張 俊

(山西交通控股集團(tuán)朔州高速公路分公司， 山西太原 030012)

近年來，隨著國民經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，特長公路隧道的規(guī)模和數(shù)量也在日益增多。為滿足營運(yùn)通風(fēng)、逃生救災(zāi)要求以及加快施工進(jìn)度，在特長公路隧道修建中會(huì)出現(xiàn)大量的斜豎井、風(fēng)機(jī)房和聯(lián)絡(luò)風(fēng)道等輔助通道，輔助通道已成為特長公路隧道施工、運(yùn)營中最為關(guān)鍵的部分。其中地下風(fēng)機(jī)房具有斷面多、跨度大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、洞室交叉多、群洞效應(yīng)明顯等特點(diǎn)，需要在設(shè)計(jì)及施工中重點(diǎn)考慮。[1-4]。

本文以云山隧道3#風(fēng)機(jī)房的配電室與主洞交叉結(jié)構(gòu)為研究對象，對主洞和配電室形成的典型交叉結(jié)構(gòu)展開施工力學(xué)行為分析，以期保證圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，為類似工程建設(shè)提供一定的理論及技術(shù)保障[5-6]。

1 隧道工程概況

云山隧道位于左權(quán)縣城東北5 km處，橫穿太行山脈西翼的陽曲山東南延，設(shè)計(jì)為分離式隧道，長11.387 km。該隧道圍巖軟弱、隧道埋深大，部分地段涌水量多，與康家樓隧道一起， 構(gòu)成和榆高速二期工程的控制性工程。其3#風(fēng)機(jī)房位于巖體較較完整，構(gòu)造條件較為簡單的單斜地層[7-8]。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 數(shù)值計(jì)算模型建立

由于云山隧道3#風(fēng)機(jī)房實(shí)際情況為深埋，考慮計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力以及模型的邊界效應(yīng)，埋深取35 m，沿地下風(fēng)機(jī)房主洞方向(y)模型90 m，沿聯(lián)絡(luò)風(fēng)道方向(x)模型65 m，圍巖、支護(hù)均采用三維實(shí)體單元進(jìn)行模擬，其中圍巖材料采用摩爾-庫倫材料，支護(hù)采用混凝土材料。整個(gè)模型共131 710個(gè)單元，126 632個(gè)節(jié)點(diǎn)。風(fēng)機(jī)房模型分析基本網(wǎng)格、隧道交叉三維模型支護(hù)以及接觸面情況如圖1所示。

圖1 隧道局部交叉三維模型

2.2 模型參數(shù)選取

云山隧道3#風(fēng)機(jī)房三維數(shù)值模型計(jì)算參數(shù)見表1和表2。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 變形研究

對比圖2和圖3可知，對風(fēng)機(jī)房開挖結(jié)束后的Z向位移情況為：

表1 初期支護(hù)計(jì)算力學(xué)參數(shù)

表2 二次襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)表

圖2 風(fēng)機(jī)房拱頂Z-displacement路徑曲線

圖3 風(fēng)機(jī)房底部Z-displacement路徑曲線

(1)Ⅲ級(jí)圍巖情況下，由于圍巖較好，各工況下的最大豎向位移均較小，隧道底部、拱頂?shù)南鄬ξ灰凭∮? mm。

(2)圍巖最大變形量出現(xiàn)在排風(fēng)道與風(fēng)機(jī)房交叉部位，拱頂最大沉降及仰拱最大變形出現(xiàn)在排風(fēng)道中心軸左側(cè)附近位置，主要是由于在排風(fēng)道與風(fēng)機(jī)房交叉部位的右側(cè)，有圍巖的約束作用。

(3)圍巖變形量在排風(fēng)道、送風(fēng)道位置達(dá)到峰值，排風(fēng)道、送風(fēng)道中間部位及兩側(cè)部位的圍巖變形量均逐漸減小。

3.2 圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的接觸應(yīng)力

計(jì)算結(jié)果見圖4、圖5。

圖4 送風(fēng)道、排風(fēng)道洞周接觸應(yīng)力

圖5 交叉部位風(fēng)機(jī)房洞周接觸應(yīng)力

如圖4、圖5所示，在工況1下，對風(fēng)機(jī)房開挖結(jié)束后支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖間的接觸應(yīng)力的對比分析可知：

(1)送風(fēng)道、排風(fēng)道、風(fēng)機(jī)房支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖間的洞周接觸應(yīng)力，大致呈對稱分布，拱頂、拱墻中部的接觸應(yīng)力最小，而最大接觸應(yīng)力出現(xiàn)在隧道的墻腳部位，主要是由于直墻式支護(hù)結(jié)構(gòu)中未設(shè)置仰拱，底部結(jié)構(gòu)剛度較小，較為薄弱，送風(fēng)道、排風(fēng)道以及風(fēng)機(jī)房開挖以后，圍巖壓力向支護(hù)結(jié)構(gòu)薄弱部位轉(zhuǎn)移所引起；

