林迪睿 張志強(qiáng)

【摘要】存在交叉段的特長(zhǎng)公路隧道中，交叉區(qū)域隧道施工往往需采用特殊的施工工藝，不同的施工方法及不同加固段長(zhǎng)度條件下，由于受到的施工擾動(dòng)及襯砌剛度不同，圍巖及結(jié)構(gòu)所承擔(dān)的圍巖荷載差異較大，相應(yīng)的，交叉區(qū)域內(nèi)圍巖位移及襯砌結(jié)構(gòu)變形規(guī)律及應(yīng)力分布也不盡相同。文章依托四川汶馬高速公路米亞羅3號(hào)隧道2#行車橫通道與主洞交叉段施工工程，采用大型通用有限元軟件ANSYS對(duì)交叉段施工過程進(jìn)行了模擬，分析了交叉段各指標(biāo)與施工工法以及加固段長(zhǎng)度的關(guān)系，獲得了針對(duì)隧道交叉結(jié)構(gòu)的工法選擇的數(shù)值模擬依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】交叉區(qū)域; 單側(cè)壁導(dǎo)坑法; 三臺(tái)階七步法; 數(shù)值模擬

【中國分類號(hào)】U459.2【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

隨著我國路網(wǎng)建設(shè)數(shù)量的劇增，長(zhǎng)大深埋公路隧道越來越多。為了能在交通事故發(fā)生時(shí)及時(shí)疏散車輛及人員，減少人員財(cái)產(chǎn)損失，車行或人行橫通道的設(shè)置便十分重要。交叉區(qū)域隧道施工往往需采用特殊的施工工藝，不同的施工方法及不同加固段長(zhǎng)度條件下，由于受到的施工擾動(dòng)及襯砌剛度不同，圍巖及結(jié)構(gòu)所承擔(dān)的圍巖荷載差異較大，相應(yīng)的，交叉區(qū)域內(nèi)圍巖位移及襯砌結(jié)構(gòu)變形規(guī)律及應(yīng)力分布也不盡相同，因此要確定交叉區(qū)域內(nèi)最優(yōu)的施工工藝及優(yōu)化參數(shù)，就需要針對(duì)不同施工方法及不同加固段長(zhǎng)度組合形式下，交叉區(qū)域各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析。

近年來許多學(xué)者對(duì)隧道交叉段進(jìn)行了研究，張強(qiáng)勇等[1]利用理論分析與三維隧道模型試驗(yàn)，分析了分岔隧道施工后，洞周土體圍巖在一般情況和超載情況的位移及受力情況、錨桿受力情況;張俊[2]利用ADINA有限元軟件對(duì)比分析了不同工況的交叉段隧道施工，研究了交叉段圍巖變形規(guī)律，結(jié)構(gòu)的裂縫分布，圍巖-襯砌接觸應(yīng)力分布形態(tài);王緒等[3]利用有限元軟件Midas-GTS-NX軟件建立了小凈距聯(lián)絡(luò)橫通道的對(duì)稱數(shù)值模型，研究了正道和橫通道的各項(xiàng)性能指標(biāo);羅雪松[4]依托木寨嶺1#施工橫洞，理論分析隧道正洞與橫通道交叉口的三維受力狀況，研究了有交叉段的橫洞開挖施工順序。

1 公路隧道交叉區(qū)模型建立

隧道洞身圍巖由T3zh地層構(gòu)成，巖性主要為變質(zhì)砂巖、板巖、千枚巖組成，屬堅(jiān)硬-軟巖。T3zh地層呈薄-中層狀構(gòu)造，巖體較破碎，圍巖呈層狀碎裂結(jié)構(gòu)，局部鑲嵌結(jié)構(gòu);地下水以基巖孔隙裂隙水為主，呈點(diǎn)滴或線狀出水為主;圍巖穩(wěn)定性較差，拱頂無支護(hù)時(shí)易坍塌，側(cè)壁有時(shí)失去穩(wěn)定，主要為V級(jí)圍巖。

圍巖計(jì)算參數(shù)參考現(xiàn)行的JTG D70-2004《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行取值，如表1所示。

