隧道地下风机房交叉结构施工过程稳定性研究

梁桥欣，郑明辉，张志强，何本国

(1.中铁交通投资集团，广西南宁530000;2.西南交通大学，四川成都610031)

隧道地下风机房交叉结构施工过程稳定性研究

梁桥欣1，郑明辉1，张志强2，何本国2

(1.中铁交通投资集团，广西南宁530000;2.西南交通大学，四川成都610031)

针对风机房地下洞群结构的复杂性，选取包含风机房主体洞室的结构单元，建立三维数值模型，采用有限元法，研究地下风机房施工过程中的围岩位移、初支结构与围岩间的相互作用力以及支护结构的受力情况。结果表明:风机房采用全断面施工时，能较早使支护结构闭合，减小围岩的变形，但相对于台阶法施工，围岩的应力释放少，支护结构与围岩间的接触应力、支护结构的内力都较大;风机房支护结构与围岩间的接触应力呈对称分布，拱顶至拱脚接触应力逐渐增大;拱脚至墙脚中部接触应力逐渐减小;墙脚中部至墙脚底部接触应力逐渐增大。

隧道 地下风机房 交叉结构 施工力学 稳定性

特长铁路、公路隧道地下风机房一般与送风道、排风道、检修通道、逃生通道等许多洞室相连。施工过程、工序较为复杂，围岩受到多次扰动，各洞室在开挖过程中相互影响，开挖难度大，在开挖过程中具有明显的时间及三维空间效应，支护结构与围岩间的接触应力、支护结构的内力分布规律不明确［1-5］，特别是支护结构关键部位的安全性难以保证［6-7］。风机房的受力过程与力学行为直接关系到隧道结构的安全性，如果设计不当，极易引起整体隧道结构的失稳，并且给交通隧道的运营阶段带来潜在的风险［8］。

本文通过有限元分析方法，研究地下风机房施工过程中的围岩位移、初支结构与围岩间的相互作用力以及支护结构的受力情况，为设计、施工提供依据。

1 工程概况

工程项目为已修建完成的云山隧道地下风机房，主要包括联络送风道、联络排风道、地下风机房以及检修通道等。相关参数:风机房跨度9.2 m，高13.0 m，初支为厚10 cm的C25喷射混凝土，二衬为厚35 cm的C30混凝土;送风道跨度D1为5 m，高4.2 m，排风道跨度D2为7.1 m，高6.3 m，送风道与排风道中心线相距39.8 m，初支均为厚18 cm的C25喷射混凝土，二衬均为厚18 cm的C30混凝土。相关的断面尺寸及衬砌如图1、图2所示。

图1 地下风机房

2 三维有限元数值模拟

2.1 三维有限元计算模型的建立

风机房主体部分实际埋深均＞100 m，属于深埋隧道，综合考虑计算精度、计算机的性能，为避免模型的边界效应，模型埋深(Z向)取35 m，地下风机房主洞方向(Y向)取90 m，送、排风道方向(X向)取65 m。本次三维有限元计算模型均采用三维实体单元，围岩材料采用摩尔—库伦本构关系，支护结构采用混凝土本构关系，共131 710单元，126 632节点。三维有限元计算模型、交叉部接触面情况如图3、图4所示。

图2 联络送风道、联络排风道横断面示意(单位:mm)

图3 三维有限元计算模型

图4 交叉部接触面示意

2.2 数值计算参数及工况设置

开挖过程中，支护结构施作均滞后掌子面3 m。围岩、初期支护物理力学指标、工况设置如表1～表3所示。开挖工序为送风道、排风道→风机房。

表1 Ⅲ级围岩物理力学指标

表2 初期支护物理力学指标

表3 计算工况

3 计算结果与分析

3.1 围岩与风机房位移

风机房开挖过程中最重要的就是适时施作支护结构，将围岩的位移控制在规定的范围内，防止由于围岩位移超过规定数值而引起塌方等。风机房主隧道开挖结束后，围岩位移如表4、图5所示，风机房初期支护位移如图6所示。

表4 不同工况下围岩位移统计mm

图5 两种工况下围岩Z向位移云图(单位:m)

由图5和图6可知:

1)风机房采用台阶法施工时，拱顶、仰拱最大相对位移相对全断面施工增加约30%。主是由于全断面施工时支护结构的闭合时间早于台阶法，能较早地支护围岩，控制围岩位移变形。

