大斷面空間交叉隧道變形及支護(hù)力學(xué)特性分析

李世麟， 張志強(qiáng)

(西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點實驗室，四川成都 610031)

眾所周知，在山區(qū)修建的公路交叉隧道越來越多[1]，由于受交通安全的要求和地形條件的限制，通常需要在隧道交叉的位置，擴(kuò)大主隧道斷面，設(shè)置緊急停車帶，用以確保隧道內(nèi)公路交通的安全與暢通，并防范交通事故發(fā)生時，引離故障車輛于干道。在建設(shè)公路交叉隧道時，設(shè)計、施工合理的緊急停車帶擴(kuò)大斷面，對于后期沿橫向安全開挖支洞，形成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、受力合理在的空間交叉隧道支護(hù)體系是十分重要的[2-4]。

“長河壩水電站交通工程”金康隧道，全長4 530 m，主要承擔(dān)電站施工期間場內(nèi)交通運(yùn)輸任務(wù)，為此，在金康隧道內(nèi)設(shè)置了4處緊急停車帶擴(kuò)大斷面，分別與3-1#隧道(13.5 m)、3-2#隧道(13.5 m)以及壩體填筑(高程1 580 m)隧道(13.5 m)相交。長河壩水電站交通工程金康隧道交叉隧道段在3-1#隧道匯入正洞的交叉口，隧道的跨度達(dá)到22.61 m，而橫向支洞—3-1#隧道自身的開挖寬度也達(dá)到13.5 m，其交叉角度近60°。由于金康主隧道在緊急停車帶處形成了超大斷面(斷面積大于200 m2)，屬于超大跨、扁平、特大斷面的地下工程，并且與雙向行車的橫向支洞—3-1#隧道近60°空間斜交，因此，所形成的交叉部結(jié)構(gòu)的受力十分復(fù)雜，施工難度顯著增大[5-6]。

本次計算主要包括以下內(nèi)容：基于現(xiàn)場的施工條件，建立空間有限元力學(xué)模型，進(jìn)行三維有限元數(shù)值模擬分析；研究III級圍巖下，緊急停車帶擴(kuò)大斷面開挖及支護(hù)后隧道交叉口處圍巖的空間應(yīng)力狀態(tài)，并進(jìn)行有關(guān)變形、應(yīng)力分析；通過有限元三維數(shù)值模擬，研究III級圍巖下，隧道襯砌完成后交叉結(jié)構(gòu)的變形狀態(tài)及其應(yīng)力分布。

1　模型建立

1.1　計算模型本構(gòu)關(guān)系的選擇

由于本次計算分析模擬的實體較多(如圍巖、初期支護(hù)等)，基于分析的重點的不同對不同的實體采用了不同的本構(gòu)關(guān)系。圍巖采用理想彈塑性本構(gòu)關(guān)系，噴混凝土采用彈性本構(gòu)關(guān)系。

在三維靜力分析中圍巖體選用理想彈塑性本構(gòu)關(guān)系，其屈服準(zhǔn)則采用Drucke-Prager屈服準(zhǔn)則(簡稱D-P準(zhǔn)則)。所謂的D-P準(zhǔn)則是把對巖土屈服有重要影響的靜水應(yīng)力因素加入了mises準(zhǔn)則中去，來模擬巖土的塑性屈服。

1.2　模型參數(shù)的選擇

依托工程涉及到V級圍巖物性指標(biāo)，因此計算圍巖參數(shù)按V級圍巖選取：參考現(xiàn)行的JIG D70-2004《公路隧道設(shè)計規(guī)范》。結(jié)果如表1所示。

表1　計算物理力學(xué)指標(biāo)

2　三維有限元靜力計算及分析

根據(jù)依托工程的實際情況，選取地層最不利埋深H=98.0 m，進(jìn)行模擬分析。

考慮模型的邊界效應(yīng)，因此模型在金康隧道主洞橫斷面方向(X向)取103 m，支洞縱向長度為47 m(投影長度為40 m)；主洞縱向(Z向)取110 m；隧道垂直方向(Y向)取128 m；左右邊界約束水平位移，下邊界約束豎直位移，上邊界為自由邊界。

