深埋公路隧道复杂断面十字交叉施工稳定性数值分析

2020-01-03白雅伟李梦瑶

水利与建筑工程学报 2020年6期

白雅伟，李梦瑶，邵帅，何军

(1.河南省尧栾西高速公路建设有限公司，河南南阳 473000；2.长安大学公路学院，陕西西安 710064；3.中交一公局集团有限公司，北京 100020)

长大隧道作为高速公路建设的关键性工程，通常需设置斜井，一方面可用于隧道建成后的送、排风，另一方面可增加施工工作面，提高隧道主洞的掘进进度。靳晓光等[1]指出深埋隧道横通道的开挖对交叉侧主隧道侧壁初期支护应力及交叉对侧主隧道侧初期支护σ3和XY平面的剪应力影响较大；孙忠成[2]深入探讨了不同开挖方式对山岭隧道稳定性的影响；张志强等[3]对马王槽隧道主洞与横通道施工进行数值模拟，发现60°斜交情况下应力集中系数将由1.5倍提高至2.0倍；王镇等[4]研究了斜井与联络风道交叉结构施工力学行为，通过多种工况对比得出先施工斜井再施工联络风道是最优方案；蔡亦来[5]系统的研究了新建隧道钻爆法施工工况下既有隧道的静动力分析和振动响应研究；龚斌等[6]模拟了马蹄形隧道在不同主应力倾角下的破坏模式，发现主应力方向对马蹄形隧道围岩稳定有重要影响；阚呈等[7]探明了钢纤维混凝土支护隧道交叉连接段局部范围内位移变形、裂缝分布、接触应力等演化的施工力学行为；目前，“T”型交叉隧道即斜井与主洞连接的研究[8-11]和“工”字型隧道即横通道与主隧左、右线连接的研究[12-15]已较完善，但“十”字型交叉隧道国内外学者却鲜有研究，“十”字交叉隧道的设置可大大缩短主洞贯通时间，通过辅助横通道连接主洞左、右线实现“一井两用”。但由于斜井与主洞的交叉部位本身就具有明显的三维空间效应，存在应力集中现象[16]，采用“十”字型交叉将使交叉口围岩发生多次扰动，力学行为更加复杂。因此通过分析深埋隧道十字交叉口施工过程中围岩的位移，初支结构与围岩间的相互作用力以及支护结构的受力情况，探讨隧道交叉段围岩的变形机理，无论是对理论体系的完善，还是对特长隧道工程缩短建设周期提高经济效益方面均具有十分重要的意义。

1 工程背景

在建郑西高速栾双段伏牛山特长公路隧道位于栾川县庙子镇附近。伏牛山隧道左线全长9 161 m，右线全长9 183 m。在K88+462.7处设置1处排风斜井，施工时作为施工辅助通道使用，后期用于运营通风，洞内变电所横面与车行横通道保持一致。

本工程为缩短隧道主线施工工期，在3#排风斜井与主隧道右线交叉口中轴线对侧设置施工辅助通道(工程变更)连通主隧道左、右线。采用“十”字交叉的方式，同时增加左、右线的掘进工作面，后期施工辅助横通道作为变电站使用。具体平面位置及交叉口施工断面图如图1、图2所示。

图1 伏牛山隧道“十”字交叉口平面布置

图2 伏牛山隧道交叉段主洞、斜井及施工辅助通道结构断面(单位：cm)

伏牛山隧道K88+739.2—K88+748.0段洞顶埋深370 m～395 m，通过钻探揭露、工程地质调绘和土工试验，隧址区分布的地层为第四系全新统冲洪积物(Q4al+pl)，下元古界宽坪组(Pt1k1)辉绿岩，以及中生代燕山期(γ53)花岗岩。其中花岗岩为隧道的主要围岩，十字交叉段围岩风化程度属中—微风化，中粗粒结构，节理裂隙较为发育，块状构造，岩体较完整，稳定性较好。

2 数值模型的建立

2.1 假定条件

由于岩土结构非常复杂，为简化计算，在分析模型建立前进行以下假设：

(1) 模型围岩采用实际围岩参数，围岩材料的屈服准则应用Mohr-Coulomb准则，围岩初始应力只考虑重力的影响。

(2) 隧道初期支护模型选择弹性模型，应用软件中的板单元进行模拟。

(3) 钢拱架、钢筋网等材料采用刚度等效的方法予以考虑，即将钢拱架、混凝土支护刚度折算为初期支护、临时支护中统一的等效刚度参数。

2.2 计算模型及材料参数

考虑伏牛山隧道十字交叉口处的为深埋隧道及边界效应的影响，模型上边界取100 m(上边界未取的围岩采用荷载代替，荷载大小为24 kN/m3×295 m=7 050 kPa，下部50 m沿主洞方向(y)模型长度80 m，沿斜井方向(x)方向模型100 m，采用三维有限元软件进行分析，共53 576个单元，83 999个节点。三维有限元模型、十字交叉口模拟部分如图3所示。

