王 緒， 鐘 敏, 晏啟祥

(1. 西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川成都 610031;2. 中鐵隆工程集團(tuán)有限公司, 四川成都 610046)

公路隧道在修建時(shí)要滿足運(yùn)輸安全的要求，應(yīng)當(dāng)在隧道中設(shè)置橫通道，用以運(yùn)營(yíng)避難、救援和維修管理以及避免隧道火災(zāi)帶來的損失，使得車輛及行人在隧道發(fā)生火災(zāi)和交通事故時(shí)能迅速撤離隧道，確保運(yùn)輸?shù)陌踩c暢通[1-3]。

由于橫通道的設(shè)置，隧道交叉結(jié)構(gòu)處的受力狀態(tài)復(fù)雜，在施工過程中會(huì)對(duì)主線隧道產(chǎn)生不利影響，是隧道建設(shè)過程薄弱的環(huán)節(jié)[4-5]。徐學(xué)深[6]結(jié)合青海某高速隧道工程，采用數(shù)值模擬的方法對(duì)隧道橫通道的開挖過程進(jìn)行模擬，得到交叉結(jié)構(gòu)受力和變形的最不利位置。張志強(qiáng)等[2]依托萬梁高速公路馬王槽1號(hào)隧道，采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與數(shù)值模擬研究手段，對(duì)主隧道與車行橫通道組成的空間交叉結(jié)構(gòu)進(jìn)行了施工力學(xué)研究。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)隧道交叉結(jié)構(gòu)的施工力學(xué)研究主要針對(duì)的是獨(dú)立雙洞隧道和長(zhǎng)大單洞隧道[7-8]。由于隧道在建設(shè)過程中易受到地形、地物等多方面因素的限制，小凈距隧道的結(jié)構(gòu)形式正得到越來越多的應(yīng)用[9-10]。但目前對(duì)小凈距隧道空間交叉結(jié)構(gòu)施工力學(xué)研究較少，文章將采用數(shù)值模擬的方法對(duì)小凈距隧道橫通道空間交叉結(jié)構(gòu)施工力學(xué)進(jìn)行研究。

1 數(shù)值模型

1.1 參數(shù)的選取

有關(guān)參數(shù)的選取，根據(jù)隧道規(guī)范《隧道設(shè)計(jì)細(xì)則》中給出的材料參數(shù)經(jīng)驗(yàn)取值(表1)。

表1 相關(guān)材料參數(shù)

1.2 模型的建立

建立模型時(shí)考慮到聯(lián)絡(luò)橫通道與小凈距隧道屬于對(duì)稱結(jié)構(gòu)，故運(yùn)用有限元軟件Midas-GTS-NX軟件建立了在IV級(jí)圍巖下的小凈距聯(lián)絡(luò)橫通道的對(duì)稱數(shù)值模型，僅考慮自重應(yīng)力場(chǎng)，圍巖與隧道采取D-P屈服準(zhǔn)則的實(shí)體單元，初期支護(hù)采取用彈性本構(gòu)的板單元，錨桿采取彈性本構(gòu)的植入式桁架單元。該模型在隧道橫截面平面的長(zhǎng)、寬分別為90m、65m，沿著隧道軸線方向長(zhǎng)45m。約束模型左右邊界的水平位移以及下邊界的水平與豎向位移，上部為自由邊界。通過在右隧道旁開挖斜井進(jìn)行聯(lián)絡(luò)橫通道的施工與開挖，并進(jìn)行左右兩隧道的開挖。模型的整體網(wǎng)格劃分圖見圖1，其中初期支護(hù)的網(wǎng)格圖見圖2。

圖1 模型整體網(wǎng)格

圖2 初期支護(hù)網(wǎng)格

數(shù)值模型中隧道埋深為20m，兩隧道間距4.3m，隧道與橫通道采用全斷面法進(jìn)行開挖，在隧道的洞周選取29個(gè)特征點(diǎn)用來研究隧道開挖洞周的位移與應(yīng)力(圖3)。

圖3 洞周特征點(diǎn)示意

2 計(jì)算結(jié)果與分析

為了研究小凈距隧道橫通道交叉段施工過程中洞室應(yīng)力分布與變形特征，主要分析了隧道橫通道交叉段施工過程中的洞室圍巖位移、圍巖應(yīng)力集中度、塑性區(qū)分布、地表沉降等。

2.1 橫通道交叉段施工過程中洞室圍巖位移分析

2.1.1 洞周水平位移分析

橫通道段隧道開挖的水平位移云圖如圖4所示，左洞洞周特征點(diǎn)在橫通道段和正常段的水平位移曲線如圖5所示，右洞洞周特征點(diǎn)在橫通道段和正常段的水平位移曲線如圖6所示。

