曹偉

（水利部新疆水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，烏魯木齊830000）

1 概述

1.1 工程概況

某隧洞主支洞交叉段長40 m，主洞尺寸（寬度）8.4 m×10 m（高度），支洞尺寸（寬度）9.9 m×8.0 m（高度），洞型均為城門洞型，支洞穿透主洞一側(cè)邊墻，主洞在交叉口位置三面開口，主支洞夾角為83.751°，隧洞交叉口埋深123 m。主洞與支洞二次鋼筋混凝土襯砌厚度均為50 cm，地下水深為105 m，隧洞巖石巖性為中-上石炭統(tǒng)凝灰?guī)r與凝灰質(zhì)砂巖，經(jīng)過地質(zhì)勘查，綜合判定圍巖類別為Ⅲ類。

1.2 模型建立

采用Abaqus建立主支洞交叉段三維有限元模型[1]，從洞室開挖問題的解析來看，在5倍洞徑范圍內(nèi)，其應(yīng)力、位移即滿足解決實(shí)際問題的精度，為了節(jié)省計(jì)算成本，選取計(jì)算圍巖計(jì)算區(qū)域取5倍洞徑。巖石采用庫侖-摩爾彈塑性模型，二襯混凝土采用彈性模型。網(wǎng)格單元均采用四面體單元[2]，計(jì)算工況為主支洞交叉段完建期工況，設(shè)立地應(yīng)力平衡分析與靜力通用分析步[3]，圍巖開挖釋放的應(yīng)力由鋼筋混凝土襯砌全部承擔(dān)，不考慮一次支護(hù)的作用[4]。

1.3 荷載及材料參數(shù)

根據(jù)隧洞實(shí)際開挖情況，模型計(jì)入地應(yīng)力，結(jié)構(gòu)自重、外水壓力。重力加速度g=9.81m/s2。計(jì)算參數(shù)見表1，2。

表1 主支洞交叉段鋼筋混凝土襯砌參數(shù)

表2 主支洞交叉段圍巖力學(xué)參數(shù)

2 計(jì)算分析

根據(jù)隧洞開挖受力特點(diǎn)，施加重力作用，進(jìn)行地應(yīng)力平衡計(jì)算，再利用Abaqus中的單元生死模擬隧洞開挖與二次襯砌過程，根據(jù)圍巖初始地應(yīng)力＋開挖引起的應(yīng)力釋放，最終得到隧洞開挖后隧洞應(yīng)力應(yīng)變分布狀態(tài)以及二次襯砌受力情況[5～6]。

2.1 隧洞應(yīng)力與位移

圖1 隧洞交叉段應(yīng)力分布云圖

圖2 隧洞交叉段位移分布云圖

圖1 為隧洞開挖后隧洞圍巖應(yīng)力分布云圖，從圖中可以看出主支洞交叉段結(jié)構(gòu)幾何突變部位容易出現(xiàn)應(yīng)力集中；交叉口位置應(yīng)力較大，且大應(yīng)力分布于邊墻，底板中部；主洞與支洞越靠近交叉口，應(yīng)力越大、越集中，交叉口對(duì)主洞與支洞交接側(cè)邊墻應(yīng)力分布影響較大，對(duì)主洞另一側(cè)邊墻基本無影響；主洞與支洞頂拱交接處明顯有結(jié)構(gòu)突變導(dǎo)致應(yīng)力應(yīng)變重分布現(xiàn)象，且此處應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯。圖2為隧洞開挖后隧洞圍巖最大位移分布云圖，從圖中可以看出主支洞交叉段隧洞頂拱位移較大，特別是在交叉口位置頂拱位移明顯大于隧洞一般位置，且此處大位移分布區(qū)域較大、分布線發(fā)生較大變化，這可能導(dǎo)致此區(qū)域巖石表層圈層發(fā)生錯(cuò)動(dòng)，脫空等現(xiàn)象[7]。

隧洞交叉口應(yīng)力分布形態(tài)、位移分布形態(tài)與主支洞相比發(fā)生了很大變化，形態(tài)復(fù)雜，這主要由交叉口的結(jié)構(gòu)型式?jīng)Q定。交叉口為三面開口，主支洞為兩面開口，三面開口支撐體系更少，敞開范圍更大，所以導(dǎo)致交叉口一帶圍巖需要發(fā)生較大變形，進(jìn)而應(yīng)力應(yīng)變重新分布，尋求支撐體系，最終達(dá)到新的平衡[8]。根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果與分析，認(rèn)為主支洞交叉口與靠近交叉口的主洞與支洞段應(yīng)力應(yīng)變較大，為結(jié)構(gòu)最不利位置，在開挖過程中應(yīng)高度重視，支護(hù)應(yīng)及時(shí)且加強(qiáng)。

