公路隧道與橫通道空間交叉結構穩定性分析

何 磊，張志強

(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)

米亞羅3號隧道巖體較破碎，含有大量炭質千枚巖，遇水易軟化，圍巖呈層狀碎裂結構，局部鑲嵌結構；圍巖穩定性較差，拱頂無支護時極易坍塌，側壁有時失去穩定，主要為IV-Ⅴ級圍巖，考慮到隧道近鄰米亞羅斷裂，隧道洞身存在次級小斷層層間錯動帶。橫洞開挖對主隧道以及圍巖的影響十分復雜，與空間交叉部分周圍的圍巖特性、橫通道洞身形式、開挖順序和開挖施工方法等因素均有關，因此可看出，模擬隧道施工過程實際上是分析一個三維的時空問題。建立三維數值計算模型，分析米亞羅3號隧道行車橫洞洞身在直墻形式下與主隧道交叉部變形、內力、應力特征。

1 計算模型假定及施工過程

根據米亞羅3號隧道勘測報告和設計圖，在5#行車橫洞與主隧道交叉部，地層主要由V級圍巖組成。參考現行的JIG D70-2004《公路隧道設計規范》，選取計算物理力學指標如表1所示。

表1 圍巖及支護結構參數

三維模型中，主隧道和橫通道的初期支護采用殼單元進行模擬，圍巖采用實體單元進行模擬。由于二次襯砌作為安全儲備，因此在計算中并沒有將其納入考慮。選用Mohr-coulomb作為本構模型。

考慮模型的邊界效應，模型邊界取3～5倍洞徑較為合理，故計算模型左右兩側(X方向)邊界為5倍洞徑，取90 m；模型底部邊界至隧道下側邊界為43 m，上部邊界取至地表，左右邊界約束為水平位移，下邊界約束豎直位移，上邊界為自由邊界。為了保證計算的準確性，整個模型共52 328個單元，56 309個節點。有限元模型如圖1所示。

圖1 橫洞與主隧道三維交叉模型

根據米亞羅3號隧道施工組織設計規定：5#行車橫洞與主隧道交叉部主隧道采用臺階法施工，分為上、下兩臺階依次開挖，每次循環必須施做臨時仰拱，封閉成環，每次循環進尺控制在3 m左右，主隧道開挖完畢并施做初期支護后，開挖行車橫洞，采用全斷面開挖。

本次數值模擬主隧道開挖進尺取為3 m，按照上下臺階依次開挖，開挖當前步后進行支護施做；主隧道開挖完畢后，進行行車橫洞開挖，采用全斷面開挖，開挖進尺取為4 m，開挖當前步后立即進行支護施做。

施工過程模擬主要工序如下：

工序1：主隧道開挖貫通(開挖、初期支護)；工序2：車行橫通道開挖貫通(開挖、初期支護)。

2 計算結果及分析

2.1 主隧道與行車橫洞交叉部分變形分析

由于受到主隧道分步開挖、橫向行車通道開挖等多次施工影響，交叉部圍巖被反復擾動，地應力場會進行多次重分布，這將會導致主隧道與橫向行車通道交叉部結構受力和變形變得極其復雜。變形是最直觀的，也是最易測量的，因此本節選取主隧道與行車橫洞交叉部分的變形進行分析。行車橫洞施工結束后，主隧道和交叉部分空間變形(圖2、圖3)。

圖2 開挖完畢圍巖豎直變形(單位：m)

圖3 開挖完畢襯砌豎直變形(單位：m)

從以上計算結果可知，在主隧道開挖及行車橫洞開挖過程中，交叉部圍巖變形主要表現為垂直變形，因此選取交叉部橫斷面上主隧道拱頂、橫通道拱頂以及主隧道相對于橫洞的另一側拱腰三點為觀測點，進一步觀察在橫洞開挖、支護過程中交叉部分空間變形的具體情況。在橫洞開挖及支護過程中交叉部分觀測點垂直變形曲線(圖4)。

