小凈距隧道與橫通道空間交叉結構施工力學分析

王 緒， 鐘 敏, 晏啟祥

(1. 西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室， 四川成都 610031;2. 中鐵隆工程集團有限公司, 四川成都 610046)

公路隧道在修建時要滿足運輸安全的要求，應當在隧道中設置橫通道，用以運營避難、救援和維修管理以及避免隧道火災帶來的損失，使得車輛及行人在隧道發生火災和交通事故時能迅速撤離隧道，確保運輸的安全與暢通[1-3]。

由于橫通道的設置，隧道交叉結構處的受力狀態復雜，在施工過程中會對主線隧道產生不利影響，是隧道建設過程薄弱的環節[4-5]。徐學深[6]結合青海某高速隧道工程，采用數值模擬的方法對隧道橫通道的開挖過程進行模擬，得到交叉結構受力和變形的最不利位置。張志強等[2]依托萬梁高速公路馬王槽1號隧道，采用現場實測與數值模擬研究手段，對主隧道與車行橫通道組成的空間交叉結構進行了施工力學研究。目前，國內對隧道交叉結構的施工力學研究主要針對的是獨立雙洞隧道和長大單洞隧道[7-8]。由于隧道在建設過程中易受到地形、地物等多方面因素的限制，小凈距隧道的結構形式正得到越來越多的應用[9-10]。但目前對小凈距隧道空間交叉結構施工力學研究較少，文章將采用數值模擬的方法對小凈距隧道橫通道空間交叉結構施工力學進行研究。

1 數值模型

1.1 參數的選取

有關參數的選取，根據隧道規范《隧道設計細則》中給出的材料參數經驗取值(表1)。

表1 相關材料參數

1.2 模型的建立

建立模型時考慮到聯絡橫通道與小凈距隧道屬于對稱結構，故運用有限元軟件Midas-GTS-NX軟件建立了在IV級圍巖下的小凈距聯絡橫通道的對稱數值模型，僅考慮自重應力場，圍巖與隧道采取D-P屈服準則的實體單元，初期支護采取用彈性本構的板單元，錨桿采取彈性本構的植入式桁架單元。該模型在隧道橫截面平面的長、寬分別為90m、65m，沿著隧道軸線方向長45m。約束模型左右邊界的水平位移以及下邊界的水平與豎向位移，上部為自由邊界。通過在右隧道旁開挖斜井進行聯絡橫通道的施工與開挖，并進行左右兩隧道的開挖。模型的整體網格劃分圖見圖1，其中初期支護的網格圖見圖2。

圖1 模型整體網格

圖2 初期支護網格

數值模型中隧道埋深為20m，兩隧道間距4.3m，隧道與橫通道采用全斷面法進行開挖，在隧道的洞周選取29個特征點用來研究隧道開挖洞周的位移與應力(圖3)。

圖3 洞周特征點示意

2 計算結果與分析

為了研究小凈距隧道橫通道交叉段施工過程中洞室應力分布與變形特征，主要分析了隧道橫通道交叉段施工過程中的洞室圍巖位移、圍巖應力集中度、塑性區分布、地表沉降等。

2.1 橫通道交叉段施工過程中洞室圍巖位移分析

2.1.1 洞周水平位移分析

橫通道段隧道開挖的水平位移云圖如圖4所示，左洞洞周特征點在橫通道段和正常段的水平位移曲線如圖5所示，右洞洞周特征點在橫通道段和正常段的水平位移曲線如圖6所示。

圖4 橫通道段隧道開挖水平位移

圖5 左洞洞周特征點水平位移曲線

圖6 右洞洞周特征點水平位移曲線

從圖4～圖5中可以看出，隧道開挖完成后，隧道周圍圍巖的最大水平位移出現在拱腰處。由于兩洞開挖相互之間的影響，兩洞相鄰拱腰處的橫向位移要比另外一側的大。此外，橫通道和斜井通道的開挖使得左右兩洞的位移變化不一樣，右洞隧道在橫通道段處的水平位移與正常段相比，在數值上變化不大，左洞隧道在橫通道段處的水平位移與正常段相比反而減小，可見橫通道與斜井通道的開挖不會對洞周水平位移產生較大的不利影響。值得注意的是，由于隧道右側斜井通道的開挖，在橫通道段，左洞隧道和右洞隧道在其右側拱腰處的水平位移方向與其在正常段的水平位移方向相反。

2.1.2 洞周豎向位移分析

橫通道段隧道開挖的水平位移云圖如圖7所示，左洞洞周特征點在橫通道段和正常段的水平位移曲線如圖8所示，右洞洞周特征點在橫通道段和正常段的豎向位移曲線如圖9所示。

圖7 橫通道段隧道開挖豎向位移

圖8 左洞洞周特征點豎向位移曲線

圖9 右洞洞周特征點豎向位移曲線

從圖7～圖9中可以看出，隧道開挖完成后，隧道橫通道段和正常段的圍巖最大下沉位移出現在拱頂附近，圍巖隆起最大值出現在隧道底部仰拱中心附近。

橫通道段處的洞周豎向位移與正常段處的豎向位移相比明顯較大。

(1)左洞隧道在橫通道段處最大隆起位移為5.26mm，跟正常段處最大隆起位移4.60mm相比大了14.35 %；左洞隧道在橫通道段處的最大下沉位移為4.71mm，跟正常段處最大下沉位移3.89mm相比大了21.08 %。