2.2 交叉口二次襯砌應(yīng)力與位移

圖3 隧洞交叉口二次襯砌應(yīng)力分布云圖

圖4 隧洞交叉口二次襯砌位移分布云圖

圖3 為隧洞交叉口二次襯砌剖面應(yīng)力分布云圖，從圖中可以看出交叉口頂拱邊角應(yīng)力較大，底板上層受拉明顯。圖4為隧洞交叉口二次襯砌剖面位移分布云圖，從圖中可以看出交叉口頂拱位移較大，分布較廣。從計(jì)算結(jié)果看，隧洞交叉口二次襯砌應(yīng)力分布、位移分布與圍巖應(yīng)力分布、位移分布基本一致，這主要是因?yàn)槎我r砌緊隨隧洞開挖過程，隧洞圍巖變形作用覆蓋于二次襯砌上。根據(jù)“新奧法”理論，如果交叉口二次襯砌及時(shí)，建議預(yù)留適當(dāng)?shù)膰鷰r變形量，使圍巖可控變形較為充分，形成較強(qiáng)拱圈[9]；初期柔性支護(hù)應(yīng)加強(qiáng)，且及時(shí)進(jìn)行，控制圍巖的不利變形和松弛，以維護(hù)和利用圍巖的自承能力。

2.3 主洞、支洞二次襯砌應(yīng)力與位移

從圖5可以看出，靠近交叉口隧洞應(yīng)力比遠(yuǎn)離交叉口隧洞應(yīng)力較大，分布不均，形態(tài)復(fù)雜，且邊墻與底板明顯出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)；特別是靠近交叉口主洞出現(xiàn)應(yīng)力不對(duì)稱現(xiàn)象，開口側(cè)邊墻中部應(yīng)力偏大，遠(yuǎn)離交叉口后主洞與支洞應(yīng)力分布基本一致，應(yīng)力分布形態(tài)較好，底板相對(duì)應(yīng)力相對(duì)較大[10]。

圖5 主洞、支洞二次襯砌應(yīng)力分布云圖

3 結(jié)論

（1）隧洞交叉段交叉口位置圍巖應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯，邊墻、底板應(yīng)力較大，且主洞與支洞越靠近交叉口應(yīng)力越大、越集中；交叉口位置頂拱位移明顯，梯度較大、分布區(qū)域大且分布較混亂，這可能導(dǎo)致此區(qū)域巖石表層圈層發(fā)生錯(cuò)動(dòng)，脫空等現(xiàn)象。

（2）隧洞交叉口二次襯砌頂拱邊角與底板受拉明顯，頂拱位移較大，分布較廣。建議此區(qū)域地板、邊墻加強(qiáng)外層鋼筋；加強(qiáng)頂拱初期柔性支護(hù)，剛性二次襯砌應(yīng)根據(jù)圍巖變形階段與穩(wěn)定情況，預(yù)留適當(dāng)?shù)膰鷰r變形量，以便更大的發(fā)揮圍巖自穩(wěn)作用。

（3）隧洞交叉段只是在交叉口一定范圍應(yīng)力應(yīng)變復(fù)雜，遠(yuǎn)離隧洞交叉口后隧洞應(yīng)力應(yīng)變分布形態(tài)回歸常態(tài)，根據(jù)計(jì)算結(jié)果認(rèn)為交叉口2倍洞徑外，交叉口對(duì)主洞影響便很小。

（4）隧洞交叉口為三面開口，主支洞為兩面開口，三面開口支撐體系少，開挖范圍較大，結(jié)構(gòu)型式復(fù)雜，開挖過程勢必引起較大變形，進(jìn)而應(yīng)力應(yīng)變重新分布，尋求新平衡支撐體系。根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果與分析，認(rèn)為主支洞交叉口與靠近交叉口的主洞與支洞段應(yīng)力應(yīng)變較大，為結(jié)構(gòu)最不利位置，在開挖過程中應(yīng)引起重視，圍巖差時(shí)，應(yīng)制定專項(xiàng)開挖支護(hù)方案，且支護(hù)應(yīng)及時(shí)且加強(qiáng)。