圖4 橫通道段隧道開挖水平位移

圖5 左洞洞周特征點(diǎn)水平位移曲線

圖6 右洞洞周特征點(diǎn)水平位移曲線

從圖4～圖5中可以看出，隧道開挖完成后，隧道周圍圍巖的最大水平位移出現(xiàn)在拱腰處。由于兩洞開挖相互之間的影響，兩洞相鄰拱腰處的橫向位移要比另外一側(cè)的大。此外，橫通道和斜井通道的開挖使得左右兩洞的位移變化不一樣，右洞隧道在橫通道段處的水平位移與正常段相比，在數(shù)值上變化不大，左洞隧道在橫通道段處的水平位移與正常段相比反而減小，可見橫通道與斜井通道的開挖不會(huì)對(duì)洞周水平位移產(chǎn)生較大的不利影響。值得注意的是，由于隧道右側(cè)斜井通道的開挖，在橫通道段，左洞隧道和右洞隧道在其右側(cè)拱腰處的水平位移方向與其在正常段的水平位移方向相反。

2.1.2 洞周豎向位移分析

橫通道段隧道開挖的水平位移云圖如圖7所示，左洞洞周特征點(diǎn)在橫通道段和正常段的水平位移曲線如圖8所示，右洞洞周特征點(diǎn)在橫通道段和正常段的豎向位移曲線如圖9所示。

圖7 橫通道段隧道開挖豎向位移

圖8 左洞洞周特征點(diǎn)豎向位移曲線

圖9 右洞洞周特征點(diǎn)豎向位移曲線

從圖7～圖9中可以看出，隧道開挖完成后，隧道橫通道段和正常段的圍巖最大下沉位移出現(xiàn)在拱頂附近，圍巖隆起最大值出現(xiàn)在隧道底部仰拱中心附近。

橫通道段處的洞周豎向位移與正常段處的豎向位移相比明顯較大。

(1)左洞隧道在橫通道段處最大隆起位移為5.26mm，跟正常段處最大隆起位移4.60mm相比大了14.35 %；左洞隧道在橫通道段處的最大下沉位移為4.71mm，跟正常段處最大下沉位移3.89mm相比大了21.08 %。

(2)由于右洞隧道右側(cè)斜井通道的開挖會(huì)對(duì)位移增幅產(chǎn)生影響，所以右洞隧道的位移增幅比左洞隧道位移增幅大。右洞隧道在橫通道段處最大隆起位移為5.73mm，跟正常段處最大隆起位移4.60mm相比大了24.57 %。右洞隧道在橫通道段處的最大下沉位移為5.09mm，跟正常段處最大下沉位移3.89mm相比大了30.85 %?？梢姡瑱M通道和斜井通道的開挖對(duì)豎向位移會(huì)產(chǎn)生較大的影響。

2.1.3 橫通道拱頂沉降分析

圖10為左右隧道在橫通道段處的拱頂下沉位移隨施工步的變化。第1施工步到第15施工步為斜井通道開挖過程，第17施工步到第23施工步為斜井通道開挖過程，其中左洞隧道處的橫通道在第21施工步開始開挖。

圖10 橫通道段隧道拱頂豎向位移曲線

從圖10可以看出，在斜井通道開挖過程中，左右隧道的拱頂幾乎無沉降位移。在橫通道開挖過程中，左右隧道拱頂沉降位移增長(zhǎng)速度較快，橫通道開挖完成后，左洞隧道拱頂沉降位移為3.34mm，右洞拱頂沉降位移為4.36mm。在接下來的開挖過程中左右隧道拱頂沉降位移增長(zhǎng)速度變緩，變化趨勢(shì)大致相同。隧道開挖完成后左洞隧道拱頂沉降位移達(dá)到4.71mm，右洞拱頂沉降位移為5.09mm。

2.2 橫通道交叉段施工過程中洞室圍巖應(yīng)力分析

小凈距隧道開挖完成后左洞洞周Von-Mises應(yīng)力曲線如圖11所示，右洞洞周Von-Mises應(yīng)力曲線如圖12所示。

圖11 左洞洞周Von-Mises應(yīng)力曲線

圖12 右洞洞周Von-Mises應(yīng)力曲線

從圖11～圖12中可以看出：

(1)位于正常段的左右洞隧道洞周的Von-Mises應(yīng)力大致呈左右對(duì)稱的分布形態(tài)，在拱頂和拱底位置處Von-Mises應(yīng)力較小，變化較為平緩，且沒有應(yīng)力集中現(xiàn)象。