图3 三维有限元模型

围岩、初期支护物理力学指标如表1所示。

表1 模型材料参数

2.3 开挖方案设计

数值模拟十字交叉口的施工顺序如图4为3#排风斜井①→主洞②、③(同时开挖)→施工辅助横通道④。根据设计图纸进行简化后，排风斜井长34 m，主洞长80 m，辅助横通道长28 m。开挖总长度为102 m。其中除交叉部位开挖进尺为2 m，其余各部位进尺均为4 m。开挖、支护共计30个施工步完成。交叉口分两次开挖，第一次开挖斜井及主洞交叉段，形成“T”字交叉口，第二次主洞开挖完成后，开挖辅助横通道，形成“十”字交叉口。

图4 十字交叉段开挖方案设计

3 数值分析结果

3.1 交叉部位空间变形分析

在十字交叉口断面上取6个特征点(见图5)为研究对象，通过数值模拟开挖过程对各测点位移的影响，分析掌子面掘进对交叉口空间变形的影响程度。

图5 交叉口特征点分布

(1) 竖向位移方面：掌子面掘进至交叉口(34 m)前，各特征点竖向位移均为0 mm。随着交叉部位的初次开挖，交叉口形状呈“T字型”，地应力瞬时释放，由图6可知，各特征点的位移量增长迅速，其中3号特征点沉降最大为-13.37 mm，4号特征点的隆起值为13.01 mm；交叉段开挖结束后掌子面朝着正洞两侧推进，各特征点的竖向位移值随着开挖的进行持续增加，至主洞掌子面推进至距交叉断面约(1.8～2.2)D1(D1为主隧道洞跨)时，各特征点的位移增速较缓，这时掌子面开挖对交叉部位沉降的影响可忽略。

主洞贯通后，辅助通道(74 m)进行开挖，2号特征点位移增长速度最快，一步开挖的沉降增长量为2.51 mm。其余各特征点位移明显增加，但瞬时增速与交叉口初次开挖相比减弱。随着掌子面向前推进，各特征点的位移增速逐渐减缓，至辅助通道掌子面推进至距十字交叉口拱顶(1.5～2.0)D2洞径(D2为辅助通道洞跨)，开挖对交叉部位各特征点的位移影响已不明显，隧道交叉口附近的围岩理论应力释放率最高。

至开挖结束，3号特征点的累计沉降值最大为-26.62 mm， 4号特征点的累计变形值最小为23.55 mm。根据《公路隧道设计规范》[17]，(JTG D70/2—2014)Ⅲ级围岩的预留变形量为5 cm，故十字交叉口的开挖从竖向位移角度考虑是安全可行的。

图6 各特征点竖向位移随掌子面开挖变化曲线

(2) 水平收敛方面：辅助通道开挖前由图7可知，这一阶段顶部特征点2、3累计变形趋势均为向正洞方向收敛，底板特征点5、6均为背向正洞轴向方向移动。其中3号特征点在交叉段开挖初始阶段变形量最大，为-12.56 mm，占该点累计最大位移值的85.6%。2号特征点位移瞬时增长为4.73 mm，占最大位移变形值的40.8%。初期支护施作后，除5号特征点未受影响外，其余各点均产生与开挖阶段相反的收敛趋势，其中2号特征点位移变化相对变化值为3.68 mm，3号特征点位移相对变化值为4.29 mm。随着掌子面转向主洞两端掘进，开挖对交叉部位各测点的影响逐渐减小，直至掌子面掘进至距交叉断面约(1.8～2.2)D1(D1为主隧道洞跨)时，开挖对交叉部位水平位移的影响已不再显著趋于稳定。

对3、6号特征点的位移趋势分析发现其位移趋势相反，即斜井与正洞交叉部位拱顶产生向正洞轴向方向的收敛，对应底板位置产生背离正洞轴向方向的移动。可能的原因是交叉部位开挖后，围岩应力重新调整分布，隧道壁面围岩由二维应力状态变为单轴应力状态，在顶部围岩压力的作用下，侧向应力对交叉口位移的限制减弱，产生正洞轴线(临空面)方向的变形。拱顶围岩压力对交叉口底部作用不明显，顶部围岩压力释放后背离正洞轴线外扩。

图7 辅助横通道开挖前各点水平位移随掌子面开挖变化情况

对5、6号特征点的水平位移分析发现，5、6号特征点的位移方向相反，趋势相同，均为背离正洞轴线方向外扩，且随着正洞向两侧的开挖，二者的相对位移先增大，直至掌子面掘进至距交叉断面约(1.8～2.2)D1(D1为主隧道洞跨)位置时稳定。说明主洞开挖对交叉部位底板的拉应力影响较大，这一阶段底板的拉应力持续增加，底板有开裂的可能。