2.1　模型構(gòu)建

考慮上述因素以后，隧道分析基本網(wǎng)格圖1、圖2。

圖1　模型網(wǎng)格

圖2　隧道網(wǎng)格

2.2　計算結(jié)果對比分析

2.2.1隧道變形

金康主隧道扁平率為0.48(或0.52)，屬超常扁平大跨隧道，研究支隧道開挖及支護(hù)施工過程中的主、支隧道的圍巖及支護(hù)的變形特征顯得尤其重要。變形總是最直觀的，也是最基本的；因此，研究本隧道交叉結(jié)構(gòu)時，首先應(yīng)對圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形進(jìn)行分析。而對于扁平大跨斷面隧道結(jié)構(gòu)而言，拱頂位移是其穩(wěn)定性評價的關(guān)鍵指標(biāo)。

2.2.1.1拱頂沉降

分析表2和圖3、圖4知，支隧道施工對主隧道變形有明顯的影響，主隧道拱頂呈現(xiàn)如下變形規(guī)律。

表2　隧道交叉口處拱頂位移隨施工過程變化　mm

圖3　扁平率0.48隧道拱頂位移隨典型施工過程變化

圖4　扁平率0.52隧道拱頂位移隨典型施工過程變化

在支洞開挖前，主洞拱頂位移沿主隧道縱向基本相同，扁平率為0.48的隧道的拱頂位移為18.0 mm左右，扁平率為0.52的隧道為17.4 mm左右。

在支洞開挖后，與支洞交叉處其拱頂位移較其他處大，這是由于此處襯砌在支洞一側(cè)被截斷，導(dǎo)致靠近此處結(jié)構(gòu)的剛性降低。在支洞開挖6 m以后，這種剛度降低的效果非常明顯了，扁平率為0.48的隧道為19.7，扁平率為0.52的隧道在交叉口處的拱頂位移為18.1。隨著拱頂觀測點斷面遠(yuǎn)離支隧道洞口，拱頂位移逐漸變小。

支隧道與主隧道為斜交60°，主隧道拱頂位移在主隧道縱向并不對稱，而在銳角一側(cè)拱頂位移較對稱位置的拱頂位移更大，說明該側(cè)受支洞施工影響更為明顯。隨著支隧道開挖掌子面不斷向前推移,支隧道開挖所引起的主隧道的位移量逐漸減小，扁平率為0.48和0.52的隧道表現(xiàn)出相同的規(guī)律。當(dāng)支洞開挖到10 m以后，主洞拱頂位移以達(dá)到最終位移值的93 %以上；當(dāng)支洞開挖到20 m以后，主洞拱頂位移以達(dá)到最終位移值的95 %以上；當(dāng)支洞開挖到30 m以后，主洞拱頂位移以達(dá)到最終位移值的97 %以上。

以支洞離主洞56.44 m處(即交叉口)拱頂位移為例，詳見表2，此處由于襯砌的被截斷，支洞施工對主洞影響最為嚴(yán)重，此處由于支洞施工引起的主洞拱頂位移為3.6 mm。在支洞施工6 m后，扁平率為0.48和0.52的隧道在此處主洞拱頂位移為19.7 mm和18.1 mm，支洞施工引起的主洞拱頂位移為1.7 mm和0.7 mm，約占總數(shù)的47 %和20 %；在支洞施工10 m后，扁平率為0.48和0.52的隧道此處主洞拱頂位移為20.2 mm和19.6 mm，支洞施工引起的主洞拱頂位移皆為2.2 mm，約占總數(shù)的61 %和62 %；在支洞施工20 m后，此處主洞拱頂位移為20.8 mm和20.0 mm，支洞施工引起的主洞拱頂位移為2.8 mm和2.6 mm，約占總數(shù)的78 %和73 %；在支洞施工30 m后，此處主洞拱頂位移為21.2 mm和20.4 mm，支洞施工引起的主洞拱頂位移為3.2 mm和3.0 mm，約占總數(shù)的89 %和83 %；這說明，在支洞20 m以后的施工對主洞的開挖的影響已經(jīng)很小了。且扁平率為0.48的隧道交叉處由于支洞開挖而導(dǎo)致的此處結(jié)構(gòu)的剛性降低，相比扁平率為0.52的隧道，要更為劇烈。

2.2.1.2洞周水平收斂

分析表3可知，在支洞開挖前，在離交叉口一定距離處，其洞周位移為對稱變形；在交叉口，由于初期襯砌的被截斷，結(jié)構(gòu)剛度不對稱，其洞周位移也從對稱變形變?yōu)椤捌蛑Ф匆粋?cè)”的不對稱變形。

