隧道復雜交叉結構圍巖穩定性及結構安全性分析

管連永， 劉復洪， 吳青松, 張秋實

(1. 四川路航建設工程有限責任公司，四川成都 610081； 2. 西華大學土木建筑與環境學院，四川成都 610039)

公路隧道為了滿足修建、運營和防災救援等功能的需求，通常會設置橫通道(人行和車行)、斜井、豎井和地下風機房等地下結構，此類地下結構均與隧道主洞以不同角度相交，形成復雜的空間交叉結構[1-2]。在隧道施工迫近或施工至隧道交叉結構段時，開挖引起圍巖的動態變化以及對交叉段支護結構內力分布變化的影響極為復雜，空間效應十分顯著，與交叉部周圍的圍巖特性、開挖順序以及開挖施工方法等因素密切相關，隧道工程地下復雜交叉結構的施工問題，一直以來是困擾隧道施工、影響施工安全的重要難題[3-4]。

針對隧道工程復雜交叉結構圍巖穩定性和結構安全問題，研究和技術人員已經開展了一系列研究。王緒等[5]針對小凈距隧道橫通道施工過程，采用數值模擬方法對比分析了橫通道段和正常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。許東[6]依托于棋盤關隧道斜井工程，基于圍巖和支護結構的力學狀態，提出了合理設計參數，包括初期支護和二襯的厚度。張志強等[7]基于現場實測和數值計算等手段，意圖與主隧道與車行橫通道空間交叉結構，研究了交叉結構施工力學行為，明確了交叉角度對結構受力狀況的影響。李光京等[8]結合廈門翔安隧道與橫通道交叉結構工程實際，通過數值模擬研究得到交叉結構變形、圍巖應力及支護受力特征。王龍[9]以石家莊地鐵1號線盾構隧道與聯絡通道交叉段為工程依托，通過理論分析和數值模擬研究，分析了交叉結構的受力狀態，提出了圍巖的加固方法。上述研究成果雖然明確了交叉段的圍巖和支護結構的受力特征，但是仍存在不足，隧道復雜交叉段圍巖的擾動范圍直接取決于開挖方法，因此，選擇合理的開挖方法是確保隧道交叉結構施工安全的重要環節。

本文依托峨眉至漢源高速公路豹貍崗隧道主隧道與車行橫洞交叉結構，對不同開挖方法條件下隧道復雜交叉結構圍巖穩定性及結構安全性進行研究，以掌握隧道交叉結構的圍巖穩定性和結構安全性，保障隧道交叉結構段安全施工。

1 模型建立與分析

1.1 數值模型及施工模擬

結合豹貍崗隧道主隧道與車行橫洞交叉段實際情況，建立三維有限元計算模型。考慮模型的邊界效應，模型在豹貍崗隧道主隧道橫斷面方向(X向)取60 m，主隧道縱向(Z向)取60 m，隧道垂直方向(Y向)取90 m。模型左右邊界約束為水平位移，下邊界約束豎直位移，上邊界為隧道以上50 m，根據實際埋深換算上覆土荷載，在上部邊界施加應力邊界條件。整個模型共計122 304個單元，129 709個節點。模型基本網格如圖1所示。

圖1 主隧道與車行橫洞交叉段模型

主隧道的施工方法分別采用臺階法、預留核心土法及CRD法，車行橫洞采用全斷面開挖，為了兼顧計算效率和計算精確性，主洞循環開挖進尺定為2.5 m，車行橫洞循環進尺定位4 m，開挖后及時施做初期支護。當開挖至主隧道與車行橫洞交叉部位時，同時開挖車行橫洞及主隧道，其中CRD法在隧道全部開挖完畢后，進行逐步拆除臨時中隔墻，每次拆撐長度不超過15 m。臺階法、預留核心土法及CRD法施工過程模型圖，如圖2所示。

圖2 各工法施工過程模型

1.2 工況設置及計算參數

計算模型中，采用V級圍巖，加固段長度為5 m，計算工況設置如表1所示。

表1 車行橫洞與主隧道交叉模型計算工況

圍巖服從Drucker-Prager屈服準則，考慮其塑性變形，初期支護材料采用彈性材料參數，忽略其塑性變形，計算中將二次襯砌視為安全儲備，不考慮其支護效應。具體的圍巖及支護結構的物理力學參數如表2所示。

表2 圍巖及支護物理力學參數

2 計算結果分析

2.1 圍巖沉降位移分析

各工況圍巖位移沉降云圖如圖3所示。

圖3 各工況圍巖沉降位移

由圖3可知，隧道三維交叉結構的沉降位移具有以下規律：

沉降最大值均發生在主隧道與車行橫洞交叉部的拱頂處，同時由于側向車行橫洞的開挖，洞周圍巖變形并不對稱，最大的變形出現在偏向車行橫洞一側，說明車行橫洞開挖對洞周圍巖形成二次擾動，圍巖變形出現不對稱偏轉現象；

采用不同施工方法開挖對圍巖的擾動程度不同，采用CRD法由于采用了中隔墻等臨時加固措施對圍巖擾動最小，預留核心土法影響次之，臺階法影響最大，同時圍巖條件越好，不同施工方法對圍巖擾動程度差異越小，因此根據計算結果，當圍巖條件較好時建議采用施工靈活方便的臺階法，當圍巖條件較差且對圍巖變形有較高控制標準時，建議采用對圍巖擾動較小的CRD法。

