大断面空间交叉隧道变形及支护力学特性分析

2018-07-11李世麟张志强

四川建筑 2018年3期

李世麟，张志强

(西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，四川成都 610031)

众所周知，在山区修建的公路交叉隧道越来越多[1]，由于受交通安全的要求和地形条件的限制，通常需要在隧道交叉的位置，扩大主隧道断面，设置紧急停车带，用以确保隧道内公路交通的安全与畅通，并防范交通事故发生时，引离故障车辆于干道。在建设公路交叉隧道时，设计、施工合理的紧急停车带扩大断面，对于后期沿横向安全开挖支洞，形成结构稳定、受力合理在的空间交叉隧道支护体系是十分重要的[2-4]。

“长河坝水电站交通工程”金康隧道，全长4 530 m，主要承担电站施工期间场内交通运输任务，为此，在金康隧道内设置了4处紧急停车带扩大断面，分别与3-1#隧道(13.5 m)、3-2#隧道(13.5 m)以及坝体填筑(高程1 580 m)隧道(13.5 m)相交。长河坝水电站交通工程金康隧道交叉隧道段在3-1#隧道汇入正洞的交叉口，隧道的跨度达到22.61 m，而横向支洞—3-1#隧道自身的开挖宽度也达到13.5 m，其交叉角度近60°。由于金康主隧道在紧急停车带处形成了超大断面(断面积大于200 m2)，属于超大跨、扁平、特大断面的地下工程，并且与双向行车的横向支洞—3-1#隧道近60°空间斜交，因此，所形成的交叉部结构的受力十分复杂，施工难度显著增大[5-6]。

本次计算主要包括以下内容：基于现场的施工条件，建立空间有限元力学模型，进行三维有限元数值模拟分析；研究III级围岩下，紧急停车带扩大断面开挖及支护后隧道交叉口处围岩的空间应力状态，并进行有关变形、应力分析；通过有限元三维数值模拟，研究III级围岩下，隧道衬砌完成后交叉结构的变形状态及其应力分布。

1　模型建立

1.1　计算模型本构关系的选择

由于本次计算分析模拟的实体较多(如围岩、初期支护等)，基于分析的重点的不同对不同的实体采用了不同的本构关系。围岩采用理想弹塑性本构关系，喷混凝土采用弹性本构关系。

在三维静力分析中围岩体选用理想弹塑性本构关系，其屈服准则采用Drucke-Prager屈服准则(简称D-P准则)。所谓的D-P准则是把对岩土屈服有重要影响的静水应力因素加入了mises准则中去，来模拟岩土的塑性屈服。

1.2　模型参数的选择

依托工程涉及到V级围岩物性指标，因此计算围岩参数按V级围岩选取：参考现行的JIG D70-2004《公路隧道设计规范》。结果如表1所示。

表1　计算物理力学指标

2　三维有限元静力计算及分析

根据依托工程的实际情况，选取地层最不利埋深H=98.0 m，进行模拟分析。

考虑模型的边界效应，因此模型在金康隧道主洞横断面方向(X向)取103 m，支洞纵向长度为47 m(投影长度为40 m)；主洞纵向(Z向)取110 m；隧道垂直方向(Y向)取128 m；左右边界约束水平位移，下边界约束竖直位移，上边界为自由边界。

2.1　模型构建

考虑上述因素以后，隧道分析基本网格图1、图2。

图1　模型网格

图2　隧道网格

2.2　计算结果对比分析

2.2.1隧道变形

金康主隧道扁平率为0.48(或0.52)，属超常扁平大跨隧道，研究支隧道开挖及支护施工过程中的主、支隧道的围岩及支护的变形特征显得尤其重要。变形总是最直观的，也是最基本的；因此，研究本隧道交叉结构时，首先应对围岩及支护结构的变形进行分析。而对于扁平大跨断面隧道结构而言，拱顶位移是其稳定性评价的关键指标。

