特长公路隧道交叉区域围岩-结构动态变化规律研究

唐旭 张志强

【摘要】特长公路隧道交叉段施工中，交叉区域洞周围岩受到了不同方向、不同程度的反复扰动和破坏，同时隧道结构易在二次施工扰动产生变形及损伤，对工程造成不利影响。基于此，文章以四川汶马高速公路米亚罗3号隧道2#行车横通道与主洞交叉段为工程依托，采用大型通用有限元软件ANSYS对交叉段施工过程进行了模拟，分析了交叉区域各项性能参数与施工步序之间的动态关系，获得了洞周围岩变形传播规律及隧道交叉结构的受力特征及力学演化规律。

【关键词】特长公路隧道; 交叉区域; 单侧壁导坑法; 动态关系; 力学演化规律

【中国分类号】

U451+.2【文献标志码】A

随着我国公路建设的快速发展，长大深埋公路隧道越来越多。对于这类隧道，往往需要设置横洞，用于交通事故发生时，引离故障车辆于干道以及发生火灾时，车辆迅速撤离隧道，疏散受困人群，确保公路交通系统的安全与畅通。但在交叉段施工过程中，交叉区域洞周围岩受到了不同方向、不同程度的反复扰动和破坏，同时隧道结构易在二次施工扰动产生变形及损伤，对工程造成不利影响，因此有必要探究施工过程中洞周围岩变形传播规律及隧道交叉结构的受力特征及力学演化规律。

目前许多学者对于隧道交叉段进行了研究，张俊[1]利用ADINA有限元软件对宝塔山2#风机房十字交叉结构进行了模拟，研究了交叉段附近围岩的变形、衬砌结构的裂缝分布以及围岩与衬砌间的接触应力分布形态;张建宇等[2]结合数值模拟及现场监控量測，研究了重庆轨道交通某区间隧道与施工通道交叉段的围岩应力分布和位移特征;姜雪峰[3]以大连地铁某区间隧道为工程背景，采用有限差分软件FLAC3D研究了7种不同角度下横通道近接地铁区间隧道时，交叉段围岩及隧道结构的应力和变形;史彦文等[4]以阿尔及利亚东西高速T2隧道车行横洞交叉段为研究对象，利用MI-DAS/GTS软件建立了交叉区三维模型，分析了主洞二次衬砌的受力状态;刘山洪等[5]针对涪陵聚云山隧道横洞与主洞交叉段出现裂缝这一问题，采用有限元方法研究了裂缝产生的原因，并提出了相应的加固措施。

本文以四川汶马高速公路米亚罗3号隧道2#行车横通道与主洞交叉段为工程依托，采用大型通用有限元软件ANSYS对交叉段单侧壁导坑法施工过程进行了模拟和分析，以期为类似隧道交叉段的设计和施工提供有益参考。

1 计算模型及参数选取

2#行车横通道与主隧道交叉区域埋深为232.86 m，地质情况复杂，隧道围岩由中生界三叠系上统侏倭组板岩夹变质砂岩、千枚岩组成，薄层状，少量厚层状—块状结构，节理较发育，拱顶稳定性一般，会产生掉块，侧壁基本稳定，构造线与隧道轴线小角度相交，岩体易发生变形，千枚岩岩性软弱，开挖后变形量大且易坍塌，局部存在围岩大变形，成洞性差。

根据米亚罗3号隧道勘测报告和设计图，在2#行车横通道与主隧道交叉区域，地层主要由V级围岩组成，围岩计算参数参考现行的JIG D70-2004《公路隧道设计规范》进行取值。二次衬砌作为安全储备，在计算中不予考虑。本次计算物理力学指标如表1所示。

在三维有限元模型中，对于围岩、主隧道、车行横通道及相关支护结构均采用SOLID45单元的块体三维实体单元进行模拟。围岩在本次计算中使用理想弹塑性本构关系，选用Drucker-Prager非线性屈服准则进行计算分析。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，主隧道纵向长度选为60 m。整个有限元模型共61 302个单元。如图1所示。

隧道施工过程分为三个阶段：阶段1主要完成米亚罗3号隧道的施工，包括主隧道开挖、初期支护和中隔壁支护;阶段2主要完成行车横通道的施工，包括横通道的开挖和初期支护;阶段3主要完成中隔壁的拆除工作，每次拆除30 m，分三次拆除所有的中隔壁。主隧道施工工序如图2和图3所示。

2 计算结果分析

2.1 交叉区域变形分析

施工过程中，围岩变形量主要为竖向变形，施工各阶段围岩变形如图4所示。

拱顶位移是围岩稳定性评价的关键指标，本文提取了不同施工阶段下主隧道及横洞沿线的拱顶位移，如图5、图6所示。

从图5可以看出：交叉区域横通道开挖对主隧道影响范围有限，大概为前后各15 m;在影响范围内，随着横通道不断开挖，主隧道拱顶位移增量逐渐减小，位移变形呈逐步收敛趋势。

从图6可以看出：横通道施工前，横通道拱顶越靠近主隧道，竖向位移越大;横通道施工后，拱顶观测点离横通道掌子面越近，竖向位移越大;拆除中隔壁对横通道沿线拱顶竖向位移影响较小。

2.2 交叉区域塑性区分析

隧道洞周围岩塑性区形态决定了围岩的破坏形式及破坏程度，对隧道施工安全性分析至关重要。本文提取了施工过程中交叉区域围岩塑性区分布形态，如图7所示。

由图7可知，交叉区域围岩塑性区分布随施工的进行产生了明显变化，具体分析如下：

（1）横通道施工前，主隧道沿线不同位置均出现不同程度的围岩塑性区，洞周围岩塑性区分布主要集中两侧拱腰位置。

（2）行车横通道开挖后，交叉区域围岩塑性区无论是分布范围还是数值大小都出现明显增大，随着横通道掌子面不断推进，围岩塑性区范围逐渐向掌子面推进方向延伸，围岩塑性区最大值出现在主隧道拱腰与横通道拱腰相交处。

