通风横洞与主隧道交叉口二次衬砌结构力学特性研究

刘宝超

大连市市政设计研究院有限责任公司 辽宁大连 116021

隧道横洞通常包括车行及人行横通道，其中车行横洞断面面积较大，与主线隧道成正交或斜交关系，属于空间力学结构，受力状态较为复杂，在交叉点的设计及施工过程中历来都受到人们的重视，通过调整结构形式及结构补强来保证受力薄弱点的安全性。此类问题的以往分析中主要多的采用三维地层结构法进行分析，采用有限元连续介质模型分析中往往没有真实的反应此类交叉口受力特性，本文实际工程为依托，采用更直观的三维荷载结构法分析模型，研究交叉口受力特点以指导设计和施工[1]。

1 工程概况

大连市光明路延伸工程—隧道暗挖土建工程南洞口端通风横洞交主隧道，整个交叉区段所处地层为中风化白云岩，上覆岩土埋深5～9m，主线隧道开挖跨度17．1m，开挖高度11．5m，通风横洞开挖跨度11．8m，开挖高度7．5m，且横洞底标高与主线隧道检修道标高衔接，使得结构上缘交叉点位于主隧道拱肩接近拱顶位置，此种形式交叉对主隧道结构强度的削弱程度较大，需要结构加强处理。

2 数值模拟分析

为了更真实、直观的反应此类隧道交叉口的空间受力特点，采用Midas-GTS NX有限元软件对交叉口结构进行三维荷载结构法静力分析[2]。衬砌结构采用二维板单元模拟，围岩荷载采用面压力加载，隧道边墙及结构底板围岩约束反力采用地曲面弹簧模拟。计算模型如图1所示。

图1 计算模型

参照规范要求选取衬砌结构参数如表1所示，地曲面弹簧抗力系数按地质勘察报告中选300Mpa/m。

表1 衬砌结构参数

3 计算结果分析

图2为衬砌结构环向轴力计算结果，图3为衬砌结构环向弯矩计算结果。从轴力图中可以看出交叉口上缘区域引起主洞及横洞的衬砌环向轴力出现受拉区，而边墙部位发生环向轴力增大区域；从弯矩图中可以看出主洞及横洞拱顶位置环向衬砌弯矩方向为内侧受拉的区域增大，数值增幅达到40%，交叉区结构应力集中明显，交叉引起主洞结构内力变化较大区域为交口前后8m，设计中应对此区主洞及横洞一定长度范围结构加强，对交叉点上缘及侧墙应进行严格的裂缝控制配筋验算[3]。

图2 衬砌轴力图

图3 衬砌弯矩图

4 结语

通过对横洞与主隧道交叉口的三维有限元模拟分析，得出交叉口位置结构空间受力特点，总结以下结论：

（1）主隧道侧墙开口横洞破坏了主隧道原有的结构受力体系，使得结构发生应力集中。

（2）对于横洞与主隧道交叉口两侧主隧道应作至少8m长的衬砌结构加强，采取必要的配筋补强措施。

（3）对于交叉口横通道衬砌结构也应做出5m加强段设计，从而保证整个交叉口结构的空间稳定性。