610031， China）

Abstract： The bifurcated small clear distance section of the Huofengshan Tunnel in Chongqing is located under the urban buildings due to its complex terrain conditions， and there is a great risk in the construction. In order to ensure the safe construction of the bifurcated tunnel and consider the economic benefits， it is extremely important to select the optimal tunnel construction parameters. In this paper， the numerical calculation and analysis of the optimal construction parameters of the bifurcation section of the tunnel are carried out， including the excavation footage of the tunnel and the thickness of the initial support concrete. Based on the finite difference method， the stress of the supporting structure under different working conditions is compared. The results show that the maximum stress of the supporting structure under different excavation footage combinations is quite different. Properly increasing the excavation footage of the tunnel can not only shorten the overall excavation time of the tunnel， but also effectively relieve the structural stress and reduce the stress in the stress concentration area. As the thickness of sprayed concrete in the main tunnel and connecting tunnel increases， the overall stiffness of the tunnel support structure increases， and the maximum stress value of the support structure decreases accordingly， but the impact on the minimum stress value is relatively small. Considering the construction safety and economic efficiency， the main line tunnel should adopt 1.6m excavation footage and 26cm shotcrete thickness， connecting line tunnel should adopt 1.6m excavation footage

and 24cm shotcrete thickness.

Key words： bifurcation tunnel; construction parameters; numerical simulation

0 引言

由于我國(guó)西部地形條件復(fù)雜，在城市修建公路時(shí)，通常需要修建隧道來縮短路程。在進(jìn)行隧道建設(shè)時(shí)，不僅需要考慮施工安全，同時(shí)也要為了滿足城市功能需求而設(shè)立分岔隧道。分岔隧道施工參數(shù)的選取不僅需要考慮施工進(jìn)度，同時(shí)也必須保證隧道結(jié)構(gòu)的安全，因此針對(duì)特大斷面分岔隧道施工參數(shù)的優(yōu)化是相當(dāng)必要的。

楊永波[1]等利用UDEC軟件研究在鄰近既有隧道下的大斷面隧道雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工時(shí)巖體的損傷程度和范圍，得到了最優(yōu)單循環(huán)進(jìn)尺、爆破參數(shù)等施工參數(shù)；吳夢(mèng)軍[2]通過數(shù)值模擬對(duì)卵石層小凈距隧道左右洞合理凈距和先后行洞掌子面安全縱向間距等施工參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化研究；李波[3]等針對(duì)軟巖隧道基于不同開挖方法進(jìn)行了施工參數(shù)優(yōu)化；另外也有不少學(xué)者針對(duì)不同地形條件下的隧道開挖施工參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化研究[4?10]。雖然已有不少學(xué)者對(duì)隧道掘進(jìn)的施工參數(shù)進(jìn)行了數(shù)值模擬優(yōu)化研究，但大多針對(duì)單線隧道或平行的雙線隧道，對(duì)于分岔小凈距隧道施工參數(shù)的優(yōu)化研究較少。因此，本文依托重慶火鳳山隧道工程，對(duì)分岔小凈距隧道的施工參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，包括隧道開挖進(jìn)尺、噴射混凝土厚度。

1 工程概況

本文依托重慶火鳳山隧道工程的分岔隧道段展開數(shù)值模擬計(jì)算?；瘌P山隧道位于城市中心地帶，下穿城市密集建筑群，隧道設(shè)計(jì)為分岔隧道，隧道主線在與連接線相交前，隧道斷面需經(jīng)加寬段多次加寬，最大開挖斷面面積超過400m²，凈空斷面面積為296.1m²。如圖1所示，左線隧道在開挖至ZK2 310處需要分岔為主線隧道和連接線隧道，且隧道凈空斷面較大。

2 數(shù)值模擬

2.1 計(jì)算模型

根據(jù)火鳳山隧道現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研獲取的隧道設(shè)計(jì)相關(guān)資料，建立立體網(wǎng)格模型，考慮到邊界效應(yīng)，左、右線隧道中心線向各自兩側(cè)延伸2～3倍最大開挖洞徑，最終計(jì)算模型的尺寸為長(zhǎng)175m、寬80m、高110m。

分岔小凈距隧道采用不同的開挖參數(shù)會(huì)對(duì)隧道支護(hù)的結(jié)構(gòu)受力及變形產(chǎn)生影響，同時(shí)也可能會(huì)延緩施工進(jìn)度及增加建設(shè)成本，因此需要針對(duì)分岔小凈距隧道的開挖進(jìn)尺、噴射混凝土厚度等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

2.2 分岔隧道開挖進(jìn)尺優(yōu)化分析

受到隧道開挖工法的影響，其開挖進(jìn)尺大小會(huì)在很大程度上影響施工進(jìn)度，本研究在原隧道施工方案的基礎(chǔ)上，增設(shè)多種開挖進(jìn)尺工況分析分岔隧道的力學(xué)特性。各工況如表1所示。

