唐旭 張志強

【摘要】特長公路隧道交叉段施工中，交叉區(qū)域洞周圍巖受到了不同方向、不同程度的反復(fù)擾動和破壞，同時隧道結(jié)構(gòu)易在二次施工擾動產(chǎn)生變形及損傷，對工程造成不利影響?；诖耍恼乱运拇ㄣ腭R高速公路米亞羅3號隧道2#行車橫通道與主洞交叉段為工程依托，采用大型通用有限元軟件ANSYS對交叉段施工過程進行了模擬，分析了交叉區(qū)域各項性能參數(shù)與施工步序之間的動態(tài)關(guān)系，獲得了洞周圍巖變形傳播規(guī)律及隧道交叉結(jié)構(gòu)的受力特征及力學(xué)演化規(guī)律。

【關(guān)鍵詞】特長公路隧道; 交叉區(qū)域; 單側(cè)壁導(dǎo)坑法; 動態(tài)關(guān)系; 力學(xué)演化規(guī)律

【中國分類號】

U451+.2【文獻標(biāo)志碼】A

隨著我國公路建設(shè)的快速發(fā)展，長大深埋公路隧道越來越多。對于這類隧道，往往需要設(shè)置橫洞，用于交通事故發(fā)生時，引離故障車輛于干道以及發(fā)生火災(zāi)時，車輛迅速撤離隧道，疏散受困人群，確保公路交通系統(tǒng)的安全與暢通。但在交叉段施工過程中，交叉區(qū)域洞周圍巖受到了不同方向、不同程度的反復(fù)擾動和破壞，同時隧道結(jié)構(gòu)易在二次施工擾動產(chǎn)生變形及損傷，對工程造成不利影響，因此有必要探究施工過程中洞周圍巖變形傳播規(guī)律及隧道交叉結(jié)構(gòu)的受力特征及力學(xué)演化規(guī)律。

目前許多學(xué)者對于隧道交叉段進行了研究，張俊[1]利用ADINA有限元軟件對寶塔山2#風(fēng)機房十字交叉結(jié)構(gòu)進行了模擬，研究了交叉段附近圍巖的變形、襯砌結(jié)構(gòu)的裂縫分布以及圍巖與襯砌間的接觸應(yīng)力分布形態(tài);張建宇等[2]結(jié)合數(shù)值模擬及現(xiàn)場監(jiān)控量測，研究了重慶軌道交通某區(qū)間隧道與施工通道交叉段的圍巖應(yīng)力分布和位移特征;姜雪峰[3]以大連地鐵某區(qū)間隧道為工程背景，采用有限差分軟件FLAC3D研究了7種不同角度下橫通道近接地鐵區(qū)間隧道時，交叉段圍巖及隧道結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形;史彥文等[4]以阿爾及利亞東西高速T2隧道車行橫洞交叉段為研究對象，利用MI-DAS/GTS軟件建立了交叉區(qū)三維模型，分析了主洞二次襯砌的受力狀態(tài);劉山洪等[5]針對涪陵聚云山隧道橫洞與主洞交叉段出現(xiàn)裂縫這一問題，采用有限元方法研究了裂縫產(chǎn)生的原因，并提出了相應(yīng)的加固措施。

本文以四川汶馬高速公路米亞羅3號隧道2#行車橫通道與主洞交叉段為工程依托，采用大型通用有限元軟件ANSYS對交叉段單側(cè)壁導(dǎo)坑法施工過程進行了模擬和分析，以期為類似隧道交叉段的設(shè)計和施工提供有益參考。

1 計算模型及參數(shù)選取

2#行車橫通道與主隧道交叉區(qū)域埋深為232.86 m，地質(zhì)情況復(fù)雜，隧道圍巖由中生界三疊系上統(tǒng)侏倭組板巖夾變質(zhì)砂巖、千枚巖組成，薄層狀，少量厚層狀—塊狀結(jié)構(gòu)，節(jié)理較發(fā)育，拱頂穩(wěn)定性一般，會產(chǎn)生掉塊，側(cè)壁基本穩(wěn)定，構(gòu)造線與隧道軸線小角度相交，巖體易發(fā)生變形，千枚巖巖性軟弱，開挖后變形量大且易坍塌，局部存在圍巖大變形，成洞性差。

根據(jù)米亞羅3號隧道勘測報告和設(shè)計圖，在2#行車橫通道與主隧道交叉區(qū)域，地層主要由V級圍巖組成，圍巖計算參數(shù)參考現(xiàn)行的JIG D70-2004《公路隧道設(shè)計規(guī)范》進行取值。二次襯砌作為安全儲備，在計算中不予考慮。本次計算物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示。

