大跨分岔隧道分岔段施工方法分析

大跨分岔隧道分岔段施工方法分析

刘斌鸿

身份证号码：44522119820415XXXX

摘要：大跨分岔段隧道跨度大且分岔段形态复杂多变，支护结构与周边围岩的受力特性采用常规的二维平面应变研究方法已不能反映围岩与支护的真实特性，需要结合施工方法进行三维数值分析进行地层结构分析。本文主要对大跨分岔隧道分岔段施工方法进行探究，仅供相关人员参考。

关键词：大跨；分岔隧道；分岔段；施工方法

引言

由于受特殊地形、地质条件，以及路线平、纵、横指标等组合因素的制约，传统的、单一的双洞分离式隧道形式已难以满足需求。连拱隧道和小净距隧道等特殊结构形式隧道的出现成功地解决了这一问题。大跨分岔隧道的施工就成了隧道设计施工中的重点和难点。

1工程概况

某地区隧道工程从性质来看，为复杂的分岔式立交隧道，隧道右线长１４５５ｍ，左线长１４８５ｍ，最大埋深约为１５０ｍ，设计时速８０ｋｍ／ｈ。隧道分岔部结构形式如下超大断面位于左线Ｋ１＋８９０～Ｋ１＋９４１段，全长５１ｍ，超大断面内轮廓跨度２４.６２５ｍ、高１４.８７９ｍ，毛洞开挖断面跨度约２７.２ｍ、高１７.３ｍ，开挖方量３６０ｍ３／延米。隧道分岔段所处地层为Ⅲ类围岩，地貌属残丘台地，上部土层主要为坡、残积土覆盖，下伏全、强、中及微风化岩层。对于Ⅲ类围岩超大断面常用施工方法为双侧壁导坑法，连拱段常用施工方法为中导洞法全断面法，小净距段常用施工方法为台阶法或单侧壁导坑法。

2施工模拟及计算模型

2.1模拟概况

在大跨分岔隧道分岔段施工过程中，隧道在分岔段的形式依次是超大断面段、连拱段、小净距段。设计上可以确定不同段的施工方法超大断面段采用双侧壁导坑法施工，连拱段采用中导洞法施工，小净距段施工组合方法有待进一步比选。小净距段开挖方法有３种方法：①左右洞均采用上下台阶法开挖。②左洞采用上下台阶法开挖，右洞采用ＣＤ法开挖。③左右双洞均采用ＣＤ法施工。此次模型计算中，重点考察的是在超大断面、分岔段、小净距段开挖过程中，不同段的竖向变形、水平变形、各个关键点的初支应力以及连拱段中墙、小净距段夹岩的受力情况。当各种施工方法造成的影响比较接近时，应该结合实际情况，参考其经济、施工管理合理性来选取合适的施工方法。

2.2过程模拟

在大跨分岔隧道分岔段施工过程中，根据隧道施工工序设计的开挖步序，本次数值模拟采用的开挖步序为：超大断面段施工方法：采用双侧壁导坑法开挖，即先开挖左、右导洞，后开挖中间土柱。连拱段：采用中导洞全断面法开挖。小净距段：左右洞均采用上下台阶法开挖；左洞采用上下台阶法开挖，右洞采用ＣＤ法开挖；左右洞均采用ＣＤ法开挖。隧道围岩分级为Ⅲ级，衬砌喷混采用Ｃ２５强度等级混凝土，二衬采用Ｃ３０强度等级混凝土，锚杆和超前支护采用等效弹性模量法，将支护范围内围岩的弹性模量提高２５％，各种材料的物理力学参数如表1所示。