數(shù)值模擬開挖完成后，提取不同工況下分岔隧道段的初期支護(hù)受力云圖，綜合對(duì)比四種工法下隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)受力情況，如圖3及圖4所示。

根據(jù)圖3的最大主應(yīng)力云圖，四種工況下最大主應(yīng)力的最大值分別為2.753MPa、4.350MPa、3.396MPa、2.726MPa。對(duì)比分析，工況二最大主應(yīng)力最值較大且應(yīng)力集中區(qū)域較廣，工況一、工況三、工況四最值差距較小，但工況三、工況四應(yīng)力集中范圍較廣，工況一最大主應(yīng)力最值較小且應(yīng)力集中范圍較小，綜合四種工況，工況一主線隧道開挖進(jìn)尺1.6m，連接線隧道開挖進(jìn)尺1.6m對(duì)最大主應(yīng)力的控制較好。

根據(jù)圖4的最小主應(yīng)力云圖，工況一下最小主應(yīng)力的最大值為 11.758MPa，工況二下最小主應(yīng)力的最大值為 16.015MPa，工況三下最小主應(yīng)力的最大值為 15.336MPa，工況四下最小主應(yīng)力的最大值為 11.777MPa。通過比較可以看出工況一主線隧道開挖進(jìn)尺1.6m，連接線隧道開挖進(jìn)尺1.6m對(duì)最小主應(yīng)力控制較好。

綜合考慮安全和經(jīng)濟(jì)因素，工況一主線隧道開挖進(jìn)尺1.6m，連接線隧道開挖進(jìn)尺1.6m是較優(yōu)方案。

2.3 分岔隧道混凝土厚度優(yōu)化分析

分岔隧道噴射混凝土厚度會(huì)影響初期支護(hù)的剛度，從而引起支護(hù)結(jié)構(gòu)受力的變化，設(shè)置三種工況來研究不同噴射混凝土厚度對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)受力的影響，各工況如表2所示。

數(shù)值模擬開挖完成后，提取不同工況下分岔隧道段的初期支護(hù)受力云圖，綜合對(duì)比三種工法下隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)受力情況，如圖5～圖7所示。

對(duì)于連接線隧道和主線隧道，其支護(hù)結(jié)構(gòu)在拱頂和仰拱處均出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。三種工況下，最大主應(yīng)力值分別為3.338MPa、3.396MPa、3.477MPa，差距甚微。

三種工況下，最小主應(yīng)力值分別為 16.219MPa、 15.336MPa、 14.600MPa，因而，適當(dāng)增加初期支護(hù)噴射混凝土的厚度，隧道開挖造成的應(yīng)力集中現(xiàn)象可以得到有效緩解。

考慮到分岔隧道結(jié)構(gòu)安全的重要性，采用26cm的主線隧道噴射混凝土厚度，24cm的連接線隧道噴射混凝土厚度是較優(yōu)方案。

3 結(jié)論

本文依托重慶火鳳山隧道工程，針對(duì)該工程ZK3 310里程處的分岔小凈距段，采用數(shù)值模擬對(duì)主線隧道及連接線隧道的施工參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，包括開挖進(jìn)尺、噴射混凝土厚度，其中開挖進(jìn)尺設(shè)置4種工況，噴射混凝土厚度設(shè)置3種工況。通過分析每種工況下的初期支護(hù)結(jié)構(gòu)受力特性，得出以下結(jié)論：

（１）使用小凈距隧道不同的開挖進(jìn)尺進(jìn)行計(jì)算時(shí)，不同開挖進(jìn)尺組合下支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力最大值差異較大，1.6m開挖進(jìn)尺相比0.8m的短進(jìn)尺，能夠有效緩解結(jié)構(gòu)受力，在應(yīng)力集中區(qū)域能夠減少約3MPa的應(yīng)力。綜合考慮安全和經(jīng)濟(jì)因素，工況一主線隧道開挖進(jìn)尺1.6m，連接線隧道開挖進(jìn)尺1.6m是較優(yōu)方案。

（２）隧道采用1.6m進(jìn)尺相比現(xiàn)場(chǎng)采用的0.8m進(jìn)尺，能夠使隧道施工時(shí)間縮短將近一半，有效地阻止了隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步變形，從而減少隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力。

（３）通過對(duì)比小凈距隧道不同初期支護(hù)噴射混凝土厚度發(fā)現(xiàn)：不同工況下主線隧道和連接線隧道變形規(guī)律和數(shù)值基本一致；主線隧道和連接線隧道的噴射混凝土厚度各自增加2cm時(shí)，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力最大值相應(yīng)減少0.8MPa左右，對(duì)應(yīng)力最小值影響較小。在符合施工安全性的前提下建議采用主線噴射混凝土厚度為24cm，連接線為22cm。

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