在三維有限元模型中，對(duì)于圍巖、主隧道、車行橫通道及相關(guān)支護(hù)結(jié)構(gòu)均采用SOLID45單元的塊體三維實(shí)體單元進(jìn)此次的建模分兩部分，采用兩種不同的工法：?jiǎn)蝹?cè)壁導(dǎo)坑法和三臺(tái)階七步法。

（1）單側(cè)壁導(dǎo)坑法分3個(gè)子工序：子工序一對(duì)主隧道循環(huán)開挖，施作初期支護(hù)、施作中隔壁支護(hù);子工序二對(duì)行車橫通道全斷面開挖，并施作初期支護(hù);子工序三分多次拆除所有中隔壁。

（2）三臺(tái)階七步法分2個(gè)子工序：子工序一對(duì)主隧道預(yù)留核心土環(huán)形循環(huán)開挖，及時(shí)施作初期支護(hù);子工序二對(duì)行車橫通道全斷面開挖，及時(shí)施作初期支護(hù)。

兩種工法的施工工序如圖2和圖3所示。

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 圍巖位移及結(jié)構(gòu)變形程度分析

針對(duì)由三臺(tái)階七步法、單側(cè)壁導(dǎo)坑法兩種工法及0 m、7 m、14 m三種襯砌結(jié)構(gòu)加固長(zhǎng)度組成的6種施工組合形式下圍巖位移及襯砌結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行分析，計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

隧道施工結(jié)束后洞周圍巖變形見表2、圖5。

由圖5和表2可以看出，隧道施工結(jié)束后，洞周圍巖變形量具有以下特征：

（1）主隧道拱肩至拱頂部分圍巖產(chǎn)生明顯位移沉降，交叉區(qū)域最大圍巖位移量出現(xiàn)在拱頂區(qū)域，而由于行車橫通道的存在，交叉區(qū)域圍巖位移出現(xiàn)明顯不對(duì)稱分布，橫通道一側(cè)圍巖位移量大于相對(duì)側(cè);仰拱部位出現(xiàn)鼓起現(xiàn)象，且鼓起最大量也出現(xiàn)在仰拱偏向行車橫通道位置。

（2）在相同加固段長(zhǎng)度下，三臺(tái)階七步法引起的圍巖位移量略大于單側(cè)壁導(dǎo)坑法，說明在交叉段區(qū)域施加臨時(shí)支撐等支護(hù)方式有助于減小洞周圍巖變形量。

（3）在同種施工方法下，隨著隧道加固段長(zhǎng)度增加，交叉區(qū)域洞周圍巖位移量逐步減小，但減小幅度隨之降低趨于收斂，對(duì)于單側(cè)壁導(dǎo)坑法，采用7 m加固段長(zhǎng)度相比未加固時(shí)位移量減小6.36 %，而采用14 m加固段長(zhǎng)度相比未加固時(shí)減小7.75 %;對(duì)于三臺(tái)階七步法，采用7 m加固段長(zhǎng)度相比未加固時(shí)位移量減小6.03 %，而采用14 m加固段長(zhǎng)度相比未加固時(shí)減小7.76 %。

2.2 交叉區(qū)域圍巖塑性區(qū)對(duì)比分析

交叉區(qū)域圍巖塑性區(qū)分布見圖6。

由圖6可知，各工況下圍巖塑性區(qū)分布基本相似，交叉區(qū)域塑性區(qū)較為集中，塑性區(qū)最大值出現(xiàn)在主隧道與行車橫通道拱腰相交處，仰拱部位未出現(xiàn)塑性區(qū)，說明兩種施工方法開挖對(duì)控制隧道開挖過程中仰拱部位的塑性變形效果較好，減小了仰拱部位圍巖的受力。在相同加固段長(zhǎng)度條件下，相比三臺(tái)階七步法采用單側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，洞周圍巖塑性區(qū)范圍較小;在同種施工方法下，交叉區(qū)域隧道襯砌加固段長(zhǎng)度對(duì)洞周圍巖塑性區(qū)大小有明顯改善，而隨著加固段長(zhǎng)度增加，圍巖塑性區(qū)改善效果逐漸降低。

