喇叭口分岔隧道過渡段結構優化選型研究

李曉龍 王忠偉 金飛

摘要：隨著我國交通流量的不斷增加，在鐵路車站、地鐵車站不可避免地會遇到多座隧道匯集至車站的情況，而多座隧道匯集至車站常常采用喇叭口分岔隧道的形式，如何合理設計喇叭口分岔隧道，目前國內尚處于經驗積累階段。本文針對Y形分岔隧道，采用Flac3D軟件構筑三維數值分析模型，對三種設計方案的受力情況進行分析計算，綜合三種方案的通風效果、經濟性、可施工性，對三種方案進行了比選。

Abstract： With the continuous increase of China's traffic flow， railroad stations and subway stations will inevitably encounter the situation that multiple tunnels converge to the station， and the convergence of multiple tunnels to the station often takes the form of a flared branch tunnel. How to reasonably design flared bifurcation tunnel is still in the stage of accumulated experience in China at present. In this paper， for the Y-shaped bifurcation tunnel， Flac3D software is used to construct a three-dimensional numerical analysis model. The stress of the three design schemes is analyzed and calculated. The ventilation effects， economics and constructability of the three schemes are integrated for the selection of three design schemes.

關鍵詞：分岔隧道;數值分析;設計優化;受力特性;綜合比選

Key words： bifurcation tunnel;numerical analysis;design optimization;mechanical characteristics;comprehensive comparison and selection

中圖分類號：U451? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）02-0168-03

0? 引言

近年來，隨著我國鐵路、城市軌道交通的快速發展，車站設置地下的情況越來越常見，而區間隧道匯入車站隧道不可避免地會遇到喇叭口分岔隧道的問題。分岔隧道結構受力復雜，施工難度大，不僅造價高，而且容易發生施工安全事故，如何合理設計分岔隧道在過渡段的結構形式，不僅會對隧道的施工安全產生影響，而且會影響隧道的經濟性、可施工性以及運營期的通風性能。

本文針對某鐵路車站分岔隧道過渡段的三種結構形式，采用FLAC3D軟件構建三維數值分析模型對其受力變形情況進行分析計算，同時結合不同方案的經濟性、可施工性、通風性等進行綜合比選，最終確定較優方案。該分析結果可為今后分岔口隧道過渡段的結構選型提供參考。

1? 工程概況

受地形條件限制，某鐵路車站設在隧道內，隧道所處地段圍巖等級為III級圍巖，車站隧道采用大跨度四線隧道，總寬度22m，區間隧道采用雙連拱隧道，單洞跨度11m，在車站隧道與連拱隧道之間形成長度30m的過渡段。針對過渡段的復雜結構，設計單位提出了三種設計方案進行比選，方案如圖1所示。

2? 不同方案受力變形特性比較

2.1 數值分析模型構建

隧道所處地段圍巖為III級圍巖，根據規范III級圍巖的容重、彈性模量、內聚力、摩擦角分別取23kN/m3、6GPa、0.3、700kPa、40°，C25混凝土、C30混凝土的物理力學參數取值見表1所示，錨桿按照桿單元設置，取其彈性模量為200GPa。

本文采用FLAC3D軟件對隧道的受力情況進行建模，分別構建了過渡段、四線連拱隧道的三維數值分析模型，見圖2所示。

2.2 數值分析結果

為對三個方案的受力變形性能進行全面比選，研究針對四線連拱隧道設置了11個關鍵受力變形分析點，對大跨度隧道設置了6個關鍵受力變形分析點。四線連拱隧道的關鍵受力變形分析點分別設置在左右洞的拱頂、拱腳、邊墻頂部、仰拱底部、中隔墻頂部、中隔墻墻角;大跨度隧道的關鍵受力變形分析點分別設置在拱頂、拱腳、邊墻頂部、仰拱底部;詳見圖3所示。

