楊加勇 白琚 宋佶林

摘要：針對空間交叉洞室，建立了開挖三維數(shù)值模型，通過模擬其開挖過程，對圍巖的位移、塑性區(qū)變化規(guī)律、支護(hù)結(jié)構(gòu)位移和內(nèi)力進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：（1）施工擾動對圍巖穩(wěn)定性影響的范圍主要集中在1倍洞徑之內(nèi)，超過了1倍洞徑后影響減弱；（2）左右施工通道開挖的過程中，宜向交叉部圍巖施作錨桿。錨桿長度宜取大于1.5倍主通道洞徑，使其穿越塑性區(qū)圍巖，以加強(qiáng)圍巖的穩(wěn)定性；（3）為了保證支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全及耐久性，鋼支撐設(shè)置的間距應(yīng)不大于0.6 m/榀。

關(guān)鍵詞：交叉洞室； 圍巖穩(wěn)定性； 數(shù)值模擬； 圍巖塑性區(qū)； 支護(hù)結(jié)構(gòu)

中圖分類號：U452.2+6文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0引言

相對于單洞隧道，交叉結(jié)構(gòu)隧道施工力學(xué)復(fù)雜、空間效應(yīng)明顯、斷面大小不一，這將引起交叉段的應(yīng)力集中、變形過大的問題，因此有必要建立交叉結(jié)構(gòu)的三維立體模型，研究隧道交叉連接段的動態(tài)施工力學(xué)行為，為實(shí)際工程提供參考。

有諸多學(xué)者對交叉結(jié)構(gòu)展開研究，劉寧等［1］以貴陽某人防擴(kuò)建工程為例，結(jié)合理論推導(dǎo)和數(shù)值模擬，研究了非等斷面交叉洞室的圍巖應(yīng)力變化規(guī)律。趙金帥等［2］對交叉洞室?guī)r體受到開挖擾動后的微震事件破裂機(jī)制進(jìn)行反演和歸納，為地下交叉洞室的開挖、支護(hù)提供了參考。高繼錦等［3］分析了交叉隧道在地面堆載影響下的沉降變形規(guī)律，并通過模型試驗(yàn)和三維有限元分析的結(jié)果驗(yàn)證了該方法的可行性。鄭德湘等［4］采用三維非線性有限元法，研究了軟巖地質(zhì)條件下交叉洞室的開挖順序?qū)鷰r穩(wěn)定性的影響。呂高峰等［5］對北京地鐵14號線蒲黃榆站交叉洞室群的施工力學(xué)行為進(jìn)行分析研究，驗(yàn)證了該施工方法的可行性。吳家冠等［6］研究了交叉洞室開挖及支護(hù)過程中圍巖應(yīng)力的分布規(guī)律。劉志強(qiáng)等［7］研究了空間交叉隧道開挖卸荷后的整體位移趨勢，提出了現(xiàn)有隧道拱頂加固措施并驗(yàn)證了其可行性。陳二平［8］針對交叉洞室襯砌在施工過程中易發(fā)生坍塌的問題，提除了新的施工方法，有效控制了圍巖的擾動。趙俞成等［9］基于砂土亞塑性本構(gòu)模型，研究了施工順序?qū)徊嫠淼赖挠绊懸约凹扔兴淼栏浇馏w的應(yīng)力傳遞機(jī)理。

綜上，現(xiàn)有研究多集中在連接性交叉結(jié)構(gòu)，鮮有斷面擴(kuò)挖形成的空間交叉洞室的相關(guān)研究。本文基于FLAC3D，建立了空間交叉洞室的三維數(shù)值模型，通過模擬其開挖過程，研究了圍巖的位移、塑性區(qū)變化規(guī)律、支護(hù)結(jié)構(gòu)位移和內(nèi)力，同時通過鋼拱架等效得到初支安全系數(shù)，為地下空間交叉隧道工程提供了參考。

1工程概況

本文以某工程的地下交叉洞室結(jié)構(gòu)為依托。該工程穿越地層圍巖等級為V級，以中風(fēng)化泥巖和強(qiáng)風(fēng)化泥巖為主。其中，強(qiáng)風(fēng)化泥巖主要呈現(xiàn)紫紅—暗紅色，薄層狀構(gòu)造，風(fēng)化裂隙發(fā)育。中風(fēng)化泥巖主要為薄—中厚層狀構(gòu)造，局部裂隙發(fā)育，局部含一定砂泥質(zhì)及鈣質(zhì)膠結(jié)，其中部分變相為砂質(zhì)泥巖。巖體結(jié)構(gòu)較完整—較破碎，構(gòu)造層理清晰。

