隧道復(fù)雜交叉結(jié)構(gòu)圍巖穩(wěn)定性及結(jié)構(gòu)安全性分析

管連永， 劉復(fù)洪， 吳青松, 張秋實(shí)

(1. 四川路航建設(shè)工程有限責(zé)任公司，四川成都 610081； 2. 西華大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院，四川成都 610039)

公路隧道為了滿足修建、運(yùn)營(yíng)和防災(zāi)救援等功能的需求，通常會(huì)設(shè)置橫通道(人行和車行)、斜井、豎井和地下風(fēng)機(jī)房等地下結(jié)構(gòu)，此類地下結(jié)構(gòu)均與隧道主洞以不同角度相交，形成復(fù)雜的空間交叉結(jié)構(gòu)[1-2]。在隧道施工迫近或施工至隧道交叉結(jié)構(gòu)段時(shí)，開挖引起圍巖的動(dòng)態(tài)變化以及對(duì)交叉段支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布變化的影響極為復(fù)雜，空間效應(yīng)十分顯著，與交叉部周圍的圍巖特性、開挖順序以及開挖施工方法等因素密切相關(guān)，隧道工程地下復(fù)雜交叉結(jié)構(gòu)的施工問(wèn)題，一直以來(lái)是困擾隧道施工、影響施工安全的重要難題[3-4]。

針對(duì)隧道工程復(fù)雜交叉結(jié)構(gòu)圍巖穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)安全問(wèn)題，研究和技術(shù)人員已經(jīng)開展了一系列研究。王緒等[5]針對(duì)小凈距隧道橫通道施工過(guò)程，采用數(shù)值模擬方法對(duì)比分析了橫通道段和正常段施工過(guò)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。許東[6]依托于棋盤關(guān)隧道斜井工程，基于圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)狀態(tài)，提出了合理設(shè)計(jì)參數(shù)，包括初期支護(hù)和二襯的厚度。張志強(qiáng)等[7]基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和數(shù)值計(jì)算等手段，意圖與主隧道與車行橫通道空間交叉結(jié)構(gòu)，研究了交叉結(jié)構(gòu)施工力學(xué)行為，明確了交叉角度對(duì)結(jié)構(gòu)受力狀況的影響。李光京等[8]結(jié)合廈門翔安隧道與橫通道交叉結(jié)構(gòu)工程實(shí)際，通過(guò)數(shù)值模擬研究得到交叉結(jié)構(gòu)變形、圍巖應(yīng)力及支護(hù)受力特征。王龍[9]以石家莊地鐵1號(hào)線盾構(gòu)隧道與聯(lián)絡(luò)通道交叉段為工程依托，通過(guò)理論分析和數(shù)值模擬研究，分析了交叉結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，提出了圍巖的加固方法。上述研究成果雖然明確了交叉段的圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力特征，但是仍存在不足，隧道復(fù)雜交叉段圍巖的擾動(dòng)范圍直接取決于開挖方法，因此，選擇合理的開挖方法是確保隧道交叉結(jié)構(gòu)施工安全的重要環(huán)節(jié)。

本文依托峨眉至漢源高速公路豹貍崗隧道主隧道與車行橫洞交叉結(jié)構(gòu)，對(duì)不同開挖方法條件下隧道復(fù)雜交叉結(jié)構(gòu)圍巖穩(wěn)定性及結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行研究，以掌握隧道交叉結(jié)構(gòu)的圍巖穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)安全性，保障隧道交叉結(jié)構(gòu)段安全施工。

1 模型建立與分析

1.1 數(shù)值模型及施工模擬

結(jié)合豹貍崗隧道主隧道與車行橫洞交叉段實(shí)際情況，建立三維有限元計(jì)算模型。考慮模型的邊界效應(yīng)，模型在豹貍崗隧道主隧道橫斷面方向(X向)取60 m，主隧道縱向(Z向)取60 m，隧道垂直方向(Y向)取90 m。模型左右邊界約束為水平位移，下邊界約束豎直位移，上邊界為隧道以上50 m，根據(jù)實(shí)際埋深換算上覆土荷載，在上部邊界施加應(yīng)力邊界條件。整個(gè)模型共計(jì)122 304個(gè)單元，129 709個(gè)節(jié)點(diǎn)。模型基本網(wǎng)格如圖1所示。

圖1 主隧道與車行橫洞交叉段模型

主隧道的施工方法分別采用臺(tái)階法、預(yù)留核心土法及CRD法，車行橫洞采用全斷面開挖，為了兼顧計(jì)算效率和計(jì)算精確性，主洞循環(huán)開挖進(jìn)尺定為2.5 m，車行橫洞循環(huán)進(jìn)尺定位4 m，開挖后及時(shí)施做初期支護(hù)。當(dāng)開挖至主隧道與車行橫洞交叉部位時(shí)，同時(shí)開挖車行橫洞及主隧道，其中CRD法在隧道全部開挖完畢后，進(jìn)行逐步拆除臨時(shí)中隔墻，每次拆撐長(zhǎng)度不超過(guò)15 m。臺(tái)階法、預(yù)留核心土法及CRD法施工過(guò)程模型圖，如圖2所示。

