软岩连接隧道及空间正交结构施工过程分析

周亮

摘 要： 随着隧道建设的规模日益扩大，隧道建设向长距离、大断面发展，而竖井或斜井可以在长大公路隧道的施工阶段增加工作面，加快施工进度，还可以在施工期间和运营期间作为通风、逃生通道。但是在软岩地区修筑竖井的同时还需要修建连接隧道，使得隧道结构出现极大的空间和受力的不对称，竖井与主隧道之间的连接隧道则成为整个结构体系中最薄弱的部位。本文结合一具体的软岩隧道进行研究，利用有限元软件，模拟分析两两正交的竖井、连接隧道与主隧道在施工过程中的相互作用，研究施工过程中围岩的稳定性，以及相互影响。

关键词：正交隧道 软岩隧道 竖井 数值分析 稳定性

Abstract：With the increasing scale of tunnel construction， tunnel construction is developing towards long distance and large section， while inclined shaft can increase working face in the construction stage of long highway tunnel， speed up the construction progress， and also serve as ventilation and escape passage during construction and operation. However， in soft rock area， it is necessary to build a connecting tunnel at the same time， so that the structure of the tunnel presents great space and stress asymmetry. The connecting tunnel between the shaft and the main tunnel becomes the weakest part in the whole structure system. In this paper， a concrete soft rock tunnel is studied， and finite element software is used to simulate and analyze the interaction between two orthogonal vertical shafts， connecting tunnels and main tunnels in the construction process， study the stability of surrounding rocks during the construction process， and propose the key positions for monitoring and support.

Keywords：shaft； soft rock tunnel； lateral stress coefficient； displacement； stability

0 引言

隨着我国经济的高速发展，近年来，我国修建了一大批举世瞩目的隧道和地下工程，中国已经成为世界上隧道最多、地质情况最复杂国家，在各种类型的隧道工程的修建过程中，出现大量新的结构形式、新的施工方法、新技术、新工艺，攻克许多以前很少甚至从未涉及过的难题，通过这些年的发展，我国由隧道大国迈向隧道强国。

国内外学位对连接隧道的稳定性进行大量的研究，李庶林、毛建华等基于分形理论和岩体完整性系数，利用声发射所监测到的竖井围岩声发射事件率和声传播速度对竖井围岩的稳定进行评价；高成雷， 朱永全以空间有限元作为分析手段， 用实体单元对围岩进行模拟，对广州地铁番禺折返线施工竖井建模分析，研究围岩体在侧向土压力作用下的应力及位移变化规律；胡伟基于Coulomb提出的土压力理论和原方计算法，以三维微扇形单元体进行受力分析，根据静力平衡推导出竖井的侧向压力的计算公式，并利用数值分析，确定影响竖井侧压力的因素。

在软岩地层中开挖竖井、连接隧道，如何减少对初始状态的扰动，控制围岩变形，从而使围岩处于相对安全状态，涉及到开挖方式的选择，开挖面的空间效应的利用，支护类型的选取，支护参数和支护时机的确定等许多方面。

由于岩土受构造运动影响，保留着构造形迹和构造应力，呈现出非均质、各向异性等特点；而另一方面，竖井、连接隧道开挖过程中，岩体稳定性随时间、空间呈现动态变化的趋势。

因此对竖井、连接隧道开挖过程中围岩稳定性进行模拟分析，可以对下一步施工对象的安全性进行预测并且指导施工。本文针对以具体的案例利用有限元软件（Midas）来模拟主隧道、连接隧道与竖井施工过程中围岩的稳定性及相互影响，提出监测和支护的重点部位，为安全、高效推进工程建设提供技术支持并且为今后国内类似隧道工程设计和施工提供参考。

1 工程概况

西部某山岭隧道，设计速度80km/h、主隧道净宽10.25m、净高5.0m，隧道内横向采用单面坡，坡率1.5%，上下行分离的两车道分离式道路，隧道呈近东西向展布。隧道穿越的山体最高海拔高程约为486.5m，左线隧道全长2969m，右线全长约2984m。竖井为圆柱形，半径为5m，高度为34.8m，连接隧道净宽6.6m，净高6.8m。隧道采用矿山法施工，主隧道与连接隧道设计锚杆长4m，间距1.5m，喷混厚度为0.15m，衬砌厚度为0.3m。竖井锚杆长4m，间距1.5m，喷混厚度0.2m。