(2)左右洞隧道在拱腳位置周圍的Von-Mises應(yīng)力比其周圍的點(diǎn)的Von-Mises應(yīng)力大，且變化較為迅速，因此在拱腳位置容易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。

(3)在小凈距隧道隧道的開挖過程中，左右洞隧道之間會(huì)相互影響。因此，隧道在正常段和橫通道段左右洞相鄰一側(cè)的拱腰及拱腳處Von-Mises應(yīng)力要更大一些。

(4)在橫通道段，斜井通道和橫通道貫穿右洞隧道，右洞隧道在橫通道段的隧道洞周的Von-Mises應(yīng)力跟正常段相比明顯增大，且在拱腳位置周圍的Von-Mises應(yīng)力變化較正常段更為快速。而左洞隧道的左側(cè)的Von-Mises應(yīng)力在橫通道段和正常段相差不大，僅在靠近右洞隧道的一側(cè)的拱腳和拱腳位置周圍的Von-Mises應(yīng)力跟正常段相比明顯增大且變化更為快速。

2.3 橫通道交叉段施工中洞室塑性區(qū)分析

在小凈距隧道施工過程中，左右兩隧道的中夾巖柱是其中一個(gè)比較薄弱的的環(huán)節(jié)，其穩(wěn)定性對(duì)小凈距隧道施工起著關(guān)鍵作用。

塑性區(qū)分布是判斷隧道圍巖穩(wěn)定性分析中的重要依據(jù)之一，隧道橫通道段和正常段開挖的塑性區(qū)分布分別如圖13、圖14所示。

圖13 隧道橫通道段開挖塑性區(qū)

圖14 隧道橫正常段開挖塑性區(qū)

從圖13～圖14可以看出，兩洞間凈距比洞徑要小。在隧道和橫通道開挖過程中，中夾巖柱在橫通道段受到多次擾動(dòng)，其塑性區(qū)在兩隧道拱腰部位已經(jīng)貫通，而在正常段處，受到的擾動(dòng)相比于橫通道段較少，其塑性區(qū)并沒有貫通。因此，在小凈距隧道橫通道段處，其塑性區(qū)相比于正常段更容易貫通。

2.4 地表沉降分析

地表沉降是判斷隧道開挖時(shí)，地面周邊建筑是否安全的重要依據(jù)。隧道開挖時(shí)的地表沉降云圖如圖15所示，地表沉降曲線如圖16所示。

圖15 隧道開挖地表沉降云圖

圖16 隧道開挖地表沉降曲線

根據(jù)圖16可以得出以下結(jié)論：

(1)隧道開挖后，橫向通道段處和正常段處的地表沉降曲線呈漏斗狀，在兩隧道中心線處，地表沉降達(dá)到最大值。在橫通道段的地表沉降比正常段的地表沉降明顯增大。

(2)在兩隧道中心線左側(cè)，距離中心線越遠(yuǎn)，橫通道段處和正常段處的地表沉降越接近，最后沉降基本一致；而在兩隧道中心線的右側(cè)，橫通道段處的地表沉降量明顯大于正常段處的地表沉降量。這些沉降特征是由橫通道以及隧道右側(cè)斜井通道的開挖導(dǎo)致的。

3 結(jié)束語

隧道在修建過程中經(jīng)常會(huì)受到地形、地物的嚴(yán)格限制，使得小凈距隧道結(jié)構(gòu)形式在國(guó)內(nèi)得到越來越多的應(yīng)用[9-10]。根據(jù)需求會(huì)在小凈距隧道中設(shè)置橫通道。文章通過建立三維數(shù)值模型對(duì)小凈距隧道橫通道空間交叉結(jié)構(gòu)施工力學(xué)進(jìn)行研究，得出了以下結(jié)論：

(1)小凈距隧道橫通道及斜井通道的開挖對(duì)隧道拱頂沉降和底部隆起有著較大的不利影響。

(2)小凈距隧道橫通道的開挖對(duì)隧道洞周橫向位移影響不大，但會(huì)使隧道在其右側(cè)拱腰處的水平位移方向發(fā)生改變。

(3)小凈距隧道橫通道段與正常段相比圍巖應(yīng)力集中度更高，中夾巖柱的塑性區(qū)更容易貫通。

(4)小凈距隧道橫通道的開挖會(huì)使得地表沉降大幅增加，在開挖過程中應(yīng)做好地表沉降控制措施。