支洞開挖完畢后，在離交叉口30 m處，鈍角一側(cè)斷面洞周位移基本呈對稱變形，但銳角一側(cè)斷面明顯受支洞施工影響更為嚴(yán)重，其洞周位移呈“偏向支洞一側(cè)”的不對稱變形，支洞一側(cè)比另一側(cè)在拱腳以下均大0.5 mm以上，扁平率為0.48的隧道的支洞一側(cè)的洞周水平收斂增大了0.8 mm，扁平率為0.52的隧道增大了0.7 mm；在離交叉口10 m，鈍角和銳角兩側(cè)斷面處都呈“偏向支洞一側(cè)”的不對稱變形，其中鈍角側(cè)斷面支洞一側(cè)比另一側(cè)在拱腳以下均大0.4 mm以上。

表3　洞周水平收斂示意　mm

可以看出，越靠近交叉口處，由支洞開挖導(dǎo)致洞周水平收斂就越大，且其中扁平率為0.52隧道洞周水平收斂相比于扁平率為0.48隧道要小一些。

2.2.2支護(hù)應(yīng)力

由表4知,交叉部襯砌，由于拱形的支撐作用被切斷，在支洞一側(cè)襯砌剛度被削弱，在“環(huán)口”處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。在支洞開挖前，主隧道襯砌只是由于交叉口處襯砌的削弱而在“環(huán)口”處應(yīng)力比其他部位要大。在“環(huán)口”附近主洞支護(hù)基本受拉，在墻角處受壓，此時，最大拉應(yīng)力位于主洞銳角側(cè)邊墻處，最大值為1.80 MPa，最大壓應(yīng)力位于靠近銳角側(cè)墻腳處，最大值為22.4 MPa。其應(yīng)力云圖從支洞軸線方向看基本對稱，而從主洞軸線方向看，其應(yīng)力云圖出現(xiàn)偏向“環(huán)口”側(cè)的彎曲。

在支洞施工完畢后，最大拉應(yīng)力值達(dá)到5.10 MPa，仍然偏向銳角側(cè)，在主隧道“環(huán)口”墻腳處的壓應(yīng)力繼續(xù)增大，靠近銳角側(cè)壓應(yīng)力值達(dá)53.2 MPa，鈍角側(cè)壓應(yīng)力值則為47.3 MPa；而支洞拱頂拉應(yīng)力區(qū)也延伸至支洞洞口。

表4　扁平率0.48的隧道支護(hù)應(yīng)力　MPa

由表5知，在支洞開挖前，主隧道襯砌由于交叉口處襯砌削弱而在“環(huán)口”處應(yīng)力比其他部位要大。在“環(huán)口”附近主洞襯砌基本受拉，在墻角處受壓，此時，最大拉應(yīng)力位于主洞拱頂處，最大值為2.46 MPa，最大壓應(yīng)力位于靠近銳角側(cè)邊墻處，最大值為22.6 MPa。

在支洞施工完后，在主隧道襯砌“環(huán)口”處出現(xiàn)“應(yīng)力集中”趨于穩(wěn)定，此時最大拉應(yīng)力值達(dá)到5.32 MPa，仍然偏向銳角側(cè)，在主隧道“環(huán)口”墻腳處壓應(yīng)力繼續(xù)增大，靠近銳角側(cè)壓應(yīng)力值達(dá)52.3 MPa，鈍角側(cè)壓應(yīng)力值則為46.4 MPa；而支洞拱頂拉應(yīng)力區(qū)也延伸至支洞洞口，第三主應(yīng)力最大值為0.53 MPa，其應(yīng)力云圖在離環(huán)口10 m之內(nèi)仍然偏向銳角側(cè)，在離環(huán)口10 m后基本對稱，在離環(huán)口20 m后呈對稱分布；在支洞與主洞襯砌交接下部(邊墻)銳角側(cè)的第三主應(yīng)力數(shù)值仍然大于鈍角側(cè)。

