通風(fēng)橫洞與主隧道交叉口二次襯砌結(jié)構(gòu)力學(xué)特性研究

劉寶超

大連市市政設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司 遼寧大連 116021

隧道橫洞通常包括車行及人行橫通道，其中車行橫洞斷面面積較大，與主線隧道成正交或斜交關(guān)系，屬于空間力學(xué)結(jié)構(gòu)，受力狀態(tài)較為復(fù)雜，在交叉點(diǎn)的設(shè)計(jì)及施工過程中歷來都受到人們的重視，通過調(diào)整結(jié)構(gòu)形式及結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)來保證受力薄弱點(diǎn)的安全性。此類問題的以往分析中主要多的采用三維地層結(jié)構(gòu)法進(jìn)行分析，采用有限元連續(xù)介質(zhì)模型分析中往往沒有真實(shí)的反應(yīng)此類交叉口受力特性，本文實(shí)際工程為依托，采用更直觀的三維荷載結(jié)構(gòu)法分析模型，研究交叉口受力特點(diǎn)以指導(dǎo)設(shè)計(jì)和施工[1]。

1 工程概況

大連市光明路延伸工程—隧道暗挖土建工程南洞口端通風(fēng)橫洞交主隧道，整個(gè)交叉區(qū)段所處地層為中風(fēng)化白云巖，上覆巖土埋深5～9m，主線隧道開挖跨度17．1m，開挖高度11．5m，通風(fēng)橫洞開挖跨度11．8m，開挖高度7．5m，且橫洞底標(biāo)高與主線隧道檢修道標(biāo)高銜接，使得結(jié)構(gòu)上緣交叉點(diǎn)位于主隧道拱肩接近拱頂位置，此種形式交叉對主隧道結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的削弱程度較大，需要結(jié)構(gòu)加強(qiáng)處理。

2 數(shù)值模擬分析

為了更真實(shí)、直觀的反應(yīng)此類隧道交叉口的空間受力特點(diǎn)，采用Midas-GTS NX有限元軟件對交叉口結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維荷載結(jié)構(gòu)法靜力分析[2]。襯砌結(jié)構(gòu)采用二維板單元模擬，圍巖荷載采用面壓力加載，隧道邊墻及結(jié)構(gòu)底板圍巖約束反力采用地曲面彈簧模擬。計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 計(jì)算模型

參照規(guī)范要求選取襯砌結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示，地曲面彈簧抗力系數(shù)按地質(zhì)勘察報(bào)告中選300Mpa/m。

表1 襯砌結(jié)構(gòu)參數(shù)

3 計(jì)算結(jié)果分析

圖2為襯砌結(jié)構(gòu)環(huán)向軸力計(jì)算結(jié)果，圖3為襯砌結(jié)構(gòu)環(huán)向彎矩計(jì)算結(jié)果。從軸力圖中可以看出交叉口上緣區(qū)域引起主洞及橫洞的襯砌環(huán)向軸力出現(xiàn)受拉區(qū)，而邊墻部位發(fā)生環(huán)向軸力增大區(qū)域；從彎矩圖中可以看出主洞及橫洞拱頂位置環(huán)向襯砌彎矩方向?yàn)閮?nèi)側(cè)受拉的區(qū)域增大，數(shù)值增幅達(dá)到40%，交叉區(qū)結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中明顯，交叉引起主洞結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化較大區(qū)域?yàn)榻豢谇昂?m，設(shè)計(jì)中應(yīng)對此區(qū)主洞及橫洞一定長度范圍結(jié)構(gòu)加強(qiáng)，對交叉點(diǎn)上緣及側(cè)墻應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)格的裂縫控制配筋驗(yàn)算[3]。

圖2 襯砌軸力圖

圖3 襯砌彎矩圖

4 結(jié)語

通過對橫洞與主隧道交叉口的三維有限元模擬分析，得出交叉口位置結(jié)構(gòu)空間受力特點(diǎn)，總結(jié)以下結(jié)論：

（1）主隧道側(cè)墻開口橫洞破壞了主隧道原有的結(jié)構(gòu)受力體系，使得結(jié)構(gòu)發(fā)生應(yīng)力集中。

（2）對于橫洞與主隧道交叉口兩側(cè)主隧道應(yīng)作至少8m長的襯砌結(jié)構(gòu)加強(qiáng)，采取必要的配筋補(bǔ)強(qiáng)措施。

（3）對于交叉口橫通道襯砌結(jié)構(gòu)也應(yīng)做出5m加強(qiáng)段設(shè)計(jì)，從而保證整個(gè)交叉口結(jié)構(gòu)的空間穩(wěn)定性。