圖4 交叉部隧道拱頂隨橫通道開挖豎向位移

由圖4分析可得:

(1)交叉部分車行橫洞開挖后，交叉部分主隧道豎向變形有較為明顯的增長，在交叉部分拱頂上方形成一個局部變形增大區，變形值大于7.5 mm，隨著車行橫洞的不斷向前推進，主隧道拱頂下沉值不斷增大但逐漸趨于穩定。橫洞開挖完畢后，主隧道拱頂垂直變形增長了0.82 mm，占總變形的9.96 %；橫洞拱頂豎直位移增長了2.61 mm，占總變形的42 %；而相對于橫洞的另外一側垂直變形較小，只增加了0.15 mm。從橫洞開挖過程中的初支變形情況可以看出，局部變形增大區縱向上擴展不大，主要表現為向交叉口橫向擴展特征。

(2)車行橫洞施工至距交叉部分8.5 m、18.5 m時，主隧道拱頂豎直位移達到了-8.65 mm和-8.7 mm，占該點總位移的98.4 %和99 %，車行橫洞豎直位移達到了-6.08 mm和-6.16 mm，占該點總位移的98.4 %和99.7 %。由此可見，從施工安全角度出發，在圍巖較差地區開挖橫洞之前，對交叉部分范圍，采用超前錨桿及壓注砂漿的預加固支護技術措施是十分重要的，必要時還可采取其他更為保險的措施。

2.2 主隧道與行車橫洞交叉圍巖應力分析

隨主隧道開挖推進，周邊圍巖受到擾動，橫洞的開挖將使得交叉部分圍巖受到二次擾動，使得該部分呈現出與普通隧道施工不同受力特征。通過分析橫洞施工過程中特別是橫洞開挖前后主隧道與橫洞交叉部分圍巖的應力變化。各典型施工階段交叉部隧道圍巖第一主應力和第三主應力分布如圖5～圖8所示。

圖5 橫通道開挖8.5m第一主應力(單位：Pa)

圖6 橫通道開挖18.5m第一主應力(單位：Pa)

圖7 橫通道開挖8.5m第三主應力(單位：Pa)

圖8 橫通道開挖18.5m第三主應力(單位：Pa)

(1)從圖5～圖8中可以看出，交叉部分圍巖的第三主應力無論是影響范圍還是數值上均呈現單調遞增的變化趨勢，交叉部分圍巖第一主應力在橫洞開挖過程中，受拉區不斷增大。車行橫洞一經開挖，主要表現為橫洞洞口兩側拱腰出現較為明顯的應力集中。因此，開挖橫洞時，要采取相應的措施加固洞口周邊的圍巖，防止因應力集中而變形過大。

(2)從橫洞開挖至8.5 m以前，應力變化明顯，增長較快，開挖至8.5 m以后，應力增長速度明顯減緩。說明從橫洞進洞到開挖8.5 m前，交叉部分圍巖應力有較大增長，開挖至于8.5 m以后，橫洞施工對交叉部分的影響不大。

3 結論

通過分析隧道行車橫洞與主隧道空間交叉結構施工過程，取得如下結論：

(1)交叉部分車行橫洞開挖后，交叉部分主隧道豎向變形有較為明顯的增大。在交叉部分拱頂上方形成一個局部變形增大區，隨著車行橫洞的不斷向前推進，主隧道拱頂下沉值不斷增大但逐漸趨于穩定。

(2)從橫洞開挖過程中的初支變形情況可以看出，局部變形增大區縱向上擴展不大，主要表現為向交叉口橫向擴展的特征。

(3)從施工安全角度出發，在圍巖較差地區開挖橫洞之前，對交叉部分范圍，采用超前錨桿及壓注砂漿的預加固支護技術措施是十分重要的，必要時還可采取其他更為保險的措施。

(4)車行橫洞一經開挖，主要表現為橫洞洞口兩側拱腰出現較為明顯的應力集中。因此，需采取相應的措施加固洞口周邊的圍巖，防止因應力集中而變形過大。