深埋公路隧道復(fù)雜斷面十字交叉施工穩(wěn)定性數(shù)值分析

白雅偉，李夢(mèng)瑤，邵 帥，何 軍

(1.河南省堯欒西高速公路建設(shè)有限公司， 河南 南陽(yáng) 473000；2.長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院 ， 陜西 西安 710064；3.中交一公局集團(tuán)有限公司， 北京 100020)

長(zhǎng)大隧道作為高速公路建設(shè)的關(guān)鍵性工程，通常需設(shè)置斜井，一方面可用于隧道建成后的送、排風(fēng)，另一方面可增加施工工作面，提高隧道主洞的掘進(jìn)進(jìn)度。靳曉光等[1]指出深埋隧道橫通道的開挖對(duì)交叉?zhèn)戎魉淼纻?cè)壁初期支護(hù)應(yīng)力及交叉對(duì)側(cè)主隧道側(cè)初期支護(hù)σ3和XY平面的剪應(yīng)力影響較大；孫忠成[2]深入探討了不同開挖方式對(duì)山嶺隧道穩(wěn)定性的影響；張志強(qiáng)等[3]對(duì)馬王槽隧道主洞與橫通道施工進(jìn)行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)60°斜交情況下應(yīng)力集中系數(shù)將由1.5倍提高至2.0倍；王鎮(zhèn)等[4]研究了斜井與聯(lián)絡(luò)風(fēng)道交叉結(jié)構(gòu)施工力學(xué)行為，通過(guò)多種工況對(duì)比得出先施工斜井再施工聯(lián)絡(luò)風(fēng)道是最優(yōu)方案；蔡亦來(lái)[5]系統(tǒng)的研究了新建隧道鉆爆法施工工況下既有隧道的靜動(dòng)力分析和振動(dòng)響應(yīng)研究；龔斌等[6]模擬了馬蹄形隧道在不同主應(yīng)力傾角下的破壞模式，發(fā)現(xiàn)主應(yīng)力方向?qū)︸R蹄形隧道圍巖穩(wěn)定有重要影響；闞呈等[7]探明了鋼纖維混凝土支護(hù)隧道交叉連接段局部范圍內(nèi)位移變形、裂縫分布、接觸應(yīng)力等演化的施工力學(xué)行為；目前，“T”型交叉隧道即斜井與主洞連接的研究[8-11]和“工”字型隧道即橫通道與主隧左、右線連接的研究[12-15]已較完善，但“十”字型交叉隧道國(guó)內(nèi)外學(xué)者卻鮮有研究，“十”字交叉隧道的設(shè)置可大大縮短主洞貫通時(shí)間，通過(guò)輔助橫通道連接主洞左、右線實(shí)現(xiàn)“一井兩用”。但由于斜井與主洞的交叉部位本身就具有明顯的三維空間效應(yīng)，存在應(yīng)力集中現(xiàn)象[16]，采用“十”字型交叉將使交叉口圍巖發(fā)生多次擾動(dòng)，力學(xué)行為更加復(fù)雜。因此通過(guò)分析深埋隧道十字交叉口施工過(guò)程中圍巖的位移，初支結(jié)構(gòu)與圍巖間的相互作用力以及支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力情況，探討隧道交叉段圍巖的變形機(jī)理，無(wú)論是對(duì)理論體系的完善，還是對(duì)特長(zhǎng)隧道工程縮短建設(shè)周期提高經(jīng)濟(jì)效益方面均具有十分重要的意義。

1 工程背景

在建鄭西高速欒雙段伏牛山特長(zhǎng)公路隧道位于欒川縣廟子鎮(zhèn)附近。伏牛山隧道左線全長(zhǎng)9 161 m，右線全長(zhǎng)9 183 m。在K88+462.7處設(shè)置1處排風(fēng)斜井，施工時(shí)作為施工輔助通道使用，后期用于運(yùn)營(yíng)通風(fēng)，洞內(nèi)變電所橫面與車行橫通道保持一致。

本工程為縮短隧道主線施工工期，在3#排風(fēng)斜井與主隧道右線交叉口中軸線對(duì)側(cè)設(shè)置施工輔助通道(工程變更)連通主隧道左、右線。采用“十”字交叉的方式，同時(shí)增加左、右線的掘進(jìn)工作面，后期施工輔助橫通道作為變電站使用。具體平面位置及交叉口施工斷面圖如圖1、圖2所示。

