城市隧道排煙豎井對主隧道結構的影響研究

高法啟，李 逸，鄒 琦

（中國市政工程中南設計研究總院有限公司，湖北 武漢 430010）

0 引 言

隨著城市經濟快速增長及人口的高度集中，對于城市隧道的修建需求日益迫切，越來越多的城市隧道正在興建[1]。城市隧道由于交通量大、設有人行道且處于封閉環境中，一旦發生火災后果將極其嚴重，因此城市隧道的通風排煙設計極為重要[2]。城市隧道的重點排煙設計通常采用排煙豎井[3-4]，但有關排煙豎井對主隧道結構安全的影響研究并不多見。本文以長陽鳳凰山隧道工程為例，通過Midas/GTS[5]三維數值模擬，研究排煙豎井對主隧道結構的影響，并根據計算結果提出具體建議，供類似工程借鑒。

1 工程概況

1.1 主隧道概況

長陽鳳凰山隧道位于湖北省宜昌市長陽土家族自治縣境內，北起廩君大道，穿越鳳凰山，南接四沖二街。隧道為城市次干路，設計時速30 km/h，雙向2車道+人行道單洞隧道。隧道長545 m，標準斷面凈寬14.1 m，凈高9.37 m，隧道二襯厚度0.6 m。隧道標準段橫斷面見圖1。

圖1 隧道標準段斷面圖

1.2 排煙豎井設置

由于隧道內設置人行道，考慮到重點排煙的需要，通過在隧道小里程洞口處設置排煙豎井的方式，將排煙道從隧道頂部接到地表高程以下，再通過明挖的排煙道將煙氣排到排煙風機房中。豎井截面為圓形，內徑為5 m，位于主隧道正上方（見圖2）。

圖2 主隧道與排煙豎井連接示意圖

主隧道及排煙豎井均采用復合式襯砌，按新奧法原理設計[6-7]，初期支護以鋼架、錨桿、鋼筋網、混凝土共同組成聯合支護系統，二次襯砌為鋼筋混凝土。初期支護主要承受施工期間的荷載，保證施工期間的圍巖穩定；二次襯砌與初期支護共同承受永久荷載，保證隧道結構安全。排煙豎井在主隧道二次襯砌施做并達到設計強度后再進行施工，排煙豎井為永久結構，因此需要分析排煙豎井對主隧道結構的影響，并根據分析結果采取相應的保護措施。

2 工程地質

根據長陽鳳凰山隧道項目巖土工程勘察報告，隧道主要處于中風化炭質灰巖地層中，地表覆蓋厚約8 m 的碎石土。碎石土為殘、坡積成因，褐色、灰褐色，呈棱角狀，母巖成分為中風化灰巖，其間為黏性土充填，整體呈松散狀。中風化炭質灰巖主要礦物成分為鈣質礦物和少量黏土礦物，鈣質膠結，巖質較新鮮，節理裂隙發育，沿裂隙面有白色方解石脈，方解石脈可見少量小的巖溶孔隙，裂隙充填物為黏土礦物，屬較硬巖。碎石土及中風化炭質灰巖的物理力學參數見表1。

表1 巖土體物理力學參數表

3 數值模擬

3.1 巖土本構模型

巖土材料本構模型選用Mohr-Coulomb（M-C）模型。該模型作為一種理想彈塑性模型[8-9]，基于非關聯的流動法則，采用的是理想彈塑性M-C 屈服條件并且考慮屈服強度極限準則，具體表達式見式（1）～式（4）。

3.2 模型建立

采用Midas /GTS 三維數值模擬分析軟件建立排煙豎井、主隧道及地層模型；巖土體本構模型選為M-C 模型，模型尺寸為80 m×80 m×80 m。模型網格根據地勘報告分為2 層，上層為厚8 m 的碎石土，下層為中風化炭質灰巖。為實現網格的耦合，在建好幾何模型后，對所有實體執行連接操作，以保證模型內部網格的耦合。模型四周約束水平位移，模型底部約束豎向及水平位移。模型荷載為重力荷載。施工模擬分析前，需先進行初始地應力平衡，以保證三維模擬的精確度，整體模型見圖3。

