不同凈距下淺埋分岔隧道力學(xué)行為研究

邢渝遙 謝義正

(重慶交通大學(xué)， 重慶 400074)

近年來(lái)，為緩解地面交通擁堵，地下互交隧道建設(shè)應(yīng)運(yùn)而生。地下隧道常常設(shè)計(jì)成分岔形式，分岔隧道過(guò)渡段由不同斷面形式組合而成，如小凈距與大跨的過(guò)渡、連拱與大跨的過(guò)渡以及連拱與小凈距的過(guò)渡等。然而，考慮到隧道在變截面處極易產(chǎn)生應(yīng)力集中，可能導(dǎo)致圍巖變形嚴(yán)重，分岔隧道過(guò)渡段的設(shè)計(jì)與施工是隧道建設(shè)的重難點(diǎn)之一[1-3]。

目前國(guó)內(nèi)對(duì)分岔隧道的研究主要集中于施工方面，如對(duì)分岔隧道反向擴(kuò)挖法[4]、三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法[5-6]、無(wú)中導(dǎo)洞施工工法[7]等不同施工方法進(jìn)行研究分析。此外，在分岔隧道施工力學(xué)行為方面的研究也不少，如張俊儒[8]等利用“以索代撐”的思想，并結(jié)合圍巖強(qiáng)度高的特點(diǎn)，提出主動(dòng)支護(hù)的鋼架巖墻組合支撐法并對(duì)其進(jìn)行工法優(yōu)化。安永林[9]等揭示了左右線(xiàn)分岔四洞隧道依次施工的相互影響規(guī)律，提出在設(shè)計(jì)施工時(shí)應(yīng)注意加強(qiáng)過(guò)渡段的支護(hù)。張富鵬[10]等對(duì)比分析反向擴(kuò)挖法和傳統(tǒng)中隔墻法對(duì)分岔隧道的影響，證明兩種工法均能保證隧道施工安全，但反向擴(kuò)挖法更優(yōu)。葉倫[11]對(duì)分岔隧道施工力學(xué)特性的研究分析中，對(duì)支護(hù)手段提出優(yōu)化建議。

綜上所述，目前國(guó)內(nèi)對(duì)分岔隧道的研究已經(jīng)較為深入，不少專(zhuān)家學(xué)者都得出了相對(duì)完整的成果結(jié)論，但在分岔隧道凈距方面的研究還存在一些不足。因此，文章依托嘉濱路連接道分岔隧道，開(kāi)展不同凈距對(duì)分岔隧道影響研究，對(duì)隧道圍巖位移以及初支應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行分析。

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)條件

重慶環(huán)道三期工程嘉濱路連接道分岔隧道過(guò)渡段里程為K 0+008.000～K 0+048.000，位于重慶市渝中區(qū)解放碑。該工程旨在緩解市中心地區(qū)地面交通擁堵情況，提高地下互交系統(tǒng)的利用率和周轉(zhuǎn)率，綜合改善市中心交通擁堵的狀況。分岔隧道小凈距段最大埋深18.1 m，隧道凈寬9 m，凈高7.4 m；大跨段最大埋深12.6 m，隧道凈寬23 m，凈高13.232 m。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘測(cè)后得，嘉濱路連接道原始地形地貌屬于構(gòu)造剝蝕淺丘地貌，位于解放碑向斜西翼，巖層走向與分岔隧道K 0+008～K 0+048m段走向斜交角度小(為40°～44°)。該段隧道所處范圍內(nèi)地下水貧乏，水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單。分岔隧道上覆土層厚約0.5～2 m，主要是雜填土，在場(chǎng)地大部分范圍均有分布，下伏侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組中厚層砂巖、泥巖。隧道圍巖級(jí)別為Ⅳ級(jí)，巖體整體強(qiáng)度較高。

