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)營和防災(zāi)救援等功能的需求，通常會設(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，開挖引起圍巖的動態(tài)變化以及對交叉段支護(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)的施工問題，一直以來是困擾隧道施工、影響施工安全的重要難題[3-4]。

針對隧道工程復(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]針對小凈距隧道橫通道施工過程，采用數(shù)值模擬方法對比分析了橫通道段和正常段施工過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)場實(shí)測和數(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號線盾構(gòu)隧道與聯(lián)絡(luò)通道交叉段為工程依托，通過理論分析和數(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。整個模型共計(jì)122 304個單元，129 709個節(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，同時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)行逐步拆除臨時中隔墻，每次拆撐長度不超過15 m。臺階法、預(yù)留核心土法及CRD法施工過程模型圖，如圖2所示。

圖2 各工法施工過程模型

1.2 工況設(shè)置及計(jì)算參數(shù)

計(jì)算模型中，采用V級圍巖，加固段長度為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，同時由于側(cè)向車行橫洞的開挖，洞周圍巖變形并不對稱，最大的變形出現(xiàn)在偏向車行橫洞一側(cè)，說明車行橫洞開挖對洞周圍巖形成二次擾動，圍巖變形出現(xiàn)不對稱偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象；

采用不同施工方法開挖對圍巖的擾動程度不同，采用CRD法由于采用了中隔墻等臨時加固措施對圍巖擾動最小，預(yù)留核心土法影響次之，臺階法影響最大，同時圍巖條件越好，不同施工方法對圍巖擾動程度差異越小，因此根據(jù)計(jì)算結(jié)果，當(dāng)圍巖條件較好時建議采用施工靈活方便的臺階法，當(dāng)圍巖條件較差且對圍巖變形有較高控制標(biāo)準(zhǔn)時，建議采用對圍巖擾動較小的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，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>臺階法，這是因?yàn)榕_階法在施工過程中對圍巖擾動較大，釋放了部分應(yīng)力，因此直接作用于襯砌結(jié)構(gòu)上的圍巖荷載相對較小。交叉部位襯砌結(jié)構(gòu)第一主應(yīng)力超過混凝土極限拉應(yīng)力，這是由于計(jì)算模型對襯砌結(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)力值超過抗拉極限強(qiáng)度，因此洞周襯砌會出現(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)、橫洞相對側(cè)拱腰變形量在整個開挖過程中的變化規(guī)律，通過分析主隧道襯砌關(guān)鍵部位變形量的時程變化規(guī)律，得到空間交叉部位受多次擾動下的力學(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?。粚绊敹?，當(dāng)開挖至交叉部位時，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側(cè)，這是由于橫通道開挖引起二次擾動，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)啵灾ёo(hù)結(jié)構(gòu)無法再起到“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)采用臺階法及CRD法時，需要注意對橫向車行道對側(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加固措施對圍巖擾動最小，預(yù)留核心土法影響次之，臺階法影響最大。

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>臺階法，臺階法在施工過程中圍巖擾動較大，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級圍巖條件下施工時，對圍巖變形有較高控制標(biāo)準(zhǔn)時，建議采用對圍巖擾動較小的CRD法，同時建議采用帶仰供的橫洞形式。