圖2 各工法施工過(guò)程模型

1.2 工況設(shè)置及計(jì)算參數(shù)

計(jì)算模型中，采用V級(jí)圍巖，加固段長(zhǎng)度為5 m，計(jì)算工況設(shè)置如表1所示。

表1 車行橫洞與主隧道交叉模型計(jì)算工況

圍巖服從Drucker-Prager屈服準(zhǔn)則，考慮其塑性變形，初期支護(hù)材料采用彈性材料參數(shù)，忽略其塑性變形，計(jì)算中將二次襯砌視為安全儲(chǔ)備，不考慮其支護(hù)效應(yīng)。具體的圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表2 圍巖及支護(hù)物理力學(xué)參數(shù)

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 圍巖沉降位移分析

各工況圍巖位移沉降云圖如圖3所示。

圖3 各工況圍巖沉降位移

由圖3可知，隧道三維交叉結(jié)構(gòu)的沉降位移具有以下規(guī)律：

沉降最大值均發(fā)生在主隧道與車行橫洞交叉部的拱頂處，同時(shí)由于側(cè)向車行橫洞的開挖，洞周圍巖變形并不對(duì)稱，最大的變形出現(xiàn)在偏向車行橫洞一側(cè)，說(shuō)明車行橫洞開挖對(duì)洞周圍巖形成二次擾動(dòng)，圍巖變形出現(xiàn)不對(duì)稱偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象；

采用不同施工方法開挖對(duì)圍巖的擾動(dòng)程度不同，采用CRD法由于采用了中隔墻等臨時(shí)加固措施對(duì)圍巖擾動(dòng)最小，預(yù)留核心土法影響次之，臺(tái)階法影響最大，同時(shí)圍巖條件越好，不同施工方法對(duì)圍巖擾動(dòng)程度差異越小，因此根據(jù)計(jì)算結(jié)果，當(dāng)圍巖條件較好時(shí)建議采用施工靈活方便的臺(tái)階法，當(dāng)圍巖條件較差且對(duì)圍巖變形有較高控制標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，建議采用對(duì)圍巖擾動(dòng)較小的CRD法。

2.2 圍巖塑性區(qū)范圍

各工況圍巖塑性區(qū)云圖如圖4所示。

圖4 各工況巖塑性區(qū)云圖

根據(jù)圖4，沿主隧道軸向及車行橫洞軸線方向均出現(xiàn)不同程度的圍巖塑性區(qū)，塑性區(qū)主要分布在主隧道拱腰區(qū)域，塑性區(qū)最大值區(qū)域同樣出現(xiàn)在主隧道與車行橫通道交叉部位。

2.3 襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

各工況襯砌結(jié)構(gòu)第一主應(yīng)力云圖，如圖5所示。

圖5 各工況襯砌第一主應(yīng)力云圖

根據(jù)圖5可知，各工況襯砌結(jié)構(gòu)第一主應(yīng)力分布基本相似，具有以下特征：

采用不同施工方法開挖時(shí)，隧道襯砌結(jié)構(gòu)第一主應(yīng)力值有較大差異，從數(shù)值上看，CRD法>預(yù)留核心土法>臺(tái)階法，這是因?yàn)榕_(tái)階法在施工過(guò)程中對(duì)圍巖擾動(dòng)較大，釋放了部分應(yīng)力，因此直接作用于襯砌結(jié)構(gòu)上的圍巖荷載相對(duì)較小。交叉部位襯砌結(jié)構(gòu)第一主應(yīng)力超過(guò)混凝土極限拉應(yīng)力，這是由于計(jì)算模型對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)采用彈性模型未考慮混凝土結(jié)構(gòu)的損失破壞，該處第一主應(yīng)力值超過(guò)抗拉極限強(qiáng)度，因此洞周襯砌會(huì)出現(xiàn)開裂情況，建議在交叉部位合理加大襯砌結(jié)構(gòu)配筋率，保障結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定。

2.4 襯砌結(jié)構(gòu)變形分析

提取主隧道與車行橫洞交叉部位主隧道襯砌拱頂、橫洞側(cè)拱腰(橫洞拱頂上方)、橫洞相對(duì)側(cè)拱腰變形量在整個(gè)開挖過(guò)程中的變化規(guī)律，通過(guò)分析主隧道襯砌關(guān)鍵部位變形量的時(shí)程變化規(guī)律，得到空間交叉部位受多次擾動(dòng)下的力學(xué)行為(圖6)。