圖1 伏牛山隧道“十”字交叉口平面布置

圖2 伏牛山隧道交叉段主洞、斜井及施工輔助通道結(jié)構(gòu)斷面(單位：cm)

伏牛山隧道K88+739.2—K88+748.0段洞頂埋深370 m～395 m，通過(guò)鉆探揭露、工程地質(zhì)調(diào)繪和土工試驗(yàn)，隧址區(qū)分布的地層為第四系全新統(tǒng)沖洪積物(Q4al+pl)，下元古界寬坪組(Pt1k1)輝綠巖，以及中生代燕山期(γ53)花崗巖。其中花崗巖為隧道的主要圍巖，十字交叉段圍巖風(fēng)化程度屬中—微風(fēng)化，中粗粒結(jié)構(gòu)，節(jié)理裂隙較為發(fā)育，塊狀構(gòu)造，巖體較完整，穩(wěn)定性較好。

2 數(shù)值模型的建立

2.1 假定條件

由于巖土結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，為簡(jiǎn)化計(jì)算，在分析模型建立前進(jìn)行以下假設(shè)：

(1) 模型圍巖采用實(shí)際圍巖參數(shù)，圍巖材料的屈服準(zhǔn)則應(yīng)用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，圍巖初始應(yīng)力只考慮重力的影響。

(2) 隧道初期支護(hù)模型選擇彈性模型，應(yīng)用軟件中的板單元進(jìn)行模擬。

(3) 鋼拱架、鋼筋網(wǎng)等材料采用剛度等效的方法予以考慮，即將鋼拱架、混凝土支護(hù)剛度折算為初期支護(hù)、臨時(shí)支護(hù)中統(tǒng)一的等效剛度參數(shù)。

2.2 計(jì)算模型及材料參數(shù)

考慮伏牛山隧道十字交叉口處的為深埋隧道及邊界效應(yīng)的影響，模型上邊界取100 m(上邊界未取的圍巖采用荷載代替，荷載大小為24 kN/m3×295 m=7 050 kPa，下部50 m沿主洞方向(y)模型長(zhǎng)度80 m，沿斜井方向(x)方向模型100 m，采用三維有限元軟件進(jìn)行分析，共53 576個(gè)單元，83 999個(gè)節(jié)點(diǎn)。三維有限元模型、十字交叉口模擬部分如圖3所示。

圖3 三維有限元模型

圍巖、初期支護(hù)物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示。

表1 模型材料參數(shù)

2.3 開挖方案設(shè)計(jì)

數(shù)值模擬十字交叉口的施工順序如圖4為3#排風(fēng)斜井①→主洞②、③(同時(shí)開挖)→施工輔助橫通道④。根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行簡(jiǎn)化后，排風(fēng)斜井長(zhǎng)34 m，主洞長(zhǎng)80 m，輔助橫通道長(zhǎng)28 m。開挖總長(zhǎng)度為102 m。其中除交叉部位開挖進(jìn)尺為2 m，其余各部位進(jìn)尺均為4 m。開挖、支護(hù)共計(jì)30個(gè)施工步完成。交叉口分兩次開挖，第一次開挖斜井及主洞交叉段，形成“T”字交叉口，第二次主洞開挖完成后，開挖輔助橫通道，形成“十”字交叉口。

圖4 十字交叉段開挖方案設(shè)計(jì)

3 數(shù)值分析結(jié)果

3.1 交叉部位空間變形分析

在十字交叉口斷面上取6個(gè)特征點(diǎn)(見圖5)為研究對(duì)象，通過(guò)數(shù)值模擬開挖過(guò)程對(duì)各測(cè)點(diǎn)位移的影響，分析掌子面掘進(jìn)對(duì)交叉口空間變形的影響程度。

圖5 交叉口特征點(diǎn)分布

(1) 豎向位移方面：掌子面掘進(jìn)至交叉口(34 m)前，各特征點(diǎn)豎向位移均為0 mm。隨著交叉部位的初次開挖，交叉口形狀呈“T字型”，地應(yīng)力瞬時(shí)釋放，由圖6可知，各特征點(diǎn)的位移量增長(zhǎng)迅速，其中3號(hào)特征點(diǎn)沉降最大為-13.37 mm，4號(hào)特征點(diǎn)的隆起值為13.01 mm；交叉段開挖結(jié)束后掌子面朝著正洞兩側(cè)推進(jìn)，各特征點(diǎn)的豎向位移值隨著開挖的進(jìn)行持續(xù)增加，至主洞掌子面推進(jìn)至距交叉斷面約(1.8～2.2)D1(D1為主隧道洞跨)時(shí)，各特征點(diǎn)的位移增速較緩，這時(shí)掌子面開挖對(duì)交叉部位沉降的影響可忽略。

