小净距隧道与横通道空间交叉结构施工力学分析

王 绪， 钟 敏, 晏启祥

(1. 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;2. 中铁隆工程集团有限公司, 四川成都 610046)

公路隧道在修建时要满足运输安全的要求，应当在隧道中设置横通道，用以运营避难、救援和维修管理以及避免隧道火灾带来的损失，使得车辆及行人在隧道发生火灾和交通事故时能迅速撤离隧道，确保运输的安全与畅通[1-3]。

由于横通道的设置，隧道交叉结构处的受力状态复杂，在施工过程中会对主线隧道产生不利影响，是隧道建设过程薄弱的环节[4-5]。徐学深[6]结合青海某高速隧道工程，采用数值模拟的方法对隧道横通道的开挖过程进行模拟，得到交叉结构受力和变形的最不利位置。张志强等[2]依托万梁高速公路马王槽1号隧道，采用现场实测与数值模拟研究手段，对主隧道与车行横通道组成的空间交叉结构进行了施工力学研究。目前，国内对隧道交叉结构的施工力学研究主要针对的是独立双洞隧道和长大单洞隧道[7-8]。由于隧道在建设过程中易受到地形、地物等多方面因素的限制，小净距隧道的结构形式正得到越来越多的应用[9-10]。但目前对小净距隧道空间交叉结构施工力学研究较少，文章将采用数值模拟的方法对小净距隧道横通道空间交叉结构施工力学进行研究。

1 数值模型

1.1 参数的选取

有关参数的选取，根据隧道规范《隧道设计细则》中给出的材料参数经验取值(表1)。

表1 相关材料参数

1.2 模型的建立

建立模型时考虑到联络横通道与小净距隧道属于对称结构，故运用有限元软件Midas-GTS-NX软件建立了在IV级围岩下的小净距联络横通道的对称数值模型，仅考虑自重应力场，围岩与隧道采取D-P屈服准则的实体单元，初期支护采取用弹性本构的板单元，锚杆采取弹性本构的植入式桁架单元。该模型在隧道横截面平面的长、宽分别为90m、65m，沿着隧道轴线方向长45m。约束模型左右边界的水平位移以及下边界的水平与竖向位移，上部为自由边界。通过在右隧道旁开挖斜井进行联络横通道的施工与开挖，并进行左右两隧道的开挖。模型的整体网格划分图见图1，其中初期支护的网格图见图2。

图1 模型整体网格

图2 初期支护网格

数值模型中隧道埋深为20m，两隧道间距4.3m，隧道与横通道采用全断面法进行开挖，在隧道的洞周选取29个特征点用来研究隧道开挖洞周的位移与应力(图3)。

图3 洞周特征点示意

2 计算结果与分析

为了研究小净距隧道横通道交叉段施工过程中洞室应力分布与变形特征，主要分析了隧道横通道交叉段施工过程中的洞室围岩位移、围岩应力集中度、塑性区分布、地表沉降等。

2.1 横通道交叉段施工过程中洞室围岩位移分析

2.1.1 洞周水平位移分析

横通道段隧道开挖的水平位移云图如图4所示，左洞洞周特征点在横通道段和正常段的水平位移曲线如图5所示，右洞洞周特征点在横通道段和正常段的水平位移曲线如图6所示。

图4 横通道段隧道开挖水平位移

图5 左洞洞周特征点水平位移曲线

图6 右洞洞周特征点水平位移曲线

从图4～图5中可以看出，隧道开挖完成后，隧道周围围岩的最大水平位移出现在拱腰处。由于两洞开挖相互之间的影响，两洞相邻拱腰处的横向位移要比另外一侧的大。此外，横通道和斜井通道的开挖使得左右两洞的位移变化不一样，右洞隧道在横通道段处的水平位移与正常段相比，在数值上变化不大，左洞隧道在横通道段处的水平位移与正常段相比反而减小，可见横通道与斜井通道的开挖不会对洞周水平位移产生较大的不利影响。值得注意的是，由于隧道右侧斜井通道的开挖，在横通道段，左洞隧道和右洞隧道在其右侧拱腰处的水平位移方向与其在正常段的水平位移方向相反。

2.1.2 洞周竖向位移分析

横通道段隧道开挖的水平位移云图如图7所示，左洞洞周特征点在横通道段和正常段的水平位移曲线如图8所示，右洞洞周特征点在横通道段和正常段的竖向位移曲线如图9所示。

图7 横通道段隧道开挖竖向位移

图8 左洞洞周特征点竖向位移曲线

图9 右洞洞周特征点竖向位移曲线

从图7～图9中可以看出，隧道开挖完成后，隧道横通道段和正常段的围岩最大下沉位移出现在拱顶附近，围岩隆起最大值出现在隧道底部仰拱中心附近。

横通道段处的洞周竖向位移与正常段处的竖向位移相比明显较大。

(1)左洞隧道在横通道段处最大隆起位移为5.26mm，跟正常段处最大隆起位移4.60mm相比大了14.35 %；左洞隧道在横通道段处的最大下沉位移为4.71mm，跟正常段处最大下沉位移3.89mm相比大了21.08 %。