2.2.1.1拱顶沉降

分析表2和图3、图4知，支隧道施工对主隧道变形有明显的影响，主隧道拱顶呈现如下变形规律。

表2　隧道交叉口处拱顶位移随施工过程变化　mm

图3　扁平率0.48隧道拱顶位移随典型施工过程变化

图4　扁平率0.52隧道拱顶位移随典型施工过程变化

在支洞开挖前，主洞拱顶位移沿主隧道纵向基本相同，扁平率为0.48的隧道的拱顶位移为18.0 mm左右，扁平率为0.52的隧道为17.4 mm左右。

在支洞开挖后，与支洞交叉处其拱顶位移较其他处大，这是由于此处衬砌在支洞一侧被截断，导致靠近此处结构的刚性降低。在支洞开挖6 m以后，这种刚度降低的效果非常明显了，扁平率为0.48的隧道为19.7，扁平率为0.52的隧道在交叉口处的拱顶位移为18.1。随着拱顶观测点断面远离支隧道洞口，拱顶位移逐渐变小。

支隧道与主隧道为斜交60°，主隧道拱顶位移在主隧道纵向并不对称，而在锐角一侧拱顶位移较对称位置的拱顶位移更大，说明该侧受支洞施工影响更为明显。随着支隧道开挖掌子面不断向前推移,支隧道开挖所引起的主隧道的位移量逐渐减小，扁平率为0.48和0.52的隧道表现出相同的规律。当支洞开挖到10 m以后，主洞拱顶位移以达到最终位移值的93 %以上；当支洞开挖到20 m以后，主洞拱顶位移以达到最终位移值的95 %以上；当支洞开挖到30 m以后，主洞拱顶位移以达到最终位移值的97 %以上。

以支洞离主洞56.44 m处(即交叉口)拱顶位移为例，详见表2，此处由于衬砌的被截断，支洞施工对主洞影响最为严重，此处由于支洞施工引起的主洞拱顶位移为3.6 mm。在支洞施工6 m后，扁平率为0.48和0.52的隧道在此处主洞拱顶位移为19.7 mm和18.1 mm，支洞施工引起的主洞拱顶位移为1.7 mm和0.7 mm，约占总数的47 %和20 %；在支洞施工10 m后，扁平率为0.48和0.52的隧道此处主洞拱顶位移为20.2 mm和19.6 mm，支洞施工引起的主洞拱顶位移皆为2.2 mm，约占总数的61 %和62 %；在支洞施工20 m后，此处主洞拱顶位移为20.8 mm和20.0 mm，支洞施工引起的主洞拱顶位移为2.8 mm和2.6 mm，约占总数的78 %和73 %；在支洞施工30 m后，此处主洞拱顶位移为21.2 mm和20.4 mm，支洞施工引起的主洞拱顶位移为3.2 mm和3.0 mm，约占总数的89 %和83 %；这说明，在支洞20 m以后的施工对主洞的开挖的影响已经很小了。且扁平率为0.48的隧道交叉处由于支洞开挖而导致的此处结构的刚性降低，相比扁平率为0.52的隧道，要更为剧烈。

2.2.1.2洞周水平收敛

分析表3可知，在支洞开挖前，在离交叉口一定距离处，其洞周位移为对称变形；在交叉口，由于初期衬砌的被截断，结构刚度不对称，其洞周位移也从对称变形变为“偏向支洞一侧”的不对称变形。

支洞开挖完毕后，在离交叉口30 m处，钝角一侧断面洞周位移基本呈对称变形，但锐角一侧断面明显受支洞施工影响更为严重，其洞周位移呈“偏向支洞一侧”的不对称变形，支洞一侧比另一侧在拱脚以下均大0.5 mm以上，扁平率为0.48的隧道的支洞一侧的洞周水平收敛增大了0.8 mm，扁平率为0.52的隧道增大了0.7 mm；在离交叉口10 m，钝角和锐角两侧断面处都呈“偏向支洞一侧”的不对称变形，其中钝角侧断面支洞一侧比另一侧在拱脚以下均大0.4 mm以上。