計算分析結果如表2、表3所示，綜合受力與變形分析結果可知，方案一的受力變形狀況最差，方案二的受力變形性能最好，而方案三的受力變形狀況介于二者之間。

3? 不同方案的其他性能比選

3.1 經濟性對比分析

按照三個方案的過渡段均為30m設置，可求得不同方案的開挖體積和支護體積如表4所示，由表中計算的結果可知方案1的工程量最大，方案2的工程量最小，方案三的工程量介于二者之間。

3.2 可施工性對比分析

由圖1可知，方案1在施工過程中只存在一處斷面突變的情況，因此在施工放線和開挖斷面的控制過程中最為簡單，很容易控制，因此可施工性最佳。而方案二在四線連拱隧道與大跨度隧道之間連接光滑，這就意味著在隧道施工過程中開挖斷面必須不斷復測、不斷修正，因此施工控制的難度最大，可施工性也最差。而方案三在四線連拱隧道與大跨度隧道之間采用漸變斷面進行連接，施工控制的難度較方案二大大降低，但仍然高于方案一。

3.3 通風性能對比分析

方案二的洞內線形最為順暢，因此運營期通風性能最佳;方案一在連接處存在突變，通風的阻力最大，因此運營期通風性能最差;方案三采用漸變斷面，過渡段通風存在一定的損耗，但較方案一大大改善，但不如方案二的通風性能好。

4? 隧道過渡段設計方案的綜合比選

有以上分析可知，就受力變形特性而言，方案二優于方案三，優于方案一;就經濟性而言，方案二優于方案三，優于方案一;就可施工性而言，方案一優于方案三，優于方案二;就通風性而言方案二優于方案三，優于方案一。

對于車站隧道過渡段而言，這樣的重大節點首先要注重安全性，方案一存在明顯的結構突變導致的應力集中現象，因此應首先排除。而對于方案二和方案三，二者的經濟性、通風性能相差不大，方案三的可施工性明顯優于方案二，考慮到方案二的施工控制難度較大，因此優先選用方案三。

5? 結語

分岔口隧道的過渡段受力情況十分復雜，本文采用FLAC3D軟件針對分岔口隧道過渡段的三種不同方案分別進行了計算分析，在此基礎上進一步對不同方案的可施工性、經濟學、通風性能等指標進行了對比分析，在此基礎上對設計方案進行了綜合比選。分析結果表明，三種方案在不同性能上表現出差異，不存在一種方案在各項指標中全面占優的情況，因此只能具體情況選擇相對較優的方案。根據本工程的特點，確定了安全性要求>可施工性要求>經濟性要求>通風性要求的比選原則，并最終確定了方案三為較優方案。

參考文獻：

[1]王輝，陳衛忠，陳培帥，田洪銘，曹俊杰，趙武勝.淺埋大跨小凈距隧道斷面形態及合理間距的優化研究[J].巖土力學，2011（S2）.

[2]畢強，吳金剛.大跨分岔式隧道結構設計關鍵技術研究[J]. 隧道建設，2011（06）.

[3]周豐峻，鄭磊，周麗，王培濤.城市大跨度地下空間工程技術研究[J].重慶交通大學學報（自然科學版），2011（S2）.

[4]林志，李勇，靳曉光.大型江底地下互通式立交樞紐建造技術研究[J].土木工程學報，2010（02）.

[5]馮謙，黃江.大跨度地下結構震害特征及破壞機理探討[J].大地測量與地球動力學，2009（S1）.

[6]李勇，李曉春，胡學兵.地下互通式立交隧道設計與施工[J].公路交通技術，2007（S1）.

[7]夏保祥，程崇國.三車道大斷面公路隧道研究現狀綜述[J].地下空間，2002（04）.

[8]楊萬斌，薛璽成.地下洞室的間距和斷面優化計算方法[J].巖土工程學報，2001（01）.

[9]王應富，蔣樹屏，張永興.四車道隧道動態施工力學研究[J].公路交通科技，2005（S1）.

[10]韓鵬.鐵路專用線高度不足條件下隧道口架梁施工技術研究[J].價值工程，2016，35（09）：109-114.