主洞貫通后，輔助通道(74 m)進(jìn)行開挖，2號(hào)特征點(diǎn)位移增長(zhǎng)速度最快，一步開挖的沉降增長(zhǎng)量為2.51 mm。其余各特征點(diǎn)位移明顯增加，但瞬時(shí)增速與交叉口初次開挖相比減弱。隨著掌子面向前推進(jìn)，各特征點(diǎn)的位移增速逐漸減緩，至輔助通道掌子面推進(jìn)至距十字交叉口拱頂(1.5～2.0)D2洞徑(D2為輔助通道洞跨)，開挖對(duì)交叉部位各特征點(diǎn)的位移影響已不明顯，隧道交叉口附近的圍巖理論應(yīng)力釋放率最高。

至開挖結(jié)束，3號(hào)特征點(diǎn)的累計(jì)沉降值最大為-26.62 mm， 4號(hào)特征點(diǎn)的累計(jì)變形值最小為23.55 mm。根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[17]，(JTG D70/2—2014)Ⅲ級(jí)圍巖的預(yù)留變形量為5 cm，故十字交叉口的開挖從豎向位移角度考慮是安全可行的。

圖6 各特征點(diǎn)豎向位移隨掌子面開挖變化曲線

(2) 水平收斂方面：輔助通道開挖前由圖7可知，這一階段頂部特征點(diǎn)2、3累計(jì)變形趨勢(shì)均為向正洞方向收斂，底板特征點(diǎn)5、6均為背向正洞軸向方向移動(dòng)。其中3號(hào)特征點(diǎn)在交叉段開挖初始階段變形量最大，為-12.56 mm，占該點(diǎn)累計(jì)最大位移值的85.6%。2號(hào)特征點(diǎn)位移瞬時(shí)增長(zhǎng)為4.73 mm，占最大位移變形值的40.8%。初期支護(hù)施作后，除5號(hào)特征點(diǎn)未受影響外，其余各點(diǎn)均產(chǎn)生與開挖階段相反的收斂趨勢(shì)，其中2號(hào)特征點(diǎn)位移變化相對(duì)變化值為3.68 mm，3號(hào)特征點(diǎn)位移相對(duì)變化值為4.29 mm。隨著掌子面轉(zhuǎn)向主洞兩端掘進(jìn)，開挖對(duì)交叉部位各測(cè)點(diǎn)的影響逐漸減小，直至掌子面掘進(jìn)至距交叉斷面約(1.8～2.2)D1(D1為主隧道洞跨)時(shí)，開挖對(duì)交叉部位水平位移的影響已不再顯著趨于穩(wěn)定。

對(duì)3、6號(hào)特征點(diǎn)的位移趨勢(shì)分析發(fā)現(xiàn)其位移趨勢(shì)相反，即斜井與正洞交叉部位拱頂產(chǎn)生向正洞軸向方向的收斂，對(duì)應(yīng)底板位置產(chǎn)生背離正洞軸向方向的移動(dòng)?？赡艿脑蚴墙徊娌课婚_挖后，圍巖應(yīng)力重新調(diào)整分布，隧道壁面圍巖由二維應(yīng)力狀態(tài)變?yōu)閱屋S應(yīng)力狀態(tài)，在頂部圍巖壓力的作用下，側(cè)向應(yīng)力對(duì)交叉口位移的限制減弱，產(chǎn)生正洞軸線(臨空面)方向的變形。拱頂圍巖壓力對(duì)交叉口底部作用不明顯，頂部圍巖壓力釋放后背離正洞軸線外擴(kuò)。

圖7 輔助橫通道開挖前各點(diǎn)水平位移隨掌子面開挖變化情況

對(duì)5、6號(hào)特征點(diǎn)的水平位移分析發(fā)現(xiàn)，5、6號(hào)特征點(diǎn)的位移方向相反，趨勢(shì)相同，均為背離正洞軸線方向外擴(kuò)，且隨著正洞向兩側(cè)的開挖，二者的相對(duì)位移先增大，直至掌子面掘進(jìn)至距交叉斷面約(1.8～2.2)D1(D1為主隧道洞跨)位置時(shí)穩(wěn)定。說(shuō)明主洞開挖對(duì)交叉部位底板的拉應(yīng)力影響較大，這一階段底板的拉應(yīng)力持續(xù)增加，底板有開裂的可能。