隧道位于泥岩中，为软岩，从上至下，覆土依次为粉质粘土，强风化的泥岩。粉质粘土呈褐红色，可塑，局部硬塑，局部混有圆砾，主要成分为石英质；泥岩的风化面土体呈黑灰色，泥质结构，块状构造，碎屑主要由粘土矿物组成。

2 计算参数与模型建立

2.1计算参数

依据地勘提供钻孔柱状图，确定了该深隧道围岩的初始参数，现将部分物理力学性质相近的土层合并，第一层土为粉质粘土（标记为“土层1”，厚9m）、第二层为强风化泥岩（标记为“土层2”，12.5m）、第三层为中风化泥岩（标记为“土层3”），土层参数见表1。

2.2隧道模型的建立及分析工况

2.2.1有限元模型建立及网格划分

根据钻孔资料，确定土层分布，为简化模型，将部分物理力学性质相近的土层合并，建立如下图所示的模型，竖井底部至地面34.8m，连接隧道长9.5m，隧道上部根据设计资料按实际尺寸建模。主隧道、连接隧道以及竖井两两正交，三者的尺寸和支护设计均按照设计进行。

2.2.2测点布置及分析工况

依据隧道监控量测的相关要求，本次模拟需要监测A（id=2276），B（id=2256）、C（id=43）、D（id=1514）以及E（id=2261）这几个位置，本文以测点C、D为研究对象，分析正交结构施工过程的围岩稳定。

本文为研究竖井、连接隧道、主隧道施工对围岩稳定的影响，以及施工过程中的相互作用，现将模拟的过程分成三个部分，根据隧道施工进尺，每一部分又分为若干阶段，具体划分为竖井施工：S1～S7；连接隧道施工：S8～S11；主隧道施工：S12～S27）。每一个施工阶段又分为围岩开挖、喷混、设置锚杆等步骤。

3 数值计算结果分析

3.1连接处围岩变形分析

现将三部分施工的各阶段测点C、D的z方向位移值绘制在图2中（负值为向下），测点D的水平位移绘制在图3中，测点C、D为隧道连接处。

根据图2可以发现，在开挖竖井的初期阶段，测点D在施工阶段S1～S7之间出现回弹，在此之后，测点D开始沉降，并在主隧道施工后沉降稳定。而测点C在施工工阶段S1～S7之间出现轻微回弹，但是在施工S11之后，呈现急速沉降的趋势，在施工阶段S17之后，逐渐稳定。

对比二者可以发现，连接处在施工的初始阶段都会出现卸荷回弹，但是靠近竖井位置的回弹位移更大，随着施工的推进，测点下部的围岩开挖，位移由向上转为向下，这是由于下部岩体的开挖，改变测点的自由面，即约束的改变，岩体向最易卸荷的方向移動。

根据图3可以发现，在施工阶段S7后，位移出现剧增，其后位移缓慢增加，直至稳定。这是由于施工阶段S7开挖测点D周围岩体，测点水平方向出现自由临空面，岩体向水平方面释放荷载。

3.2连接处受力分析

为进一步研究正交结构施工的相互影响，现将测点C、D的所受的合外力绘制在图4中。根据图4结果，可以发现，测点D在施工阶段S1～S4之间，受力维持在68.1KN，此时竖井开挖至距离地面6m处，而在竖井施工至D点后，合外力骤降，竖井施工完成后，合力出现轻微回弹；在连接隧道施工的过程中，测点D受力再次骤降，连接隧道施工完成后，受力再次回弹，主体隧道施工的过程中，对测点D的受力几乎没有影响；对于测点C，呈现出和测点D类似的趋势。

通过以上分析可以发现：空间正交的结构，施工时，只会对相邻的结构产生影响，而对相隔的结构几乎无不会影响，在连接隧道施工时，会直接影响到主隧道和竖井的围岩稳定。

4结语

在开挖过程中，特别是在软弱围岩条件下，竖井和连接隧道的稳定性是设计和施工的必须考虑的问题。竖井、连接隧道的开挖打破了岩体内原有的应力平衡，岩体发生形变，释放荷载，以寻求新的平衡，而主隧道的施工也会对连接隧道产生影响。该文利用有限元软件（Midas）建立模型，分析空间正交的隧道结构施工过程，通过分析模型的位移，合外力的变化，得出以下结论：

（1）正交结构施工对相邻结构影响较大，而对非相邻结构影响较小，即竖井施工对连接隧道影响较大，而连接隧道则会对主隧道和竖井产生影响。

（2）在竖井和连接隧道施工完成后，主隧道在距离连接隧道6m范围施工时会对竖井和连接隧道产生影响，在之后对竖井和连接隧道影响较小。

参考文献

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