(2)送風(fēng)道、排風(fēng)道、風(fēng)機(jī)房支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖的洞周接觸應(yīng)力分布規(guī)律為：拱頂至拱腳，接觸應(yīng)力逐漸增大，在拱腳位置達(dá)到極大值；拱腳至墻腳中部，接觸應(yīng)力逐漸減小，在墻腳中部達(dá)到極小值；墻腳中部至墻腳，接觸應(yīng)力逐漸增大，在墻腳位置達(dá)到最大值；

(3)送風(fēng)道、排風(fēng)道支護(hù)結(jié)構(gòu)的洞周接觸應(yīng)力最大值(墻腳)是最小值(拱頂)的4倍，而風(fēng)機(jī)房支護(hù)結(jié)構(gòu)的洞周接觸應(yīng)力的最大值(墻腳)是最小值(直墻中部)的10倍，主要是由于風(fēng)機(jī)房相對送風(fēng)道、排風(fēng)道而言高度較大，且直墻結(jié)構(gòu)的受力性能不佳，導(dǎo)致接觸應(yīng)力在墻腳部位應(yīng)力集中。

3.3 結(jié)構(gòu)內(nèi)力特征分析

將通過計(jì)算得到的應(yīng)力進(jìn)行分析(表3)，得到風(fēng)機(jī)房開挖結(jié)束后排風(fēng)道，風(fēng)機(jī)房的彎矩、軸力與安全系數(shù)(圖6、圖7)。

表3 斜井初期支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算結(jié)果

圖6 排風(fēng)道初支安全系數(shù)

圖7 風(fēng)機(jī)房初支安全系數(shù)

對以上數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究可知：

(1)風(fēng)機(jī)房開挖結(jié)束后，排風(fēng)道、風(fēng)機(jī)房初支全截面受壓，排風(fēng)道初支軸力最大值出現(xiàn)在拱腳附近，分別為814 kN、699 kN，風(fēng)機(jī)房初支最大軸力出現(xiàn)在墻腳附近，分別為625 kN、614 kN。

(2)風(fēng)機(jī)房開挖結(jié)束后，排風(fēng)道、風(fēng)機(jī)房初支結(jié)構(gòu)拱頂及拱墻部位內(nèi)部受拉，而拱腳部位則外部受拉，排風(fēng)道初支彎矩最大值出現(xiàn)在墻腳附近，分別為2.24 kN·m、1.98 kN·m，風(fēng)機(jī)房初支最大彎矩出現(xiàn)在拱腳附近，分別為-0.93 kN·m、3.35 kN·m。

(3)排風(fēng)道安全系數(shù)最小值出現(xiàn)在左拱腳與左墻腳的中部，而風(fēng)機(jī)房的最小安全系數(shù)出現(xiàn)在左墻腳位置，結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)均滿足規(guī)范的要求。

4 結(jié)論

(1)Ⅲ級(jí)圍巖情況下，由于圍巖較好，各工況下的最大豎向位移均較小，隧道底部、拱頂?shù)南鄬ξ灰凭∮? mm，風(fēng)機(jī)房采用臺(tái)階法開挖相對全斷面開挖，隧道底部、拱頂相對位移量增大約30 %；圍巖最大變形量出現(xiàn)在排風(fēng)道與風(fēng)機(jī)房交叉部位。

(2)送風(fēng)道、排風(fēng)道、風(fēng)機(jī)房支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖間的洞周接觸應(yīng)力，大致呈對稱分布，拱頂、拱墻中部的接觸應(yīng)力最小，而最大接觸應(yīng)力出現(xiàn)在隧道的墻腳部位；支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖的洞周接觸應(yīng)力分布規(guī)律為：拱頂至拱腳，接觸應(yīng)力逐漸增大，在拱腳位置達(dá)到極大值。

(3)風(fēng)機(jī)房開挖結(jié)束后，排風(fēng)道、風(fēng)機(jī)房初支全截面受壓，排風(fēng)道初支軸力最大值出現(xiàn)在拱腳附近，而風(fēng)機(jī)房初支最大軸力出現(xiàn)在墻腳附近。風(fēng)機(jī)房開挖結(jié)束后，排風(fēng)道、風(fēng)機(jī)房初支結(jié)構(gòu)拱頂及拱墻部位內(nèi)部受拉，而拱腳部位則外部受拉，結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)均滿足規(guī)范的要求。