圖3 整體模型

根據工程設計實際情況，主隧道采用CD 法開挖，豎井采用全斷面開挖。主隧道模型與豎井連接模型見圖4。

圖4 主隧道與豎井連接模型

3.3 計算過程

3.3.1 初始地應力平衡

為進行模型的初始地應力平衡，獲得模型的初始地應力場，需對建立的地層結構模型的土體進行固結過程模擬。對模型施加邊界條件后，按照巖土工程勘察報告對各層土體賦予相應的參數，使土體在自重作用下進行應力平衡，得到整個地層結構模型的初始應力場，并將模型位移清零。

3.3.2 隧道及豎井開挖過程模擬

利用Midas/ GTS 軟件的施工階段模擬功能進行隧道及豎井開挖過程的模擬，隧道為CD 法開挖，豎井為全斷面開挖。隧道及豎井二襯采用實體單元進行模擬，隧道初支采用板單元進行模擬，錨桿采用植入式桁架單元進行模擬。土體采用M-C 本構模型，初支、二襯及錨桿采用彈性模型。利用軟件的施工階段模擬功能，進行隧道及豎井開挖過程的模擬。隧道CD 法開挖模型網格劃分見圖5。

圖5 隧道CD 法開挖模型網格劃分

4 計算結果及分析

4.1 應力

豎井開挖前后，主隧道與豎井連接處的應力分布見圖6。根據應力計算結果可知，豎井的布置改變了隧道局部受力模式。豎井影響范圍內采用傳統的二維平面應變模型來進行數值模擬已經不能反映隧道的真實受力狀態，利用三維數值模擬分析豎井對隧道結構的影響更為合理。

圖6 隧道應力分布

豎井未施工前，隧道拱頂二襯最大應力約為0.16 MPa；豎井開挖后，豎井與主隧道接口處混凝土最大壓應力值約為1.42 MPa；與豎井相接處主隧道整體受力狀態也發生改變，即隧道頂部內側受壓區范圍擴大，拱腰處外側受壓區范圍相應縮小。這表明豎井的施工改變了主隧道的受力狀態，豎井與主隧道接口處產生了應力集中現象。為消除豎井施工對主隧道結構的不利影響，確保主隧道結構安全，設計采取相應措施，如加強襯砌支護設計參數、主隧道增加環向框架梁等。

4.2 位移

隧道豎向位移計算結果見圖7。

圖7 隧道豎向位移

由圖7 可知，主隧道導坑開挖后，隧道拱頂最大豎向位移為1.42 mm，主隧道全斷面開挖后增至3.05 mm，增長115%。待豎井開挖后，拱頂最大位移增至3.12 mm，較上一工況僅增長2.3%，說明豎井的設置對拱頂沉降影響很小。

主隧道導坑開挖后，隧道底部隆起值為1.33 mm，全斷面開挖后增至2.41 mm，增長81%。待豎井開挖后，隧底隆起值增至2.95 mm，較上一工況增長22.4%，說明豎井的設置對隧底隆起影響稍大。

對隧道及豎井各階段沉降值及隧底隆起值的統計結果見表2。

表2 隧道及豎井沉降值及隧底隆起值 單位：mm

根據設計標準，各工況下的拱頂沉降及底部隆起均在安全允許范圍內，說明采用CD 法進行該隧道的開挖是安全的。豎井開挖后，拱頂沉降增加不明顯，隧底隆起增加較明顯，是由于豎井開挖的卸荷作用所致。增大后的隆起值仍在安全范圍內，說明本工程采取的措施安全合理。

5 結 語

（1）排煙豎井施工前后，主隧道與豎井連接處的最大壓應力由0.16 MPa 增至1.42 MPa，出現應力集中現象。

（2）由于排煙豎井的卸荷作用，對拱頂沉降影響較小，對底部隆起影響稍大。

（3）為消除排煙豎井對主隧道結構的不利影響，采取加強襯砌支護設計參數、主隧道增加環向框架梁等措施，可以保證隧道結構安全。