1.2 分岔隧道開(kāi)挖方法

分岔隧道過(guò)渡段由小凈距隧道和大斷面隧道連接而成，小凈距隧道采用全斷面法開(kāi)挖，先開(kāi)挖左洞后開(kāi)挖右洞；大斷面隧道采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開(kāi)挖，施工順序如圖1所示，開(kāi)挖進(jìn)尺均為1 m。

1.左側(cè)壁導(dǎo)坑上臺(tái)階開(kāi)挖；2.左側(cè)壁導(dǎo)坑上臺(tái)階初期支護(hù)施作；3.左側(cè)壁導(dǎo)坑下臺(tái)階開(kāi)挖；4.左側(cè)壁導(dǎo)坑下臺(tái)階初期支護(hù)施作；5.右側(cè)壁導(dǎo)坑上臺(tái)階開(kāi)挖；6.右側(cè)壁導(dǎo)坑上臺(tái)階初期支護(hù)施作；7.右側(cè)壁導(dǎo)坑下臺(tái)階開(kāi)挖；8.右側(cè)壁導(dǎo)坑下臺(tái)階初期支護(hù)施作；9.中夾巖上臺(tái)階開(kāi)挖；10.中夾巖上臺(tái)階初期支護(hù)施作；11.中夾巖中部開(kāi)挖；12.中夾巖下臺(tái)階開(kāi)挖；13.中間下臺(tái)階初期支護(hù)施作；14.隧道二襯施作

1.3 分岔隧道初期支護(hù)參數(shù)

小凈距段左右洞初支參數(shù)：采用φ25 mm的砂漿錨桿，長(zhǎng)3.5 m，間距1 m×0.8 m，梅花形布置；噴射混凝土采用厚270 mm的C30混凝土；鋼架采用I20b型鋼，縱向間距0.8 m；鋼筋網(wǎng)采用單層φ8 HPB300鋼筋。大跨段初支參數(shù)：采用R28 mm的中空錨桿，長(zhǎng)5 m，間距0.8 m×0.55 m，梅花形布置；噴射混凝土采用厚320 mm的C30混凝土；鋼架采用HW250×250 mm型鋼，縱向間距0.55 m；鋼筋網(wǎng)采用雙層φ8HPB300鋼筋。

2 數(shù)值模擬模型

2.1 假定條件

(1)圍巖滿(mǎn)足連續(xù)、均質(zhì)和各向同性的彈塑性模型假定。

(2)不考慮地下水影響。

(3)不考慮土體時(shí)空效應(yīng)。

(4)巖土體本構(gòu)滿(mǎn)足M-C屈服準(zhǔn)則。

(5)土體開(kāi)挖不影響土體力學(xué)參數(shù)。

(6)初期支護(hù)為理想彈性材料。

2.2 模型概況

采用MIDAS GTS/NX軟件建立不同凈距條件下的分岔隧道數(shù)值模型，如圖2所示?？紤]模型邊界后尺寸選為140 m×80 m×60 m，隧道參數(shù)及巖體條件按照設(shè)計(jì)圖紙?jiān)O(shè)置。模型整體共 61 160 個(gè)單元，40 003個(gè)節(jié)點(diǎn)。模型中隧道的施工步驟為：小凈距段左洞→小凈距段右洞→大跨段左導(dǎo)坑→大跨段右導(dǎo)坑→大跨段中夾巖。

圖2 數(shù)值模型概況圖

2.3 材料參數(shù)

依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘測(cè)報(bào)告及JTG 3370.1-2018《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》得出模型中材料的物理力學(xué)參數(shù)，如表1所示。

表1 材料物理力學(xué)參數(shù)表

2.4 主要研究?jī)?nèi)容

參照嘉濱路連接道實(shí)際工程情況設(shè)計(jì)3種不同凈距方案：1.5 m凈距、2 m凈距和3 m凈距。采用數(shù)值仿真對(duì)3種不同凈距下的分岔隧道施工分別進(jìn)行模擬，通過(guò)對(duì)比分析不同凈距下圍巖位移及初期支護(hù)結(jié)構(gòu)受力，為分岔隧道過(guò)渡段建設(shè)給出合理化建議。