在該洞室結(jié)構(gòu)施工時，由于主通道與洞室斷面尺寸相差較大，故選擇在主通道的左、右兩側(cè)開挖臨時施工通道，其斷面位置分布如圖1所示。由于左側(cè)施工通道向右上方開挖，右側(cè)施工通道向左上方開挖，因此主通道與左、右兩側(cè)臨時施工通道會形成一個空間的交叉洞室結(jié)構(gòu)。

2數(shù)值模型

施工通道在主通道上方左、右兩側(cè)共兩條，斷面大小一致，通道均采用全斷面開挖模擬的方法?？紤]最不利的情況，建立該空間交叉洞室的三維數(shù)值模型。材料參數(shù)根據(jù)實(shí)測值進(jìn)行選取。其中，地層參數(shù)為V級圍巖，其參數(shù)如表1所示。

1.00.30270.20.320初期支護(hù)選用24 cm厚的C25噴射混凝土，彈性模量為28 GPa，泊松比0.2，容重22 kN/m3。鋼支撐采用Q345-B，鋼架類型為I18。計(jì)算時圍巖、初期支護(hù)均采用FLAC 3D中六面體實(shí)體單元進(jìn)行模擬。計(jì)算模型邊界條件設(shè)置為：沿隧道軸線方向自起點(diǎn)和終點(diǎn)至模型兩邊取20 m，空間交叉洞室段埋深80 m，四周施加水平方向的位移約束，底部邊界施加垂直方向的位移約束，頂部為自由表面，不進(jìn)行約束。根據(jù)隧道尺寸及邊界條件建立計(jì)算模型并確定位移監(jiān)測點(diǎn)見圖2、圖3。

3計(jì)算結(jié)果分析

3.1圍巖位移變化和塑性區(qū)分布

考慮數(shù)值模擬過程中模型存在邊界效應(yīng)影響，本文選取通道入口沿開挖方向4 m處為控制斷面，控制斷面的位移及塑性區(qū)響應(yīng)判斷交叉洞室在不同工作步下的開挖影響。提取主通道和兩個施工通道的圍巖位移變形云圖（圖4）。

為模擬隧道開挖后的應(yīng)力釋放過程，每開挖1 m進(jìn)行一次平衡計(jì)算，在每次計(jì)算結(jié)束后提取各監(jiān)測點(diǎn)的位移，得到主通道拱頂和左、右側(cè)圍巖的沉降曲線見圖5，主通道頂部不同洞徑范圍的位移曲線見圖6。

從圖5可以看出，主通道附近的圍巖在三次開挖擾動的過程中沉降逐漸變大，由于左側(cè)通道早于右側(cè)開挖，因此右側(cè)施工通道開挖時，主通道左側(cè)圍巖的沉降值明顯大于右側(cè)。根據(jù)曲線可看出在該施工過程中存在兩個關(guān)鍵步：

（1）左側(cè)施工通道開挖至6 m后，主通道左側(cè)附近圍巖沉降突然增加。主要原因是隨著開挖的進(jìn)行，洞室臨空面的面積逐漸增加，削弱了圍巖自穩(wěn)的能力。

（2）右側(cè)施工通道開挖至6 m后，主通道拱頂附近圍巖沉降突然增加。主要原因是主通道拱頂附近圍巖受到了兩次洞室開挖對其造成的擾動影響，兩次擾動影響相互疊加，減弱了圍巖的穩(wěn)定性，且這種疊加的影響遠(yuǎn)大于開挖過程中臨空面增加對圍巖自穩(wěn)能力削弱的影響。

上述兩個關(guān)鍵步建議在局部加強(qiáng)對通道附近圍巖的支護(hù)措施，達(dá)到增加圍巖穩(wěn)定性和圍巖自身承載能力的效果。

從圖6可以看出，在左、右兩側(cè)施工通道和主通道的反復(fù)擾動下，1倍主通道洞徑范圍內(nèi)的圍巖沉降較大。大于1倍洞徑后，圍巖的沉降基本沒有太大的變化。因此在施工的過程中，需要對1倍洞徑范圍內(nèi)的圍巖進(jìn)行加固，增加圍巖的穩(wěn)定性，確保圍巖在反復(fù)施工擾動下不會發(fā)生失穩(wěn)的現(xiàn)象。為綜合評價(jià)圍巖穩(wěn)定性，提取圍巖塑性區(qū)分布見圖7。為量化研究塑性區(qū)結(jié)果，通過編寫遍歷循環(huán)代碼，提取模型塑性區(qū)體積見圖8。

從圖7、圖8看出，左、右施工通道開挖后，圍巖出現(xiàn)較大的塑性區(qū)，且塑性區(qū)主要集中在通道交叉部的圍巖，此時通道交叉部附近的圍巖此時已經(jīng)進(jìn)入了屈服狀態(tài)。出于對主通道永久結(jié)構(gòu)保護(hù)的考慮，建議在左、右施工通道開挖的過程中向交叉部圍巖施作錨桿以加強(qiáng)圍巖的穩(wěn)定性，錨桿長度建議大于1.5倍主通道洞徑，使其穿越塑性區(qū)圍巖。