(2)由于右洞隧道右側斜井通道的開挖會對位移增幅產生影響，所以右洞隧道的位移增幅比左洞隧道位移增幅大。右洞隧道在橫通道段處最大隆起位移為5.73mm，跟正常段處最大隆起位移4.60mm相比大了24.57 %。右洞隧道在橫通道段處的最大下沉位移為5.09mm，跟正常段處最大下沉位移3.89mm相比大了30.85 %。可見，橫通道和斜井通道的開挖對豎向位移會產生較大的影響。

2.1.3 橫通道拱頂沉降分析

圖10為左右隧道在橫通道段處的拱頂下沉位移隨施工步的變化。第1施工步到第15施工步為斜井通道開挖過程，第17施工步到第23施工步為斜井通道開挖過程，其中左洞隧道處的橫通道在第21施工步開始開挖。

圖10 橫通道段隧道拱頂豎向位移曲線

從圖10可以看出，在斜井通道開挖過程中，左右隧道的拱頂幾乎無沉降位移。在橫通道開挖過程中，左右隧道拱頂沉降位移增長速度較快，橫通道開挖完成后，左洞隧道拱頂沉降位移為3.34mm，右洞拱頂沉降位移為4.36mm。在接下來的開挖過程中左右隧道拱頂沉降位移增長速度變緩，變化趨勢大致相同。隧道開挖完成后左洞隧道拱頂沉降位移達到4.71mm，右洞拱頂沉降位移為5.09mm。

2.2 橫通道交叉段施工過程中洞室圍巖應力分析

小凈距隧道開挖完成后左洞洞周Von-Mises應力曲線如圖11所示，右洞洞周Von-Mises應力曲線如圖12所示。

圖11 左洞洞周Von-Mises應力曲線

圖12 右洞洞周Von-Mises應力曲線

從圖11～圖12中可以看出：

(1)位于正常段的左右洞隧道洞周的Von-Mises應力大致呈左右對稱的分布形態，在拱頂和拱底位置處Von-Mises應力較小，變化較為平緩，且沒有應力集中現象。

(2)左右洞隧道在拱腳位置周圍的Von-Mises應力比其周圍的點的Von-Mises應力大，且變化較為迅速，因此在拱腳位置容易出現應力集中現象。

(3)在小凈距隧道隧道的開挖過程中，左右洞隧道之間會相互影響。因此，隧道在正常段和橫通道段左右洞相鄰一側的拱腰及拱腳處Von-Mises應力要更大一些。

(4)在橫通道段，斜井通道和橫通道貫穿右洞隧道，右洞隧道在橫通道段的隧道洞周的Von-Mises應力跟正常段相比明顯增大，且在拱腳位置周圍的Von-Mises應力變化較正常段更為快速。而左洞隧道的左側的Von-Mises應力在橫通道段和正常段相差不大，僅在靠近右洞隧道的一側的拱腳和拱腳位置周圍的Von-Mises應力跟正常段相比明顯增大且變化更為快速。

2.3 橫通道交叉段施工中洞室塑性區分析

在小凈距隧道施工過程中，左右兩隧道的中夾巖柱是其中一個比較薄弱的的環節，其穩定性對小凈距隧道施工起著關鍵作用。

塑性區分布是判斷隧道圍巖穩定性分析中的重要依據之一，隧道橫通道段和正常段開挖的塑性區分布分別如圖13、圖14所示。

圖13 隧道橫通道段開挖塑性區

圖14 隧道橫正常段開挖塑性區

從圖13～圖14可以看出，兩洞間凈距比洞徑要小。在隧道和橫通道開挖過程中，中夾巖柱在橫通道段受到多次擾動，其塑性區在兩隧道拱腰部位已經貫通，而在正常段處，受到的擾動相比于橫通道段較少，其塑性區并沒有貫通。因此，在小凈距隧道橫通道段處，其塑性區相比于正常段更容易貫通。

2.4 地表沉降分析

地表沉降是判斷隧道開挖時，地面周邊建筑是否安全的重要依據。隧道開挖時的地表沉降云圖如圖15所示，地表沉降曲線如圖16所示。

圖15 隧道開挖地表沉降云圖

圖16 隧道開挖地表沉降曲線

根據圖16可以得出以下結論：

(1)隧道開挖后，橫向通道段處和正常段處的地表沉降曲線呈漏斗狀，在兩隧道中心線處，地表沉降達到最大值。在橫通道段的地表沉降比正常段的地表沉降明顯增大。

(2)在兩隧道中心線左側，距離中心線越遠，橫通道段處和正常段處的地表沉降越接近，最后沉降基本一致；而在兩隧道中心線的右側，橫通道段處的地表沉降量明顯大于正常段處的地表沉降量。這些沉降特征是由橫通道以及隧道右側斜井通道的開挖導致的。

3 結束語

隧道在修建過程中經常會受到地形、地物的嚴格限制，使得小凈距隧道結構形式在國內得到越來越多的應用[9-10]。根據需求會在小凈距隧道中設置橫通道。文章通過建立三維數值模型對小凈距隧道橫通道空間交叉結構施工力學進行研究，得出了以下結論：

(1)小凈距隧道橫通道及斜井通道的開挖對隧道拱頂沉降和底部隆起有著較大的不利影響。

(2)小凈距隧道橫通道的開挖對隧道洞周橫向位移影響不大，但會使隧道在其右側拱腰處的水平位移方向發生改變。

(3)小凈距隧道橫通道段與正常段相比圍巖應力集中度更高，中夾巖柱的塑性區更容易貫通。

(4)小凈距隧道橫通道的開挖會使得地表沉降大幅增加，在開挖過程中應做好地表沉降控制措施。