3 不同凈距計(jì)算結(jié)果分析

選取分岔隧道連接斷面(Y=20 m)作為分析的主要對(duì)象。

3.1 不同凈距對(duì)水平收斂的影響

不同凈距下過(guò)渡段小凈距斷面和大跨斷面的水平收斂隨施工步的變化曲線(xiàn)如圖3所示。

由圖3(a)可知，小凈距隧道開(kāi)挖時(shí)，不同凈距對(duì)連接處斷面的水平收斂幾乎不產(chǎn)生影響。大跨隧道開(kāi)挖時(shí)，不同凈距對(duì)水平收斂的影響明顯變大。小凈距段凈距為3 m時(shí)對(duì)水平收斂的影響最大，凈距為 1.5 m 時(shí)對(duì)水平收斂的影響最小，左洞相差0.2 mm，右洞相差0.17 mm。

圖3 分岔隧道不同凈距條件下圍巖水平收斂的影響圖

由圖3(b)可知，小凈距隧道開(kāi)挖對(duì)不同凈距下大跨斷面的水平收斂影響很小。大跨隧道開(kāi)挖時(shí)，不同凈距對(duì)大跨斷面的水平收斂影響增大，小凈距段凈距3 m時(shí)水平收斂最大，收斂最大值為1 mm，凈距為1.5 m 時(shí)水平收斂最小，收斂最大值為0.81 mm。

3.2 不同凈距對(duì)拱頂沉降的影響

不同凈距下小凈距斷面和大跨斷面拱頂圍巖豎向位移隨施工步變化曲線(xiàn)如圖4所示。

由圖4(a)可知，不論是小凈距隧道開(kāi)挖，還是大跨隧道開(kāi)挖，不同凈距對(duì)連接處小凈距隧道的拱頂沉降影響非常小。隧道貫通后，與小凈距隧道凈距為1.5 m和2 m相比，當(dāng)凈距為3 m時(shí)，連接處小凈距斷面的拱頂沉降略小。

從圖4(b)可知，在小凈距隧道開(kāi)挖時(shí)，不同凈距對(duì)連接處大跨斷面的拱頂沉降影響極?。划?dāng)大跨隧道開(kāi)挖時(shí)，凈距對(duì)大跨斷面拱頂沉降的影響逐漸變大。小凈距隧道凈距為3 m時(shí)拱頂沉降最小，最終沉降值為1.52 mm，當(dāng)凈距為1.5 m時(shí)，拱頂沉降最大，最終沉降值為1.69 mm。

圖4 分岔隧道不同凈距條件下圍巖拱頂沉降的影響圖

3.3 不同凈距對(duì)拱底隆起的影響

分岔隧道連接處小凈距斷面及大跨斷面拱底的豎向位移隨施工步變化曲線(xiàn)圖如圖5所示。

圖5 分岔隧道不同凈距條件下圍巖拱頂沉降的影響圖

從圖5(a)可知，不同凈距對(duì)連接處小凈距斷面拱底隆起幾乎不產(chǎn)生影響，且3種不同凈距下左右洞的最終隆起值都約為4.7 mm。

由圖5(b)可知，大跨隧道開(kāi)挖時(shí)3種不同凈距對(duì)大跨斷面拱底隆起的影響較大。小凈距隧道凈距為1.5 m時(shí)拱底隆起值最大，為3.61 mm，其次是凈距為2 m和3 m，隆起值分別為3.46 mm和3.28 mm。

3.4 不同凈距對(duì)過(guò)渡段初支應(yīng)力的影響

分岔隧道初期支護(hù)應(yīng)力狀態(tài)分布較為復(fù)雜，應(yīng)力集中現(xiàn)象主要集中在分岔隧道的連接處，如圖6、圖7所示(以分岔隧道連接處兩端各2 m范圍為例)。