2.2 圍巖塑性區范圍

各工況圍巖塑性區云圖如圖4所示。

圖4 各工況巖塑性區云圖

根據圖4，沿主隧道軸向及車行橫洞軸線方向均出現不同程度的圍巖塑性區，塑性區主要分布在主隧道拱腰區域，塑性區最大值區域同樣出現在主隧道與車行橫通道交叉部位。

2.3 襯砌結構應力分析

各工況襯砌結構第一主應力云圖，如圖5所示。

圖5 各工況襯砌第一主應力云圖

根據圖5可知，各工況襯砌結構第一主應力分布基本相似，具有以下特征：

采用不同施工方法開挖時，隧道襯砌結構第一主應力值有較大差異，從數值上看，CRD法>預留核心土法>臺階法，這是因為臺階法在施工過程中對圍巖擾動較大，釋放了部分應力，因此直接作用于襯砌結構上的圍巖荷載相對較小。交叉部位襯砌結構第一主應力超過混凝土極限拉應力，這是由于計算模型對襯砌結構采用彈性模型未考慮混凝土結構的損失破壞，該處第一主應力值超過抗拉極限強度，因此洞周襯砌會出現開裂情況，建議在交叉部位合理加大襯砌結構配筋率，保障結構安全穩定。

2.4 襯砌結構變形分析

提取主隧道與車行橫洞交叉部位主隧道襯砌拱頂、橫洞側拱腰(橫洞拱頂上方)、橫洞相對側拱腰變形量在整個開挖過程中的變化規律，通過分析主隧道襯砌關鍵部位變形量的時程變化規律，得到空間交叉部位受多次擾動下的力學行為(圖6)。

圖6 各工況襯砌結構變形

根據圖6可知，襯砌結構拱頂變形量較大，兩側拱墻洞內收斂變形較小；對拱頂而言，當開挖至交叉部位時，變形量陡增，增幅達到174 %～261 %，當掌子面距離交叉部位約20 m后，變形量逐漸趨于穩定，由于采用車行橫通道與主隧道同時開挖，因此引起交叉斷面處拱頂變形的影響區域較大；兩側拱墻洞內收斂變形也在掌子面到達交叉部位發生劇烈變化，而后掌子面遠離交叉部位5 m，后變形趨于穩定，而車行橫洞一側拱墻變形明顯大于相對側，這是由于橫通道開挖引起二次擾動，進一步造成該側已有襯砌結構向洞內收斂變形。

2.5 襯砌結構內力及安全性分析

提取交叉部位中心處斷面的軸力及彎矩，如圖7和圖8所示。

圖7 交叉部位中心處斷面的軸力(單位：kN)

圖8 交叉部位中心處斷面彎矩(單位：kN·m)

根據圖7和圖8可知，由于車行橫洞的開挖，在交叉部位中心處斷面存在明顯偏壓現象。支護結構的受力會因橫洞的開挖發生轉移，主隧道靠近橫洞一側的支護軸力值減小，相對側的支護軸力增大。由于主隧道交叉口處的支護結構在橫洞一側被截斷，所以支護結構無法再起到“拱”類似作用，取而代之的是“板殼”作用。因此，橫洞開挖對支護結構的受力情況產生了較為明顯的影響，使其內力形成了一種較復雜的分布情況，在交叉口處產生了應力集中效應。因此應加強交叉口處及其附近的支護強度，在橫洞進洞前應對洞口采取有效的加固措施并有必要采用一定的超前預加固措施，以保證進洞安全。

根據現行JTGD 70-2004《公路隧道設計規范》驗算計算斷面處各截面安全系數，如表3所示。

由表3可知，各開挖方法的各個截面均滿足規范要求，而最不利斷面出現在橫向車行道對側拱腳處，從安全性角度使用預留核心土法開挖最為有利，當采用臺階法及CRD法時，需要注意對橫向車行道對側拱腳的加固，防止結構破壞。

4 結論

采用ANSYS軟件，針對峨眉至漢源高速公路豹貍崗隧道車行橫洞與主隧道結構形成的三維空間交叉結構進行數值仿真計算分析，得出以下結論：

(1)在圍巖沉降方面，由于CRD法采用了中隔墻等臨時加固措施對圍巖擾動最小，預留核心土法影響次之，臺階法影響最大。

表3 各工況主要截面安全系數

(2)在圍巖塑性區方面，CRD法形成的塑性區最小。三種施工方法造成的圍巖塑性區主要分布在主隧道拱腰區域，塑性區最大值區域同樣出現在主隧道與車行橫通道交叉部位。

(3)隧道襯砌結構第一主應力值有較大差異，CRD法>預留核心土法>臺階法，臺階法在施工過程中圍巖擾動較大，釋放了部分應力，直接作用于襯砌結構上的荷載相對較小。

(4)在襯砌結構內力方面，三種施工方法都存在明顯偏壓現象，橫洞一經開挖，主隧道靠近橫洞一側的支護軸力值減小，橫洞對側的支護軸力增大，支護受力發生轉移。

(5)在V級圍巖條件下施工時，對圍巖變形有較高控制標準時，建議采用對圍巖擾動較小的CRD法，同時建議采用帶仰供的橫洞形式。