由圖8可知，隨著輔助通道的開挖，新的臨空面產(chǎn)生，2號(hào)特征點(diǎn)產(chǎn)生背離正洞方向外擴(kuò)，變形值增至最大為-11.6 mm，相對(duì)輔助通道開挖前的變形值為13.42 mm。3號(hào)特征點(diǎn)位移方向指向輔助通道，位移值繼續(xù)增加至最大為-14.68 mm。隨著輔助通道初期支護(hù)施作，變形量減小，方向反向收斂。隨著輔助通道繼續(xù)向前掘進(jìn)，各特征點(diǎn)均產(chǎn)生向X軸正向的位移。究其原因可能為輔助通道的開挖，使得圍巖內(nèi)部產(chǎn)生沿斜井軸線方向的臨空面，圍巖應(yīng)力發(fā)生二次重分布，由于輔助橫通道斷面尺寸比斜井小，因此隧道整體受到的X軸正向應(yīng)力增加，促使各特征點(diǎn)產(chǎn)生X軸正向水平位移。

圖8 輔助橫通道開挖后各點(diǎn)水平位移隨掌子面開挖變化情況

3.2 輔助橫通道的開挖對(duì)既有交叉口支護(hù)應(yīng)力的影響

最大主應(yīng)力σ1如圖9所示，輔助橫通道開挖前σ1為-6.72 MPa～29.95 MPa。從云圖中可以看出壓應(yīng)力集中分布于既有交叉口斜井左右邊墻及正洞左拱腰、邊墻位置，在交叉段斜井左、右拱腳及正洞右拱腳附近出現(xiàn)明顯的條帶狀拉應(yīng)力集中區(qū)。輔助橫通道開挖后，σ1為-6.74 MPa～40.98 MPa，σ1最大值同比增長(zhǎng)36.8%，輔助橫通道與正洞交叉口底板位置也產(chǎn)生了拉應(yīng)力集中區(qū)。對(duì)云圖整體分析發(fā)現(xiàn)，輔助橫通道的開挖對(duì)最大主應(yīng)力的影響主要為拉應(yīng)力的增加及壓應(yīng)力分布區(qū)域的減少。

圖9 輔助橫通道開挖前、后最大主應(yīng)力云圖

輔助橫通道開挖前最小主應(yīng)力σ3最小值為-66.85 MPa即壓應(yīng)力，位于既有交叉口斜井左拱腳處。壓應(yīng)力集中分布于既有交叉口斜井左、右邊墻位置。最小主應(yīng)力σ3最大值為4.99 MPa，位于正洞底板中部。輔助橫通道開挖后，最小主應(yīng)力σ3最小值變?yōu)?127.49 MPa，同比增長(zhǎng)90.7%，位置轉(zhuǎn)變?yōu)檩o助橫通道與正洞交叉口邊墻。拉應(yīng)力最大值為5.15 MPa，同比增長(zhǎng)3.2%，正洞偏既有交叉口底板除。對(duì)云圖整體分析發(fā)現(xiàn)，輔助橫通道的開挖對(duì)最小主應(yīng)力的影響明顯，除大幅度增大應(yīng)力數(shù)值外，隧道拱頂及底板的拉應(yīng)力區(qū)域范圍也增加，壓應(yīng)力集中區(qū)由斜井交叉口轉(zhuǎn)為輔助橫通道交叉口。

輔助橫通道開挖前剪應(yīng)力值為0.93 MPa～32.35 MPa，剪應(yīng)力τ最大值集中在既有交叉口邊墻及拱腳位置，沿斜井中線對(duì)稱分布。交叉段正洞拱頂及底板位置剪應(yīng)力較小。開挖完成后剪應(yīng)力值為0.79 MPa～72.66 MPa，剪應(yīng)力τ最大值同比增長(zhǎng)130.8%，位置轉(zhuǎn)移至輔助橫通道與正洞交叉口兩側(cè)拱腰位置，沿橫通道軸線對(duì)稱分布，交叉段拱頂區(qū)域剪應(yīng)力值相對(duì)開挖前減小。