圖6 各工況襯砌結(jié)構(gòu)變形

根據(jù)圖6可知，襯砌結(jié)構(gòu)拱頂變形量較大，兩側(cè)拱墻洞內(nèi)收斂變形較小；對(duì)拱頂而言，當(dāng)開挖至交叉部位時(shí)，變形量陡增，增幅達(dá)到174 %～261 %，當(dāng)掌子面距離交叉部位約20 m后，變形量逐漸趨于穩(wěn)定，由于采用車行橫通道與主隧道同時(shí)開挖，因此引起交叉斷面處拱頂變形的影響區(qū)域較大；兩側(cè)拱墻洞內(nèi)收斂變形也在掌子面到達(dá)交叉部位發(fā)生劇烈變化，而后掌子面遠(yuǎn)離交叉部位5 m，后變形趨于穩(wěn)定，而車行橫洞一側(cè)拱墻變形明顯大于相對(duì)側(cè)，這是由于橫通道開挖引起二次擾動(dòng)，進(jìn)一步造成該側(cè)已有襯砌結(jié)構(gòu)向洞內(nèi)收斂變形。

2.5 襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力及安全性分析

提取交叉部位中心處斷面的軸力及彎矩，如圖7和圖8所示。

圖7 交叉部位中心處斷面的軸力(單位：kN)

圖8 交叉部位中心處斷面彎矩(單位：kN·m)

根據(jù)圖7和圖8可知，由于車行橫洞的開挖，在交叉部位中心處斷面存在明顯偏壓現(xiàn)象。支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力會(huì)因橫洞的開挖發(fā)生轉(zhuǎn)移，主隧道靠近橫洞一側(cè)的支護(hù)軸力值減小，相對(duì)側(cè)的支護(hù)軸力增大。由于主隧道交叉口處的支護(hù)結(jié)構(gòu)在橫洞一側(cè)被截?cái)?，所以支護(hù)結(jié)構(gòu)無(wú)法再起到“拱”類似作用，取而代之的是“板殼”作用。因此，橫洞開挖對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力情況產(chǎn)生了較為明顯的影響，使其內(nèi)力形成了一種較復(fù)雜的分布情況，在交叉口處產(chǎn)生了應(yīng)力集中效應(yīng)。因此應(yīng)加強(qiáng)交叉口處及其附近的支護(hù)強(qiáng)度，在橫洞進(jìn)洞前應(yīng)對(duì)洞口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(jìn)洞安全。

根據(jù)現(xiàn)行JTGD 70-2004《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》驗(yàn)算計(jì)算斷面處各截面安全系數(shù)，如表3所示。

由表3可知，各開挖方法的各個(gè)截面均滿足規(guī)范要求，而最不利斷面出現(xiàn)在橫向車行道對(duì)側(cè)拱腳處，從安全性角度使用預(yù)留核心土法開挖最為有利，當(dāng)采用臺(tái)階法及CRD法時(shí)，需要注意對(duì)橫向車行道對(duì)側(cè)拱腳的加固，防止結(jié)構(gòu)破壞。

4 結(jié)論

采用ANSYS軟件，針對(duì)峨眉至漢源高速公路豹貍崗隧道車行橫洞與主隧道結(jié)構(gòu)形成的三維空間交叉結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算分析，得出以下結(jié)論：

(1)在圍巖沉降方面，由于CRD法采用了中隔墻等臨時(shí)加固措施對(duì)圍巖擾動(dòng)最小，預(yù)留核心土法影響次之，臺(tái)階法影響最大。

表3 各工況主要截面安全系數(shù)

(2)在圍巖塑性區(qū)方面，CRD法形成的塑性區(qū)最小。三種施工方法造成的圍巖塑性區(qū)主要分布在主隧道拱腰區(qū)域，塑性區(qū)最大值區(qū)域同樣出現(xiàn)在主隧道與車行橫通道交叉部位。

(3)隧道襯砌結(jié)構(gòu)第一主應(yīng)力值有較大差異，CRD法>預(yù)留核心土法>臺(tái)階法，臺(tái)階法在施工過(guò)程中圍巖擾動(dòng)較大，釋放了部分應(yīng)力，直接作用于襯砌結(jié)構(gòu)上的荷載相對(duì)較小。

(4)在襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力方面，三種施工方法都存在明顯偏壓現(xiàn)象，橫洞一經(jīng)開挖，主隧道靠近橫洞一側(cè)的支護(hù)軸力值減小，橫洞對(duì)側(cè)的支護(hù)軸力增大，支護(hù)受力發(fā)生轉(zhuǎn)移。

(5)在V級(jí)圍巖條件下施工時(shí)，對(duì)圍巖變形有較高控制標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，建議采用對(duì)圍巖擾動(dòng)較小的CRD法，同時(shí)建議采用帶仰供的橫洞形式。