在三維有限元模型中，對于圍巖、主隧道、車行橫通道及相關(guān)支護結(jié)構(gòu)均采用SOLID45單元的塊體三維實體單元進行模擬。圍巖在本次計算中使用理想彈塑性本構(gòu)關(guān)系，選用Drucker-Prager非線性屈服準(zhǔn)則進行計算分析?？紤]模型的邊界效應(yīng)，模型邊界取3～5倍洞徑較為合理，故計算模型左、右兩側(cè)（X方向）邊界為5倍洞徑，取90 m;模型底部邊界至隧道下側(cè)邊界為43 m，上部邊界取至地表，左右邊界約束為水平位移，下邊界約束豎直位移，上邊界為自由邊界，主隧道縱向長度選為60 m。整個有限元模型共61 302個單元。如圖1所示。

隧道施工過程分為三個階段：階段1主要完成米亞羅3號隧道的施工，包括主隧道開挖、初期支護和中隔壁支護;階段2主要完成行車橫通道的施工，包括橫通道的開挖和初期支護;階段3主要完成中隔壁的拆除工作，每次拆除30 m，分三次拆除所有的中隔壁。主隧道施工工序如圖2和圖3所示。

2 計算結(jié)果分析

2.1 交叉區(qū)域變形分析

施工過程中，圍巖變形量主要為豎向變形，施工各階段圍巖變形如圖4所示。

拱頂位移是圍巖穩(wěn)定性評價的關(guān)鍵指標(biāo)，本文提取了不同施工階段下主隧道及橫洞沿線的拱頂位移，如圖5、圖6所示。

從圖5可以看出：交叉區(qū)域橫通道開挖對主隧道影響范圍有限，大概為前后各15 m;在影響范圍內(nèi)，隨著橫通道不斷開挖，主隧道拱頂位移增量逐漸減小，位移變形呈逐步收斂趨勢。

從圖6可以看出：橫通道施工前，橫通道拱頂越靠近主隧道，豎向位移越大;橫通道施工后，拱頂觀測點離橫通道掌子面越近，豎向位移越大;拆除中隔壁對橫通道沿線拱頂豎向位移影響較小。

2.2 交叉區(qū)域塑性區(qū)分析

隧道洞周圍巖塑性區(qū)形態(tài)決定了圍巖的破壞形式及破壞程度，對隧道施工安全性分析至關(guān)重要。本文提取了施工過程中交叉區(qū)域圍巖塑性區(qū)分布形態(tài)，如圖7所示。

由圖7可知，交叉區(qū)域圍巖塑性區(qū)分布隨施工的進行產(chǎn)生了明顯變化，具體分析如下：

（1）橫通道施工前，主隧道沿線不同位置均出現(xiàn)不同程度的圍巖塑性區(qū)，洞周圍巖塑性區(qū)分布主要集中兩側(cè)拱腰位置。

（2）行車橫通道開挖后，交叉區(qū)域圍巖塑性區(qū)無論是分布范圍還是數(shù)值大小都出現(xiàn)明顯增大，隨著橫通道掌子面不斷推進，圍巖塑性區(qū)范圍逐漸向掌子面推進方向延伸，圍巖塑性區(qū)最大值出現(xiàn)在主隧道拱腰與橫通道拱腰相交處。

（3）從整體上看，行車橫通道掌子面距離交叉口10 m范圍內(nèi)，對交叉區(qū)域圍巖塑性區(qū)分布影響較為突出（開挖11.5 m時，塑性區(qū)最大值相比開挖前增大35.73 %），因此開挖前應(yīng)對橫通道10 m范圍內(nèi)的圍巖進行預(yù)加固處理，保證隧道安全施工。

2.3 交叉區(qū)域圍巖應(yīng)力分析

交叉區(qū)域圍巖由于受反復(fù)施工擾動影響，應(yīng)力狀態(tài)產(chǎn)生多次重分布，相比單線隧道結(jié)構(gòu)施工，應(yīng)力分布特征更為復(fù)雜。通過提取行車橫通道施工進程中各階段交叉區(qū)域圍巖第一及第三主應(yīng)力，分析行車橫通道施工步序與圍巖應(yīng)力狀態(tài)分布之間的動態(tài)關(guān)系。第一主應(yīng)力云圖如圖8所示。

根據(jù)各階段交叉區(qū)域圍巖第一主應(yīng)力分布對比分析可知，橫通道未開挖前，第一主應(yīng)力最大值區(qū)域位于主隧道仰拱底部圍巖處，橫通道開挖后，第一主應(yīng)力最大值區(qū)域出現(xiàn)在橫通道仰拱底部與主隧道相交處;行車橫通道施工過程中，交叉區(qū)域第一主應(yīng)力分布區(qū)域不斷擴大，即受拉區(qū)沿行車橫通道沿線不斷擴展;交叉區(qū)域圍巖第一主應(yīng)力最大值在橫通道開挖10 m范圍內(nèi)時，出現(xiàn)跳躍變化，而后第一主應(yīng)力最大值受橫通道開挖影響較小。