（3）从整体上看，行车横通道掌子面距离交叉口10 m范围内，对交叉区域围岩塑性区分布影响较为突出（开挖11.5 m时，塑性区最大值相比开挖前增大35.73 %），因此开挖前应对横通道10 m范围内的围岩进行预加固处理，保证隧道安全施工。

2.3 交叉区域围岩应力分析

交叉区域围岩由于受反复施工扰动影响，应力状态产生多次重分布，相比单线隧道结构施工，应力分布特征更为复杂。通过提取行车横通道施工进程中各阶段交叉区域围岩第一及第三主应力，分析行车横通道施工步序与围岩应力状态分布之间的动态关系。第一主应力云图如图8所示。

根据各阶段交叉区域围岩第一主应力分布对比分析可知，横通道未开挖前，第一主应力最大值区域位于主隧道仰拱底部围岩处，横通道开挖后，第一主应力最大值区域出现在横通道仰拱底部与主隧道相交处;行车横通道施工过程中，交叉区域第一主应力分布区域不断扩大，即受拉区沿行车横通道沿线不断扩展;交叉区域围岩第一主应力最大值在横通道开挖10 m范围内时，出现跳跃变化，而后第一主应力最大值受横通道开挖影响较小。

第三主应力云图如图9所示。

根据各阶段交叉区域围岩第三主应力分布对比分析可知，横通道未开挖前，第三主应力最大值区域位于主隧道两侧拱脚处，横通道开挖后，第三主应力最大值出现在主隧道拱脚与行车横通道拱脚相交处以及横通道掌子面仰拱底部;交叉区域围岩第三主应力最大值在横通道开挖10 m范围内时，出现跳跃变化，而后随着掌子面逐渐远离交叉区域，变化趋势逐步收敛。

2.4 交叉区域衬砌结构内力分析

主隧道与横通道交叉衬砌结构构成了承载形式十分复杂的受力体系，衬砌结构不再是单一轴向受力，而是部分弯曲受力的复杂应力状态。本次分析选取距离交叉口7 m处的主隧道衬砌结构断面，如图10所示，衬砌内力图如图11所示。

通过对比横通道施工前后，主隧道轴力、弯矩及安全系数变化情况，可知：

（1）在主隧道贯通后，由于采用侧壁导坑法施工，先行洞一侧衬砌结构内力略大于另一侧;由于主隧道采用扁平大断面结构型式，结构整体轴力、弯矩都较大，轴力、弯矩最大值出现在拱腰及拱脚等位置，安全系数最小值出现在拱脚位置，均满足规范对结构的安全要求。

（2）横通道施工后，衬砌结构整体内力值有不同程度地增加，而横通道施工一侧由于破坏了原有衬砌结构的“成环效应”，内力值增长幅度明显高于相对侧，造成主隧道衬砌结构产生了明显偏压，弯矩及轴力最大值均出现在横通道开挖一侧的拱腰位置处，衬砌结构各截面安全系数均有不同程度的降低，横通道开挖一侧的拱腰及拱脚处为最危险截面，其安全系数接近规范所规定的极限值，说明横通道施工使主隧道衬砌结构内力产生了极为不利的分布形式，这种现象在交叉口势必更为明显，因此在横洞进洞前应对洞口附近围岩采取有效的加固措施并有必要采用一定的超前预加固措施，以保证进洞安全。

3 结论

本文采用ANSYS对四川汶马高速公路米亚罗3号隧道2#行车横通道与主洞交叉段施工过程进行了模拟和分析，主要结论如下：

（1）交叉区域横通道开挖对主隧道影响范围大概为前后各15 m，在影响范围内，随着横通道不断开挖，主隧道拱顶位移增量逐渐减小，位移变形呈逐步收敛趋势。

（2）横通道施工前，主隧道洞周围岩塑性区分布主要集中两侧拱腰位置，横通道开挖后，随着横通道掌子面不断推进，围岩塑性区范围逐渐向掌子面推进方向延伸，围岩塑性区最大值出现在主隧道拱腰與横通道拱腰相交处。

（3）交叉区域围岩第一主应力最大值在横通道开挖10 m范围内时，出现跳跃变化，而后第一主应力最大值受横通道开挖影响较小，第三主应力最大值出现在主隧道拱脚与行车横通道拱脚相交处以及横通道掌子面仰拱底部。

（4）横通道施工破坏了主隧道原有衬砌结构的“成环效应”，衬砌内力值增长幅度明显高于相对侧，产生了明显的偏压现象，使主隧道衬砌结构内力产生了极为不利的分布形式。

参考文献

[1] 张俊.公路隧道与辅助通道交叉结构稳定性分析[J].路基工程，2018（6）：167-171.

[2] 张建宇，邵刚，谢继安，黄林.重庆轨道交通某区间隧道与施工通道交叉段施工力学研究[J].公路交通技术，2018，34（5）：87-91.

[3] 姜雪峰. 地铁交叉隧道施工围岩变形及稳定性研究[D].大连：大连交通大学，2018.

[4] 史彦文，曹校勇，韩常领.大断面公路隧道主洞与车行横洞交叉口数值模拟分析[J].中外公路，2009，29（4）：405-409.

[5] 刘山洪，陈寅春，李刚.车行横洞与隧道主洞交叉段局部失稳数值分析[J].重庆交通大学学报：自然科学版，2011，30（2）：217-220.