由图8可知，随着辅助通道的开挖，新的临空面产生，2号特征点产生背离正洞方向外扩，变形值增至最大为-11.6 mm，相对辅助通道开挖前的变形值为13.42 mm。3号特征点位移方向指向辅助通道，位移值继续增加至最大为-14.68 mm。随着辅助通道初期支护施作，变形量减小，方向反向收敛。随着辅助通道继续向前掘进，各特征点均产生向X轴正向的位移。究其原因可能为辅助通道的开挖，使得围岩内部产生沿斜井轴线方向的临空面，围岩应力发生二次重分布，由于辅助横通道断面尺寸比斜井小，因此隧道整体受到的X轴正向应力增加，促使各特征点产生X轴正向水平位移。

图8 辅助横通道开挖后各点水平位移随掌子面开挖变化情况

3.2 辅助横通道的开挖对既有交叉口支护应力的影响

最大主应力σ1如图9所示，辅助横通道开挖前σ1为-6.72 MPa～29.95 MPa。从云图中可以看出压应力集中分布于既有交叉口斜井左右边墙及正洞左拱腰、边墙位置，在交叉段斜井左、右拱脚及正洞右拱脚附近出现明显的条带状拉应力集中区。辅助横通道开挖后，σ1为-6.74 MPa～40.98 MPa，σ1最大值同比增长36.8%，辅助横通道与正洞交叉口底板位置也产生了拉应力集中区。对云图整体分析发现，辅助横通道的开挖对最大主应力的影响主要为拉应力的增加及压应力分布区域的减少。

图9 辅助横通道开挖前、后最大主应力云图

辅助横通道开挖前最小主应力σ3最小值为-66.85 MPa即压应力，位于既有交叉口斜井左拱脚处。压应力集中分布于既有交叉口斜井左、右边墙位置。最小主应力σ3最大值为4.99 MPa，位于正洞底板中部。辅助横通道开挖后，最小主应力σ3最小值变为-127.49 MPa，同比增长90.7%，位置转变为辅助横通道与正洞交叉口边墙。拉应力最大值为5.15 MPa，同比增长3.2%，正洞偏既有交叉口底板除。对云图整体分析发现，辅助横通道的开挖对最小主应力的影响明显，除大幅度增大应力数值外，隧道拱顶及底板的拉应力区域范围也增加，压应力集中区由斜井交叉口转为辅助横通道交叉口。

辅助横通道开挖前剪应力值为0.93 MPa～32.35 MPa，剪应力τ最大值集中在既有交叉口边墙及拱脚位置，沿斜井中线对称分布。交叉段正洞拱顶及底板位置剪应力较小。开挖完成后剪应力值为0.79 MPa～72.66 MPa，剪应力τ最大值同比增长130.8%，位置转移至辅助横通道与正洞交叉口两侧拱腰位置，沿横通道轴线对称分布，交叉段拱顶区域剪应力值相对开挖前减小。

3.3 交叉口拱顶各特征点应力

交叉部位拱顶最大主应力变化情况如图10所示，均为拉应力。其中斜井与正洞交叉拱顶拉应力最大为9.98 MPa。辅助通道与正洞交叉拱顶拉应力相对较小。正洞拱顶压应力受开挖的影响较大，当辅助通道开挖时(21步)，正洞拱顶拉应力增长较大，随着辅助通道的继续开挖，各位置拱顶最大主应力均有减小趋势。至开挖结束(29步)，最大主应力大小顺序为斜井与正洞交叉拱顶>正洞拱顶>辅助通道与正洞交叉拱顶，存在偏压现象，且应注意对斜井与正洞交叉拱顶的监控量测，防止初期支护开裂，必要时采取加固处理。

图10 交叉部位拱顶支护应力变化曲线

4 监控量测结果

结合工程实际施工情况，以隧道监控量测专项实施细则为依托，对“十”字交叉段正洞拱顶、辅助通道与正洞交叉段拱顶以及排风斜井与正洞交叉段拱顶三个位置(即1、2、3号特点对应位置)的沉降情况进行了监测，并与数值模拟的结果进行对比。实测1、2、3号点位的最终沉降量为-32.0 mm、-31.2 mm、-33.2 mm，数值模拟各点最终沉降量为-25.9 mm、-24.8 mm、-26.6 mm。由于未考虑水的渗流、岩体节理裂隙及爆破振动的影响，所以导致实测值大于理论值。但从趋势来看累计沉降值关系为3号特征点>1号特征点>2号特征点，这与数值模拟沉降趋势基本一致，所以数值模拟的结果具有代表意义。从图11(b)沉降速率中可以看出交叉段初步开挖完成前，受开挖影响较大是3号特征点单日沉降速率最高达4 mm/d，受开挖影响震荡明显。辅助横通道开挖后，由于应力场的二次重分布，2号特征点产生了明显沉降，沉降速率是三点中最高为3.2 mm/d。实测结果显示拱顶最大沉降量值为-33.2 mm，根据《公路隧道设计规范》，未超过预留变形量的2/3，设计施工方案是安全可行的。