表3　洞周水平收敛示意　mm

可以看出，越靠近交叉口处，由支洞开挖导致洞周水平收敛就越大，且其中扁平率为0.52隧道洞周水平收敛相比于扁平率为0.48隧道要小一些。

2.2.2支护应力

由表4知,交叉部衬砌，由于拱形的支撑作用被切断，在支洞一侧衬砌刚度被削弱，在“环口”处出现应力集中现象。在支洞开挖前，主隧道衬砌只是由于交叉口处衬砌的削弱而在“环口”处应力比其他部位要大。在“环口”附近主洞支护基本受拉，在墙角处受压，此时，最大拉应力位于主洞锐角侧边墙处，最大值为1.80 MPa，最大压应力位于靠近锐角侧墙脚处，最大值为22.4 MPa。其应力云图从支洞轴线方向看基本对称，而从主洞轴线方向看，其应力云图出现偏向“环口”侧的弯曲。

在支洞施工完毕后，最大拉应力值达到5.10 MPa，仍然偏向锐角侧，在主隧道“环口”墙脚处的压应力继续增大，靠近锐角侧压应力值达53.2 MPa，钝角侧压应力值则为47.3 MPa；而支洞拱顶拉应力区也延伸至支洞洞口。

表4　扁平率0.48的隧道支护应力　MPa

由表5知，在支洞开挖前，主隧道衬砌由于交叉口处衬砌削弱而在“环口”处应力比其他部位要大。在“环口”附近主洞衬砌基本受拉，在墙角处受压，此时，最大拉应力位于主洞拱顶处，最大值为2.46 MPa，最大压应力位于靠近锐角侧边墙处，最大值为22.6 MPa。

在支洞施工完后，在主隧道衬砌“环口”处出现“应力集中”趋于稳定，此时最大拉应力值达到5.32 MPa，仍然偏向锐角侧，在主隧道“环口”墙脚处压应力继续增大，靠近锐角侧压应力值达52.3 MPa，钝角侧压应力值则为46.4 MPa；而支洞拱顶拉应力区也延伸至支洞洞口，第三主应力最大值为0.53 MPa，其应力云图在离环口10 m之内仍然偏向锐角侧，在离环口10 m后基本对称，在离环口20 m后呈对称分布；在支洞与主洞衬砌交接下部(边墙)锐角侧的第三主应力数值仍然大于钝角侧。

表5　扁平率0.52的隧道支护应力　MPa

由于主隧道原有应力以及主隧道造成的支隧道洞口多临空面的存在，严重地危及到支隧道进洞过程及进洞后施工过程中支隧道洞口及洞口段的稳定性。设计和施工时应充分考虑进洞施工的安全性，采取有效的加固措施，以防洞口及洞口段失稳。

2.2.3支护内力

隧道交叉部支护内力见图5～图8。

图5　扁平率0.48隧道交叉部支护轴力(单位:kN)

图6　扁平率0.48隧道交叉部支护弯矩(单位:kN·m)

图7　扁平率0.52隧道交叉部支护轴力(单位:kN)

图8　扁平率0.52隧道交叉部支护弯矩(单位:kN·m)

因支洞施工，支护刚度降低，主隧道和支洞衬砌组成受力十分复杂交叉结构，因此，支护结构受力已不再是单一轴向受力，而产生部分弯曲受力的复杂应力状态。但从整体上看，在主隧道施工期间，对隧道结构产生重大影响的是横向内力及其变化。

支隧道开挖前，主隧道在离交叉口30 m处其内力基本呈对称分布，但在离交叉口10 m处受支洞处衬砌截断影响，靠近支洞侧弯矩略大于另一侧。

在支隧道的开挖及支护施工过程中，随着支隧道开挖掌子面的向前推移，施工引起的主隧道同一断面的轴力及弯矩均逐渐增大(开挖完毕后，扁平率为0.48和0.52的隧道交叉口处的最大轴力达到843 kN和811 kN，最大弯矩达到19.4 kN·m和17.3 kN·m)。位于交叉口两侧的断面轴力和弯矩的增量并不对称，其中锐角一侧比钝角一侧增量更大。

由于主隧道交叉口处支护在支洞一侧被截断，故不再起拱的作用，而是板或者壳的作用。因而支隧道的施工必将对主隧道的支护结构的内力产生明显的影响，使其内力形成了一种较复杂的分布情况，且这种影响在交叉口处更为明显。因此应加强交叉口处及其附近的支护强度，在支隧道进洞前应对洞口采取有效的加固措施并有必要采用一定的超前预加固措施，以保证进洞安全。