3.2支護(hù)結(jié)構(gòu)位移和內(nèi)力分析

3.2.1位移分析

提取通道入口沿開挖方向4 m處控制斷面的位移數(shù)據(jù)，繪制主通道支護(hù)結(jié)構(gòu)位移曲線如圖9所示。

由圖9可知，支護(hù)結(jié)構(gòu)的豎向位移近18 mm，說明在左、右施工通道擾動后，主通道附近圍巖變形較大、穩(wěn)定性較差，導(dǎo)致主通道的支護(hù)結(jié)構(gòu)所受應(yīng)力較大，易產(chǎn)生較大位移，因此在主通道施工過程中需對圍巖加固，增加安全性。

3.2.2內(nèi)力分析

支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力及安全評價(jià)是衡量施工效果的手段，由于模型中的三維實(shí)體單元無法輕易得到內(nèi)力，故需對支護(hù)結(jié)構(gòu)單元的節(jié)點(diǎn)力積分，可得其軸力和彎矩分布見圖10。

由圖10可知，支護(hù)結(jié)構(gòu)的直墻部分內(nèi)側(cè)受拉，拱部外側(cè)受拉，是由于結(jié)構(gòu)埋深較大，水平力大于豎向力，墻和拱部的交界處為內(nèi)力反彎點(diǎn)，此處安全系數(shù)也較低，且支護(hù)結(jié)構(gòu)拱部鋼支撐的應(yīng)力值較大，這兩處位置是支護(hù)結(jié)構(gòu)的危險(xiǎn)部位，在施工中需要注意加強(qiáng)該處支護(hù)的剛度或加固周圍圍巖以保證支護(hù)安全性，并且在澆筑二次襯砌時需要對受力縱筋的配筋方式進(jìn)行調(diào)整。此外，由于初期支護(hù)多由鋼拱架承受圍巖壓力，在此考慮最不利工況，即鋼架承受所有荷載，基于此對鋼架安全性進(jìn)行評價(jià)并對鋼架間距進(jìn)行優(yōu)化見表2。

根據(jù)表2，當(dāng)鋼支撐間距設(shè)置為0.8 m時，鋼支撐安全系數(shù)不足2.4，在拱部甚至只為1.70；當(dāng)間距為0.6 m時，安全系數(shù)為2.27～2.72，已基本滿足安全要求，預(yù)留安全空間較多；當(dāng)間距為0.5 m時，支護(hù)安全系數(shù)最大可達(dá)3.36。

綜上所述，可以將鋼支撐間距的設(shè)計(jì)值設(shè)置為0.6 m，但出于對初期支護(hù)耐久性的考慮，建議將鋼支撐間距的設(shè)計(jì)值設(shè)置為0.5 m。同時結(jié)合新奧法理論，需要在主通道開挖的過程中加強(qiáng)對周圍巖體的加固措施，提高洞周圍巖的剛度使其承擔(dān)更多的荷載，能減少支護(hù)承擔(dān)的荷載，保證施工安全。

4結(jié)論

本文利用FLAC3D有限差分軟件對某施工通道開挖的過程進(jìn)行數(shù)值模擬，從圍巖位移和塑性區(qū)的變化以及主通道支護(hù)結(jié)構(gòu)受力情況進(jìn)行分析后得出結(jié)論：

（1）臨時施工通道與主通道間的圍巖在施工期間經(jīng)歷了三次擾動，反復(fù)施工擾動對圍巖穩(wěn)定性影響的范圍主要在1倍洞徑之內(nèi)，超過1倍洞徑后影響減弱，且開挖中存在兩個兩個關(guān)鍵步，需在這兩個關(guān)鍵步施工位置進(jìn)行圍巖加強(qiáng)。

（2）隨左、右兩側(cè)臨時施工通道開挖的進(jìn)行，交叉部附近的圍巖塑性區(qū)會逐漸增大。建議在左右施工通道開挖的過程中向交叉部圍巖施作錨桿以加強(qiáng)圍巖的穩(wěn)定性，錨桿長度建議大于1.5倍主通道洞徑，使其穿越塑性區(qū)圍巖。

（3）出于安全性及耐久性的考慮，主通道初期支護(hù)中的鋼支撐間距設(shè)置應(yīng)不小于0.6 m/榀，同時在二次襯砌澆筑過程中需調(diào)整受力縱筋的布設(shè)位置。

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［作者簡介］楊加勇（1982—），男，本科，高級工程師，主要從事地下空間與隧道工程施工工作。