3.3 交叉口拱頂各特征點(diǎn)應(yīng)力

交叉部位拱頂最大主應(yīng)力變化情況如圖10所示，均為拉應(yīng)力。其中斜井與正洞交叉拱頂拉應(yīng)力最大為9.98 MPa。輔助通道與正洞交叉拱頂拉應(yīng)力相對(duì)較小。正洞拱頂壓應(yīng)力受開挖的影響較大，當(dāng)輔助通道開挖時(shí)(21步)，正洞拱頂拉應(yīng)力增長(zhǎng)較大，隨著輔助通道的繼續(xù)開挖，各位置拱頂最大主應(yīng)力均有減小趨勢(shì)。至開挖結(jié)束(29步)，最大主應(yīng)力大小順序?yàn)樾本c正洞交叉拱頂>正洞拱頂>輔助通道與正洞交叉拱頂，存在偏壓現(xiàn)象，且應(yīng)注意對(duì)斜井與正洞交叉拱頂?shù)谋O(jiān)控量測(cè)，防止初期支護(hù)開裂，必要時(shí)采取加固處理。

圖10 交叉部位拱頂支護(hù)應(yīng)力變化曲線

4 監(jiān)控量測(cè)結(jié)果

結(jié)合工程實(shí)際施工情況，以隧道監(jiān)控量測(cè)專項(xiàng)實(shí)施細(xì)則為依托，對(duì)“十”字交叉段正洞拱頂、輔助通道與正洞交叉段拱頂以及排風(fēng)斜井與正洞交叉段拱頂三個(gè)位置(即1、2、3號(hào)特點(diǎn)對(duì)應(yīng)位置)的沉降情況進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，并與數(shù)值模擬的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。實(shí)測(cè)1、2、3號(hào)點(diǎn)位的最終沉降量為-32.0 mm、-31.2 mm、-33.2 mm，數(shù)值模擬各點(diǎn)最終沉降量為-25.9 mm、-24.8 mm、-26.6 mm。由于未考慮水的滲流、巖體節(jié)理裂隙及爆破振動(dòng)的影響，所以導(dǎo)致實(shí)測(cè)值大于理論值。但從趨勢(shì)來(lái)看累計(jì)沉降值關(guān)系為3號(hào)特征點(diǎn)>1號(hào)特征點(diǎn)>2號(hào)特征點(diǎn)，這與數(shù)值模擬沉降趨勢(shì)基本一致，所以數(shù)值模擬的結(jié)果具有代表意義。從圖11(b)沉降速率中可以看出交叉段初步開挖完成前，受開挖影響較大是3號(hào)特征點(diǎn)單日沉降速率最高達(dá)4 mm/d，受開挖影響震蕩明顯。輔助橫通道開挖后，由于應(yīng)力場(chǎng)的二次重分布，2號(hào)特征點(diǎn)產(chǎn)生了明顯沉降，沉降速率是三點(diǎn)中最高為3.2 mm/d。實(shí)測(cè)結(jié)果顯示拱頂最大沉降量值為-33.2 mm，根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》，未超過(guò)預(yù)留變形量的2/3，設(shè)計(jì)施工方案是安全可行的。

5 結(jié) 論

根據(jù)深埋隧道十字交叉口開挖數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：

(1) 主洞開挖對(duì)交叉口的影響距離為(1.8～2.2)D1(D1為主隧道洞跨)，輔助橫通道的開挖對(duì)交叉口的影響距離為(1.5～2.0)D2洞徑(D2為輔助通道洞跨)， 最終沉降值交叉段斜井拱頂>正洞拱頂>交叉段輔助橫通道拱頂，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)交叉段斜井的監(jiān)控量測(cè)頻率。

圖11 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)各特征點(diǎn)沉降數(shù)據(jù)

(2) 交叉口初次開挖，交叉段斜井拱頂與對(duì)應(yīng)底板產(chǎn)生反方向位移，頂部產(chǎn)生正洞軸線(臨空面)方向的變形。底部背離正洞軸線外擴(kuò)。交叉口底板兩端位移方向相反，底板有開裂可能。隨著橫通道的開挖，交叉段各部位產(chǎn)生沿X軸正向的水平位移。

(3) 輔助橫通道的開挖使σ3最小值增長(zhǎng)90.7%，最大剪應(yīng)力τ值增長(zhǎng)130.8%，位置均由斜井交叉口轉(zhuǎn)至輔助橫通道交叉口兩側(cè)拱腰位置。

(4) 交叉段初期支護(hù)應(yīng)力存在偏壓現(xiàn)象，交叉段斜井拱頂>正洞拱頂>交叉段輔助橫通道拱頂。