2)风机房的拱顶沉降量、仰拱隆起量均在送风道、排风道中心线附近出现极值。拱顶沉降量极值距送风道、排风道中心线距离分别为0～0.7D1(图6中送风道中心线距离风机房左端22.5 m处，拱顶沉降量极值出现在距离风机房左端22.5～26.2 m处)、1.0D2～1.3D2(图6中排风道中心线距离风机房左端68.0 m处，拱顶沉降量极值出现在距离风机房左端58.9～61.1 m处)。仰拱隆起量极值距送风道、排风道中心线距离分别为0.6D1～0.8D1(仰拱隆起量极值出现在距离风机房左端25.7～26.6 m处)、0.5D2(仰拱隆起量极值出现在距离风机房左端64.3 m处)。

3.2 围岩与初支的接触应力

围岩与初支结构间的作用力是支护结构受力变形的根本原因，掌握其分布规律及施工过程中的变化情况，能为风机房的设计、施工提供依据。工况1、工况2下风机房初支结构与围岩间的接触应力统计如表5、图7所示(断面1、断面2位置参见图4)。

图6 工况2下风机房初期支护Z向位移变化曲线

表5 风机房洞周接触应力

图7 工况1下风机房洞周接触应力分布

由图7和表5可知:

1)风机房支护结构与围岩间的接触应力呈对称分布，拱顶接触应力最小，拱顶至拱脚接触应力逐渐增大，在拱脚达到最大;拱脚至墙脚中部，接触应力逐渐减小，在墙脚中部达到最小;墙脚中部至墙脚底部，接触应力逐渐增大，在墙脚位置达到最大。

2)台阶法开挖时，送风道支护结构与围岩间的接触应力相对全断面开挖减小约35%。台阶法开始时，支护结构闭合时间较晚，产生的位移较大，应力释放较多，而排风道附近由于受到围岩的约束作用，不同开挖方法对支护结构与围岩间的接触应力影响不大。

3.3 结构内力

支护结构的内力是围岩对其作用力的反映，是评价支护结构是否安全的重要依据，根据以上对位移、接触应力的分析，选取受施工方法影响较大的断面1作为风机房支护结构内力分析断面，如图8、表6所示。

图8 交叉部位风机房初期支护内力(轴力:kN，弯矩:kN·m)

表6 各工况下初期支护结构内力

由图8和表6可知:

1)风机房支护结构全截面受压，墙脚轴力最大，拱顶轴力最小，全断面法开挖情况下的轴力最大值与台阶法相比增大11%。

2)风机房支护结构除拱脚外部受拉外，其余部位均是内部受拉，弯矩最大值出现在拱脚附近。

4 结论

1)风机房采用全断面施工时，能较早使支护结构闭合，减小围岩的变形，但相对于台阶法施工，围岩的应力释放少，支护结构与围岩间的接触应力、支护结构的内力都较大。

2)风机房支护结构与围岩间的接触应力呈对称分布，拱顶至拱脚接触应力逐渐增大;拱脚至墙脚中部接触应力逐渐减小;墙脚中部至墙脚底部接触应力逐渐增大。

3)风机房支护结构全截面受压，墙脚轴力最大，拱顶轴力最小，除拱脚外部受拉外，其余部位均是内部受拉，弯矩最大值出现在拱脚附近。

［1］胡磊，王志杰，何明磊，等.隧道钢纤维混凝土单层衬砌模型试验及数值模拟［J］.铁道建筑，2014(6):72-74.

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Study on stability in construction process for junction structure of ventilator room in tunnel

LIANG Qiaoxin1，ZHENG Minghui1，ZHANG Zhiqiang2，HE Benguo2
(1.China Railway Communications Investment Group Co.，Ltd.，Nanning Guangxi 530000，China; 2.School of Civil Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031，China)

For the structure complexity of wind ventilator room underground tunnel group，the three-dimensional numerical model was created by selecting the structure element of the ventilator room main chamber and using finite element method，and surrounding rock displacement，initial support structure，the interaction force among the surrounding rocks and the inner force of the support structure during the construction process of underground ventilator room were studied.Results showed that the whole section construction of the ventilator room will make the support structure close earlier and reduce the surrounding rock deformation，which leads to the fact that the stress release of surrounding rock is little，the contact stress between the support structure and the surrounding rock，and the internal force of support structure are relatively large with respect to step method construction，ventilator room support structure and contact stress among the surrounding rocks has the symmetric distribution，contact stress gradually increases from the vault to arch springing，gradually decreases from arch springing to middle of foundation，and gradually increases from middle of foundation to bottom of foundation.

T unnel;Ventilator room;Junction structure;Construction mechanics;Stability

U455

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.12.14

1003-1995(2015)12-0050-04

(责任审编葛全红)

2015-01-20;

2015-07-20

国家自然科学基金项目(51478396)

梁桥欣(1987—)，男，助理工程师，工学硕士。