圖6 連接斷面最大主應(yīng)力云圖

圖7 連接斷面最小主應(yīng)力云圖

由圖6、圖7可知，隧道開(kāi)挖完成后，分岔隧道連接段初期支護(hù)最大及最小主應(yīng)力主要集中在連接斷面前2 m小凈距段左右拱腳處和中夾巖柱內(nèi)側(cè)左右拱肩處。提取應(yīng)力集中處的6個(gè)觀測(cè)點(diǎn)初期支護(hù)最大及最小主應(yīng)力如表2、表3所示。

表2 分岔隧道連接處初期支護(hù)最大主應(yīng)力表(MPa)

表3 分岔隧道連接處初期支護(hù)最小主應(yīng)力表(MPa)

由表2、表3可知，隧道開(kāi)挖完成后分岔隧道連接段初期支護(hù)最大主應(yīng)力最大值發(fā)生在中夾巖柱右側(cè)拱肩處，約為11.71 MPa；最小主應(yīng)力最大值發(fā)生在中夾巖柱左側(cè)拱肩處，約為35.49 MPa。此外，隧道凈距越大，初期支護(hù)的最大及最小主應(yīng)力越小。

4 監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

選取嘉濱路連接道分岔段監(jiān)控量測(cè)斷面對(duì)小凈距斷面(里程為ZK 0+048和YK 0+048處)，將數(shù)值模擬中的拱頂豎向位移(凈距為3 m時(shí))和實(shí)際監(jiān)控量測(cè)結(jié)果(凈距為1.5 m)進(jìn)行對(duì)比分析，如圖8所示。

圖8 拱頂沉降監(jiān)測(cè)對(duì)比圖

由圖8可知，數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)趨勢(shì)基本吻合，且凈距為3 m時(shí)數(shù)值模擬的拱頂沉降小于實(shí)際監(jiān)控量測(cè)的拱頂沉降，這說(shuō)明適當(dāng)增大凈距會(huì)減小圍巖的拱頂沉降。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)重慶市嘉濱路連接道施工全過(guò)程的數(shù)值模擬，對(duì)比分析了不同凈距下分岔隧道過(guò)渡斷面的圍巖位移與初支應(yīng)力狀態(tài)，得到主要結(jié)論如下：

(1)分岔隧道過(guò)渡段開(kāi)挖會(huì)對(duì)連接處小凈距及大跨斷面的圍巖水平收斂、拱頂及拱底豎直位移產(chǎn)生較大的影響。分岔隧道圍巖水平位移最大值發(fā)生在大跨段，約為1.01 mm；圍巖豎向位移最大值發(fā)生在小凈距段拱底處，約為4.7 mm。

(2)隧道凈距越大，連接斷面水平收斂就越大；凈距越小，連接斷面拱頂及拱底的豎向位移就越大。

(3)隧道貫通后沿隧道方向的初支應(yīng)力主要集中在連接斷面前2 m的小凈距隧道拱腳處以及中夾巖左右側(cè)拱肩處。同時(shí)，連接斷面處會(huì)發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，建議在分岔隧道連接處加強(qiáng)支護(hù)以及嚴(yán)格監(jiān)測(cè)。

(4)分岔隧道凈距越大時(shí)，初期支護(hù)的最大主應(yīng)力及最小主應(yīng)力越小。初支最大主應(yīng)力最大值發(fā)生在中夾巖柱右側(cè)拱肩處，當(dāng)凈距為1.5 m和3 m時(shí)，最大值分別為11.71 MPa和7.58 MPa。初支最小主應(yīng)力最大值發(fā)生在中夾巖柱左側(cè)拱肩處，凈距為1.5 m和3 m時(shí)，其最大值分別為35.49 MPa和29.64 MPa。

(5)數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際監(jiān)控量測(cè)的拱頂沉降趨勢(shì)大致吻合，研究具有一定合理性。增加小凈距隧道間距至3 m對(duì)圍巖拱頂沉降有一定的優(yōu)化。