隧洞主支洞交叉段围岩及二衬支护有限元分析

曹伟

（水利部新疆水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐830000）

1 概述

1.1 工程概况

某隧洞主支洞交叉段长40 m，主洞尺寸（宽度）8.4 m×10 m（高度），支洞尺寸（宽度）9.9 m×8.0 m（高度），洞型均为城门洞型，支洞穿透主洞一侧边墙，主洞在交叉口位置三面开口，主支洞夹角为83.751°，隧洞交叉口埋深123 m。主洞与支洞二次钢筋混凝土衬砌厚度均为50 cm，地下水深为105 m，隧洞岩石岩性为中-上石炭统凝灰岩与凝灰质砂岩，经过地质勘查，综合判定围岩类别为Ⅲ类。

1.2 模型建立

采用Abaqus建立主支洞交叉段三维有限元模型[1]，从洞室开挖问题的解析来看，在5倍洞径范围内，其应力、位移即满足解决实际问题的精度，为了节省计算成本，选取计算围岩计算区域取5倍洞径。岩石采用库仑-摩尔弹塑性模型，二衬混凝土采用弹性模型。网格单元均采用四面体单元[2]，计算工况为主支洞交叉段完建期工况，设立地应力平衡分析与静力通用分析步[3]，围岩开挖释放的应力由钢筋混凝土衬砌全部承担，不考虑一次支护的作用[4]。

1.3 荷载及材料参数

根据隧洞实际开挖情况，模型计入地应力，结构自重、外水压力。重力加速度g=9.81m/s2。计算参数见表1，2。

表1 主支洞交叉段钢筋混凝土衬砌参数

表2 主支洞交叉段围岩力学参数

2 计算分析

根据隧洞开挖受力特点，施加重力作用，进行地应力平衡计算，再利用Abaqus中的单元生死模拟隧洞开挖与二次衬砌过程，根据围岩初始地应力＋开挖引起的应力释放，最终得到隧洞开挖后隧洞应力应变分布状态以及二次衬砌受力情况[5～6]。

2.1 隧洞应力与位移

图1 隧洞交叉段应力分布云图

图2 隧洞交叉段位移分布云图

图1 为隧洞开挖后隧洞围岩应力分布云图，从图中可以看出主支洞交叉段结构几何突变部位容易出现应力集中；交叉口位置应力较大，且大应力分布于边墙，底板中部；主洞与支洞越靠近交叉口，应力越大、越集中，交叉口对主洞与支洞交接侧边墙应力分布影响较大，对主洞另一侧边墙基本无影响；主洞与支洞顶拱交接处明显有结构突变导致应力应变重分布现象，且此处应力集中现象明显。图2为隧洞开挖后隧洞围岩最大位移分布云图，从图中可以看出主支洞交叉段隧洞顶拱位移较大，特别是在交叉口位置顶拱位移明显大于隧洞一般位置，且此处大位移分布区域较大、分布线发生较大变化，这可能导致此区域岩石表层圈层发生错动，脱空等现象[7]。

隧洞交叉口应力分布形态、位移分布形态与主支洞相比发生了很大变化，形态复杂，这主要由交叉口的结构型式决定。交叉口为三面开口，主支洞为两面开口，三面开口支撑体系更少，敞开范围更大，所以导致交叉口一带围岩需要发生较大变形，进而应力应变重新分布，寻求支撑体系，最终达到新的平衡[8]。根据以上计算结果与分析，认为主支洞交叉口与靠近交叉口的主洞与支洞段应力应变较大，为结构最不利位置，在开挖过程中应高度重视，支护应及时且加强。

2.2 交叉口二次衬砌应力与位移

图3 隧洞交叉口二次衬砌应力分布云图

图4 隧洞交叉口二次衬砌位移分布云图

图3 为隧洞交叉口二次衬砌剖面应力分布云图，从图中可以看出交叉口顶拱边角应力较大，底板上层受拉明显。图4为隧洞交叉口二次衬砌剖面位移分布云图，从图中可以看出交叉口顶拱位移较大，分布较广。从计算结果看，隧洞交叉口二次衬砌应力分布、位移分布与围岩应力分布、位移分布基本一致，这主要是因为二次衬砌紧随隧洞开挖过程，隧洞围岩变形作用覆盖于二次衬砌上。根据“新奥法”理论，如果交叉口二次衬砌及时，建议预留适当的围岩变形量，使围岩可控变形较为充分，形成较强拱圈[9]；初期柔性支护应加强，且及时进行，控制围岩的不利变形和松弛，以维护和利用围岩的自承能力。

2.3 主洞、支洞二次衬砌应力与位移

从图5可以看出，靠近交叉口隧洞应力比远离交叉口隧洞应力较大，分布不均，形态复杂，且边墙与底板明显出现应力集中区；特别是靠近交叉口主洞出现应力不对称现象，开口侧边墙中部应力偏大，远离交叉口后主洞与支洞应力分布基本一致，应力分布形态较好，底板相对应力相对较大[10]。

图5 主洞、支洞二次衬砌应力分布云图

3 结论

（1）隧洞交叉段交叉口位置围岩应力集中现象明显，边墙、底板应力较大，且主洞与支洞越靠近交叉口应力越大、越集中；交叉口位置顶拱位移明显，梯度较大、分布区域大且分布较混乱，这可能导致此区域岩石表层圈层发生错动，脱空等现象。

（2）隧洞交叉口二次衬砌顶拱边角与底板受拉明显，顶拱位移较大，分布较广。建议此区域地板、边墙加强外层钢筋；加强顶拱初期柔性支护，刚性二次衬砌应根据围岩变形阶段与稳定情况，预留适当的围岩变形量，以便更大的发挥围岩自稳作用。

（3）隧洞交叉段只是在交叉口一定范围应力应变复杂，远离隧洞交叉口后隧洞应力应变分布形态回归常态，根据计算结果认为交叉口2倍洞径外，交叉口对主洞影响便很小。

（4）隧洞交叉口为三面开口，主支洞为两面开口，三面开口支撑体系少，开挖范围较大，结构型式复杂，开挖过程势必引起较大变形，进而应力应变重新分布，寻求新平衡支撑体系。根据以上计算结果与分析，认为主支洞交叉口与靠近交叉口的主洞与支洞段应力应变较大，为结构最不利位置，在开挖过程中应引起重视，围岩差时，应制定专项开挖支护方案，且支护应及时且加强。