表1各种材料的物理力学参数

3计算结果与分析

3.1竖向位移

就整个工程项目建设实际情况来看，在隧道施工中，拱顶的沉降值为施工控制的重要指标。竖向位移随开挖的进行逐渐增大，在施工结束后都趋于收敛，由此证明分岔段在施工过程中未出现围岩失稳现象。超大断面拱顶沉降在初支封闭后不再增加，拱顶沉降现象得到有效控制，最终拱顶沉降值为１.８ｃｍ。连拱段受超大断面段开挖影响，左洞和右洞均有一定的初始沉降值。右洞受左洞开挖影响，初始拱顶沉降较大；同时右洞开挖后左洞拱顶沉降有增大趋势，说明左洞拱顶沉降亦受右洞开挖影响；随着开挖的进行，左右洞拱顶沉降逐渐增大，最终趋于稳定。左右洞拱顶最终沉降值大致相同，约为０.５３ｃｍ。小净距段受超大断面及连拱段开挖的影响，左洞和右洞有一定的初始沉降值。左洞拱顶沉降随开挖步增加幅度偏大，尤以采用单侧壁导坑法时为甚。这表明施工中围岩的多次扰动对围岩的稳定有较大影响，应尽量减少扰动。从右拱顶沉降曲线可知，在右洞未开挖前右拱顶已发生位移，单侧壁导坑法时其变形量为总沉降值的４９.２％，台阶－单侧壁导坑组合法时为２４.０％，上下台阶法时为１９.６％。同时，相比单侧壁导坑法，其他两种开挖方法整个施工过程的总竖向位移量的７０％～８０％产生在本阶段的开挖过程中，某一开挖步施工对其他工序时的位移影响较小。

3.2水平位移

超大断面隧道拱脚处水平位移开始逐渐增大，第１２步以后趋于稳定并收敛，最终收敛值为０.００３３ｍ。中隔墙顶部水平位移大于墙身中部和底部，这说明连拱段中隔墙墙身上部受压较大。３种开挖方法时中，夹岩各点水平位移的总体趋势是顶部最大，中部次之，底部最小。模型１、２、３比较可知，左洞单侧壁导坑开挖时对围岩扰动过多以致水平位移值偏大。左洞采用台阶法开挖时减少了围岩的扰动，右洞施工则在围岩已有部分扰动的基础上，采用较小断面开挖有助于围岩整体的稳定。总体而言，３种开挖方法对中夹岩体稳定的影响基本一致，而单侧壁导坑法施工对隧道自身围岩的稳定影响偏大。

3.3小净距段各个关键点的初支应力

结构的初支应力均小于钢筋屈服强度，满足安全性要求。在连拱隧道和小净距隧道施工中，左洞的初支应力大于右洞，说明施工存在偏压问题。这与前面左右动拱顶位移规律一致。左洞采用台阶法开挖、右洞采用单侧壁导坑法时，左右洞各个关键点的初支应力小于采用台阶法开挖。

4连拱段中隔墙、小净距段受力情况

4.1连拱段中隔墙受力

施工结束后中隔墙顶部、中部、底部承受的最大应力分别为２.２７ＭＰａ（压）、０.９１ＭＰａ（拉）、２.２４ＭＰａ（压）。中隔墙顶部、底部主要承受压应力，中部主要承受拉应力。故中隔墙顶部、底部可能发生压剪破坏，中隔墙中部可能产生拉剪破坏，建议加强此部位的强度，防止剪切破坏。

4.2小净距段的受力

隧道围岩应力集中部位主要出现在拱顶及墙脚部位。其中，墙脚部位应力集中较为明显，且３种方法的范围大致相同。在拱顶部位，单侧壁导坑法出现拉应力区域最大，主要集中在左右两隧的顶部，范围面积约为上下台阶法的２倍；台阶－单侧壁导坑组合法的拉应力区域很小，最大拉应力为０.３２ＭＰａ。由此可知，单侧壁导坑法施工对围岩扰动次数多，产生的应力集中区域相对较大，而上下台阶法一次开挖断面较大，应力集中现象也较为明显。夹岩顶部、底部主要承受压应力，中部主要承受拉应力，且与压应力相比，拉应力数值较大，夹岩中部可能发生拉剪破坏。

结语

本文主要研究了某隧道超大断面段、连拱段、小净距段的施工方法。超大断面段采用双侧壁导坑法施工，连拱段采用中导洞法施工，小净距段开挖方法有３种方法：左右洞均采用上下台阶法开挖；左洞采用上下台阶法开挖，右洞采用ＣＤ法开挖；左右双洞均采用ＣＤ法施工。通过综合比较，小净距隧道左洞采用上下台阶法开挖，右洞采用ＣＤ法开挖为最优开挖方案。

参考文献

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