公路隧道与横通道空间交叉结构稳定性分析

何 磊，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)

米亚罗3号隧道岩体较破碎，含有大量炭质千枚岩，遇水易软化，围岩呈层状碎裂结构，局部镶嵌结构；围岩稳定性较差，拱顶无支护时极易坍塌，侧壁有时失去稳定，主要为IV-Ⅴ级围岩，考虑到隧道近邻米亚罗断裂，隧道洞身存在次级小断层层间错动带。横洞开挖对主隧道以及围岩的影响十分复杂，与空间交叉部分周围的围岩特性、横通道洞身形式、开挖顺序和开挖施工方法等因素均有关，因此可看出，模拟隧道施工过程实际上是分析一个三维的时空问题。建立三维数值计算模型，分析米亚罗3号隧道行车横洞洞身在直墙形式下与主隧道交叉部变形、内力、应力特征。

1 计算模型假定及施工过程

根据米亚罗3号隧道勘测报告和设计图，在5#行车横洞与主隧道交叉部，地层主要由V级围岩组成。参考现行的JIG D70-2004《公路隧道设计规范》，选取计算物理力学指标如表1所示。

表1 围岩及支护结构参数

三维模型中，主隧道和横通道的初期支护采用壳单元进行模拟，围岩采用实体单元进行模拟。由于二次衬砌作为安全储备，因此在计算中并没有将其纳入考虑。选用Mohr-coulomb作为本构模型。

考虑模型的边界效应，模型边界取3～5倍洞径较为合理，故计算模型左右两侧(X方向)边界为5倍洞径，取90 m；模型底部边界至隧道下侧边界为43 m，上部边界取至地表，左右边界约束为水平位移，下边界约束竖直位移，上边界为自由边界。为了保证计算的准确性，整个模型共52 328个单元，56 309个节点。有限元模型如图1所示。

图1 横洞与主隧道三维交叉模型

根据米亚罗3号隧道施工组织设计规定：5#行车横洞与主隧道交叉部主隧道采用台阶法施工，分为上、下两台阶依次开挖，每次循环必须施做临时仰拱，封闭成环，每次循环进尺控制在3 m左右，主隧道开挖完毕并施做初期支护后，开挖行车横洞，采用全断面开挖。

本次数值模拟主隧道开挖进尺取为3 m，按照上下台阶依次开挖，开挖当前步后进行支护施做；主隧道开挖完毕后，进行行车横洞开挖，采用全断面开挖，开挖进尺取为4 m，开挖当前步后立即进行支护施做。

施工过程模拟主要工序如下：

工序1：主隧道开挖贯通(开挖、初期支护)；工序2：车行横通道开挖贯通(开挖、初期支护)。

2 计算结果及分析

2.1 主隧道与行车横洞交叉部分变形分析

由于受到主隧道分步开挖、横向行车通道开挖等多次施工影响，交叉部围岩被反复扰动，地应力场会进行多次重分布，这将会导致主隧道与横向行车通道交叉部结构受力和变形变得极其复杂。变形是最直观的，也是最易测量的，因此本节选取主隧道与行车横洞交叉部分的变形进行分析。行车横洞施工结束后，主隧道和交叉部分空间变形(图2、图3)。

图2 开挖完毕围岩竖直变形(单位：m)

图3 开挖完毕衬砌竖直变形(单位：m)

从以上计算结果可知，在主隧道开挖及行车横洞开挖过程中，交叉部围岩变形主要表现为垂直变形，因此选取交叉部横断面上主隧道拱顶、横通道拱顶以及主隧道相对于横洞的另一侧拱腰三点为观测点，进一步观察在横洞开挖、支护过程中交叉部分空间变形的具体情况。在横洞开挖及支护过程中交叉部分观测点垂直变形曲线(图4)。

图4 交叉部隧道拱顶随横通道开挖竖向位移

由图4分析可得:

(1)交叉部分车行横洞开挖后，交叉部分主隧道竖向变形有较为明显的增长，在交叉部分拱顶上方形成一个局部变形增大区，变形值大于7.5 mm，随着车行横洞的不断向前推进，主隧道拱顶下沉值不断增大但逐渐趋于稳定。横洞开挖完毕后，主隧道拱顶垂直变形增长了0.82 mm，占总变形的9.96 %；横洞拱顶竖直位移增长了2.61 mm，占总变形的42 %；而相对于横洞的另外一侧垂直变形较小，只增加了0.15 mm。从横洞开挖过程中的初支变形情况可以看出，局部变形增大区纵向上扩展不大，主要表现为向交叉口横向扩展特征。

(2)车行横洞施工至距交叉部分8.5 m、18.5 m时，主隧道拱顶竖直位移达到了-8.65 mm和-8.7 mm，占该点总位移的98.4 %和99 %，车行横洞竖直位移达到了-6.08 mm和-6.16 mm，占该点总位移的98.4 %和99.7 %。由此可见，从施工安全角度出发，在围岩较差地区开挖横洞之前，对交叉部分范围，采用超前锚杆及压注砂浆的预加固支护技术措施是十分重要的，必要时还可采取其他更为保险的措施。

2.2 主隧道与行车横洞交叉围岩应力分析

随主隧道开挖推进，周边围岩受到扰动，横洞的开挖将使得交叉部分围岩受到二次扰动，使得该部分呈现出与普通隧道施工不同受力特征。通过分析横洞施工过程中特别是横洞开挖前后主隧道与横洞交叉部分围岩的应力变化。各典型施工阶段交叉部隧道围岩第一主应力和第三主应力分布如图5～图8所示。

图5 横通道开挖8.5m第一主应力(单位：Pa)

图6 横通道开挖18.5m第一主应力(单位：Pa)

图7 横通道开挖8.5m第三主应力(单位：Pa)

图8 横通道开挖18.5m第三主应力(单位：Pa)

(1)从图5～图8中可以看出，交叉部分围岩的第三主应力无论是影响范围还是数值上均呈现单调递增的变化趋势，交叉部分围岩第一主应力在横洞开挖过程中，受拉区不断增大。车行横洞一经开挖，主要表现为横洞洞口两侧拱腰出现较为明显的应力集中。因此，开挖横洞时，要采取相应的措施加固洞口周边的围岩，防止因应力集中而变形过大。

(2)从横洞开挖至8.5 m以前，应力变化明显，增长较快，开挖至8.5 m以后，应力增长速度明显减缓。说明从横洞进洞到开挖8.5 m前，交叉部分围岩应力有较大增长，开挖至于8.5 m以后，横洞施工对交叉部分的影响不大。

3 结论

通过分析隧道行车横洞与主隧道空间交叉结构施工过程，取得如下结论：

(1)交叉部分车行横洞开挖后，交叉部分主隧道竖向变形有较为明显的增大。在交叉部分拱顶上方形成一个局部变形增大区，随着车行横洞的不断向前推进，主隧道拱顶下沉值不断增大但逐渐趋于稳定。

(2)从横洞开挖过程中的初支变形情况可以看出，局部变形增大区纵向上扩展不大，主要表现为向交叉口横向扩展的特征。

(3)从施工安全角度出发，在围岩较差地区开挖横洞之前，对交叉部分范围，采用超前锚杆及压注砂浆的预加固支护技术措施是十分重要的，必要时还可采取其他更为保险的措施。

(4)车行横洞一经开挖，主要表现为横洞洞口两侧拱腰出现较为明显的应力集中。因此，需采取相应的措施加固洞口周边的围岩，防止因应力集中而变形过大。