2.3 隧道襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布特征對(duì)比分析

隧道襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布見圖7。

根據(jù)不同施工組合形式下隧道交叉區(qū)域第三主應(yīng)力分布特征對(duì)比分析可知：

（1）因行車橫通道開挖引起側(cè)向約束作用的減小，造成橫通道側(cè)與橫通道對(duì)側(cè)襯砌結(jié)構(gòu)第三主應(yīng)力分布存在明顯差異，呈不對(duì)稱分布，第三主應(yīng)力主要集中在主隧道與行車橫通道交叉口處，存在明顯應(yīng)力集中效應(yīng)，拱腰及拱腳部位相交處，集中程度最大，距離交叉中心越遠(yuǎn)，第三主應(yīng)力逐漸減小并趨于穩(wěn)定;交叉口處偏壓效應(yīng)最為突出，此區(qū)域應(yīng)采取

減小開挖步距和加強(qiáng)支護(hù)等措施來保證工程安全。

（2）兩種施工方法第三主應(yīng)力存在部分差異，采用單側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，由于采取了臨時(shí)支護(hù)措施，有效控制洞周圍巖塑性區(qū)范圍使襯砌結(jié)構(gòu)承擔(dān)較小的松弛荷載和形變荷載，因而其襯砌結(jié)構(gòu)第三主應(yīng)力集中程度相對(duì)三臺(tái)階七步法較小。

（3）在采用同種施工方法的情況下，襯砌結(jié)構(gòu)加固段長(zhǎng)度不同，第三主應(yīng)力分布也存在明顯差異，由于加固段襯砌結(jié)構(gòu)剛度更大，應(yīng)力分布發(fā)生轉(zhuǎn)移，向剛度更大的區(qū)域集中，因此隨著加固段長(zhǎng)度的增加，加固段區(qū)域內(nèi)的襯砌結(jié)構(gòu)承擔(dān)更多的應(yīng)力分布。

3 結(jié)論

本文采用ANSYS對(duì)不同工法和加固段長(zhǎng)度的交叉隧道進(jìn)行了模擬和分析，主要結(jié)論如下：

（1）因?yàn)樾熊嚈M通道的存在，交叉區(qū)域的圍巖變形表現(xiàn)出相當(dāng)程度的不對(duì)稱性，通過選用合適的工法，即選取單側(cè)壁導(dǎo)坑法能在一定程度減小圍巖變形。采用大的加固段長(zhǎng)度亦能減小圍巖變形，但從經(jīng)濟(jì)效益上比選，加固段長(zhǎng)度不宜過長(zhǎng)。

（2）隨著開挖進(jìn)行，兩種工法出現(xiàn)相似的塑性區(qū)：塑性區(qū)最大值出現(xiàn)在兩通道拱腰交叉處，而拱頂均無塑性區(qū)。隨著加固段長(zhǎng)度變長(zhǎng)，塑性區(qū)得到改善，但改善效果逐漸變小。

（3）在通道交叉處，第三主壓應(yīng)力存在應(yīng)力集中，在此區(qū)域的開挖應(yīng)采用更小的步距和更強(qiáng)的支護(hù)。由于單側(cè)壁導(dǎo)坑良好的約束效果，第三主應(yīng)力的集中程度較小。對(duì)于不同的加固長(zhǎng)度，由于第三主應(yīng)力向剛度更大部分轉(zhuǎn)移，長(zhǎng)加固長(zhǎng)度能更好的改善應(yīng)力集中的狀況。

根據(jù)以上分析，綜合考慮圍巖位移、圍巖塑性區(qū)范圍及襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布特征，隧道交叉區(qū)域內(nèi)采用單側(cè)壁導(dǎo)坑法施工較三臺(tái)階七步法施工更為合理，同時(shí)在考慮加固段長(zhǎng)度時(shí)，采用7 m加固段長(zhǎng)度，能同時(shí)滿足交叉區(qū)域施工安全性和工程經(jīng)濟(jì)性的要求。

參考文獻(xiàn)

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