表5　扁平率0.52的隧道支護(hù)應(yīng)力　MPa

由于主隧道原有應(yīng)力以及主隧道造成的支隧道洞口多臨空面的存在，嚴(yán)重地危及到支隧道進(jìn)洞過程及進(jìn)洞后施工過程中支隧道洞口及洞口段的穩(wěn)定性。設(shè)計和施工時應(yīng)充分考慮進(jìn)洞施工的安全性，采取有效的加固措施，以防洞口及洞口段失穩(wěn)。

2.2.3支護(hù)內(nèi)力

隧道交叉部支護(hù)內(nèi)力見圖5～圖8。

圖5　扁平率0.48隧道交叉部支護(hù)軸力(單位:kN)

圖6　扁平率0.48隧道交叉部支護(hù)彎矩(單位:kN·m)

圖7　扁平率0.52隧道交叉部支護(hù)軸力(單位:kN)

圖8　扁平率0.52隧道交叉部支護(hù)彎矩(單位:kN·m)

因支洞施工，支護(hù)剛度降低，主隧道和支洞襯砌組成受力十分復(fù)雜交叉結(jié)構(gòu)，因此，支護(hù)結(jié)構(gòu)受力已不再是單一軸向受力，而產(chǎn)生部分彎曲受力的復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)。但從整體上看，在主隧道施工期間，對隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生重大影響的是橫向內(nèi)力及其變化。

支隧道開挖前，主隧道在離交叉口30 m處其內(nèi)力基本呈對稱分布，但在離交叉口10 m處受支洞處襯砌截斷影響，靠近支洞側(cè)彎矩略大于另一側(cè)。

在支隧道的開挖及支護(hù)施工過程中，隨著支隧道開挖掌子面的向前推移，施工引起的主隧道同一斷面的軸力及彎矩均逐漸增大(開挖完畢后，扁平率為0.48和0.52的隧道交叉口處的最大軸力達(dá)到843 kN和811 kN，最大彎矩達(dá)到19.4 kN·m和17.3 kN·m)。位于交叉口兩側(cè)的斷面軸力和彎矩的增量并不對稱，其中銳角一側(cè)比鈍角一側(cè)增量更大。

由于主隧道交叉口處支護(hù)在支洞一側(cè)被截斷，故不再起拱的作用，而是板或者殼的作用。因而支隧道的施工必將對主隧道的支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力產(chǎn)生明顯的影響，使其內(nèi)力形成了一種較復(fù)雜的分布情況，且這種影響在交叉口處更為明顯。因此應(yīng)加強(qiáng)交叉口處及其附近的支護(hù)強(qiáng)度，在支隧道進(jìn)洞前應(yīng)對洞口采取有效的加固措施并有必要采用一定的超前預(yù)加固措施，以保證進(jìn)洞安全。

3　結(jié)論

(1)由于主、支隧道相互影響，在支隧道施工過程中，主、支隧道的拱頂位移均表現(xiàn)為交叉口處最大，并隨著觀測斷面遠(yuǎn)離交叉口，其拱頂位移也逐漸減小。且支隧道在進(jìn)洞20 m范圍內(nèi)的相互影響較為明顯。

在兩種扁平率情形下，主隧道扁平率為0.48時的主、支隧道的拱頂位移均比扁平率為0.52時的要大，說明扁平率越小，在施工過程中主、支隧道的相互影響越明顯。

施工過程中，交叉部圍巖受到反復(fù)擾動，地應(yīng)力場多次重分布，并導(dǎo)致主隧道與支洞組成的交叉結(jié)構(gòu)變形和受力十分復(fù)雜。

(2)由于主、支隧道相互影響，在支隧道施工過程中，主、支隧道的支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布為：兩種內(nèi)力均表現(xiàn)為交叉口處最大，并隨著觀測斷面遠(yuǎn)離交叉口，其拱頂位移也逐漸減小。且支隧道在進(jìn)洞20 m范圍內(nèi)的相互影響較為明顯。

(3)兩種扁平率情形下的交叉結(jié)構(gòu)各有優(yōu)劣。其中主隧道扁平率為0.48時，在支隧道的支護(hù)內(nèi)力和交叉部的圍巖應(yīng)力集中程度兩方面比扁平率為0.52時略顯優(yōu)越，而在主隧道的內(nèi)力及交叉部的支護(hù)應(yīng)力集中兩方面，扁平率為0.48時比0.52時又略顯劣勢。因此就內(nèi)力及應(yīng)力分析而言，很難對兩種交叉結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行取舍。