第三主應(yīng)力云圖如圖9所示。

根據(jù)各階段交叉區(qū)域圍巖第三主應(yīng)力分布對比分析可知，橫通道未開挖前，第三主應(yīng)力最大值區(qū)域位于主隧道兩側(cè)拱腳處，橫通道開挖后，第三主應(yīng)力最大值出現(xiàn)在主隧道拱腳與行車橫通道拱腳相交處以及橫通道掌子面仰拱底部;交叉區(qū)域圍巖第三主應(yīng)力最大值在橫通道開挖10 m范圍內(nèi)時，出現(xiàn)跳躍變化，而后隨著掌子面逐漸遠離交叉區(qū)域，變化趨勢逐步收斂。

2.4 交叉區(qū)域襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

主隧道與橫通道交叉襯砌結(jié)構(gòu)構(gòu)成了承載形式十分復(fù)雜的受力體系，襯砌結(jié)構(gòu)不再是單一軸向受力，而是部分彎曲受力的復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)。本次分析選取距離交叉口7 m處的主隧道襯砌結(jié)構(gòu)斷面，如圖10所示，襯砌內(nèi)力圖如圖11所示。

通過對比橫通道施工前后，主隧道軸力、彎矩及安全系數(shù)變化情況，可知：

（1）在主隧道貫通后，由于采用側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，先行洞一側(cè)襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力略大于另一側(cè);由于主隧道采用扁平大斷面結(jié)構(gòu)型式，結(jié)構(gòu)整體軸力、彎矩都較大，軸力、彎矩最大值出現(xiàn)在拱腰及拱腳等位置，安全系數(shù)最小值出現(xiàn)在拱腳位置，均滿足規(guī)范對結(jié)構(gòu)的安全要求。

（2）橫通道施工后，襯砌結(jié)構(gòu)整體內(nèi)力值有不同程度地增加，而橫通道施工一側(cè)由于破壞了原有襯砌結(jié)構(gòu)的“成環(huán)效應(yīng)”，內(nèi)力值增長幅度明顯高于相對側(cè)，造成主隧道襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了明顯偏壓，彎矩及軸力最大值均出現(xiàn)在橫通道開挖一側(cè)的拱腰位置處，襯砌結(jié)構(gòu)各截面安全系數(shù)均有不同程度的降低，橫通道開挖一側(cè)的拱腰及拱腳處為最危險截面，其安全系數(shù)接近規(guī)范所規(guī)定的極限值，說明橫通道施工使主隧道襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力產(chǎn)生了極為不利的分布形式，這種現(xiàn)象在交叉口勢必更為明顯，因此在橫洞進洞前應(yīng)對洞口附近圍巖采取有效的加固措施并有必要采用一定的超前預(yù)加固措施，以保證進洞安全。

3 結(jié)論

本文采用ANSYS對四川汶馬高速公路米亞羅3號隧道2#行車橫通道與主洞交叉段施工過程進行了模擬和分析，主要結(jié)論如下：

（1）交叉區(qū)域橫通道開挖對主隧道影響范圍大概為前后各15 m，在影響范圍內(nèi)，隨著橫通道不斷開挖，主隧道拱頂位移增量逐漸減小，位移變形呈逐步收斂趨勢。

（2）橫通道施工前，主隧道洞周圍巖塑性區(qū)分布主要集中兩側(cè)拱腰位置，橫通道開挖后，隨著橫通道掌子面不斷推進，圍巖塑性區(qū)范圍逐漸向掌子面推進方向延伸，圍巖塑性區(qū)最大值出現(xiàn)在主隧道拱腰與橫通道拱腰相交處。

（3）交叉區(qū)域圍巖第一主應(yīng)力最大值在橫通道開挖10 m范圍內(nèi)時，出現(xiàn)跳躍變化，而后第一主應(yīng)力最大值受橫通道開挖影響較小，第三主應(yīng)力最大值出現(xiàn)在主隧道拱腳與行車橫通道拱腳相交處以及橫通道掌子面仰拱底部。

（4）橫通道施工破壞了主隧道原有襯砌結(jié)構(gòu)的“成環(huán)效應(yīng)”，襯砌內(nèi)力值增長幅度明顯高于相對側(cè)，產(chǎn)生了明顯的偏壓現(xiàn)象，使主隧道襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力產(chǎn)生了極為不利的分布形式。

參考文獻

[1] 張俊.公路隧道與輔助通道交叉結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析[J].路基工程，2018（6）：167-171.

[2] 張建宇，邵剛，謝繼安，黃林.重慶軌道交通某區(qū)間隧道與施工通道交叉段施工力學(xué)研究[J].公路交通技術(shù)，2018，34（5）：87-91.

[3] 姜雪峰. 地鐵交叉隧道施工圍巖變形及穩(wěn)定性研究[D].大連：大連交通大學(xué)，2018.

[4] 史彥文，曹校勇，韓常領(lǐng).大斷面公路隧道主洞與車行橫洞交叉口數(shù)值模擬分析[J].中外公路，2009，29（4）：405-409.

[5] 劉山洪，陳寅春，李剛.車行橫洞與隧道主洞交叉段局部失穩(wěn)數(shù)值分析[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2011，30（2）：217-220.