(2)由于右洞隧道右侧斜井通道的开挖会对位移增幅产生影响，所以右洞隧道的位移增幅比左洞隧道位移增幅大。右洞隧道在横通道段处最大隆起位移为5.73mm，跟正常段处最大隆起位移4.60mm相比大了24.57 %。右洞隧道在横通道段处的最大下沉位移为5.09mm，跟正常段处最大下沉位移3.89mm相比大了30.85 %。可见，横通道和斜井通道的开挖对竖向位移会产生较大的影响。

2.1.3 横通道拱顶沉降分析

图10为左右隧道在横通道段处的拱顶下沉位移随施工步的变化。第1施工步到第15施工步为斜井通道开挖过程，第17施工步到第23施工步为斜井通道开挖过程，其中左洞隧道处的横通道在第21施工步开始开挖。

图10 横通道段隧道拱顶竖向位移曲线

从图10可以看出，在斜井通道开挖过程中，左右隧道的拱顶几乎无沉降位移。在横通道开挖过程中，左右隧道拱顶沉降位移增长速度较快，横通道开挖完成后，左洞隧道拱顶沉降位移为3.34mm，右洞拱顶沉降位移为4.36mm。在接下来的开挖过程中左右隧道拱顶沉降位移增长速度变缓，变化趋势大致相同。隧道开挖完成后左洞隧道拱顶沉降位移达到4.71mm，右洞拱顶沉降位移为5.09mm。

2.2 横通道交叉段施工过程中洞室围岩应力分析

小净距隧道开挖完成后左洞洞周Von-Mises应力曲线如图11所示，右洞洞周Von-Mises应力曲线如图12所示。

图11 左洞洞周Von-Mises应力曲线

图12 右洞洞周Von-Mises应力曲线

从图11～图12中可以看出：

(1)位于正常段的左右洞隧道洞周的Von-Mises应力大致呈左右对称的分布形态，在拱顶和拱底位置处Von-Mises应力较小，变化较为平缓，且没有应力集中现象。

(2)左右洞隧道在拱脚位置周围的Von-Mises应力比其周围的点的Von-Mises应力大，且变化较为迅速，因此在拱脚位置容易出现应力集中现象。

(3)在小净距隧道隧道的开挖过程中，左右洞隧道之间会相互影响。因此，隧道在正常段和横通道段左右洞相邻一侧的拱腰及拱脚处Von-Mises应力要更大一些。

(4)在横通道段，斜井通道和横通道贯穿右洞隧道，右洞隧道在横通道段的隧道洞周的Von-Mises应力跟正常段相比明显增大，且在拱脚位置周围的Von-Mises应力变化较正常段更为快速。而左洞隧道的左侧的Von-Mises应力在横通道段和正常段相差不大，仅在靠近右洞隧道的一侧的拱脚和拱脚位置周围的Von-Mises应力跟正常段相比明显增大且变化更为快速。

2.3 横通道交叉段施工中洞室塑性区分析

在小净距隧道施工过程中，左右两隧道的中夹岩柱是其中一个比较薄弱的的环节，其稳定性对小净距隧道施工起着关键作用。

塑性区分布是判断隧道围岩稳定性分析中的重要依据之一，隧道横通道段和正常段开挖的塑性区分布分别如图13、图14所示。

图13 隧道横通道段开挖塑性区

图14 隧道横正常段开挖塑性区

从图13～图14可以看出，两洞间净距比洞径要小。在隧道和横通道开挖过程中，中夹岩柱在横通道段受到多次扰动，其塑性区在两隧道拱腰部位已经贯通，而在正常段处，受到的扰动相比于横通道段较少，其塑性区并没有贯通。因此，在小净距隧道横通道段处，其塑性区相比于正常段更容易贯通。

2.4 地表沉降分析

地表沉降是判断隧道开挖时，地面周边建筑是否安全的重要依据。隧道开挖时的地表沉降云图如图15所示，地表沉降曲线如图16所示。

图15 隧道开挖地表沉降云图

图16 隧道开挖地表沉降曲线

根据图16可以得出以下结论：

(1)隧道开挖后，横向通道段处和正常段处的地表沉降曲线呈漏斗状，在两隧道中心线处，地表沉降达到最大值。在横通道段的地表沉降比正常段的地表沉降明显增大。

(2)在两隧道中心线左侧，距离中心线越远，横通道段处和正常段处的地表沉降越接近，最后沉降基本一致；而在两隧道中心线的右侧，横通道段处的地表沉降量明显大于正常段处的地表沉降量。这些沉降特征是由横通道以及隧道右侧斜井通道的开挖导致的。

3 结束语

隧道在修建过程中经常会受到地形、地物的严格限制，使得小净距隧道结构形式在国内得到越来越多的应用[9-10]。根据需求会在小净距隧道中设置横通道。文章通过建立三维数值模型对小净距隧道横通道空间交叉结构施工力学进行研究，得出了以下结论：

(1)小净距隧道横通道及斜井通道的开挖对隧道拱顶沉降和底部隆起有着较大的不利影响。

(2)小净距隧道横通道的开挖对隧道洞周横向位移影响不大，但会使隧道在其右侧拱腰处的水平位移方向发生改变。

(3)小净距隧道横通道段与正常段相比围岩应力集中度更高，中夹岩柱的塑性区更容易贯通。

(4)小净距隧道横通道的开挖会使得地表沉降大幅增加，在开挖过程中应做好地表沉降控制措施。