特长公路隧道交叉区域最优施工组合形式研究

2021-09-15林迪睿张志强

四川建筑 2021年4期

林迪睿张志强

【摘要】存在交叉段的特长公路隧道中，交叉区域隧道施工往往需采用特殊的施工工艺，不同的施工方法及不同加固段长度条件下，由于受到的施工扰动及衬砌刚度不同，围岩及结构所承担的围岩荷载差异较大，相应的，交叉区域内围岩位移及衬砌结构变形规律及应力分布也不尽相同。文章依托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工程，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，分析了交叉段各指标与施工工法以及加固段长度的关系，获得了针对隧道交叉结构的工法选择的数值模拟依据。

【关键词】交叉区域; 单侧壁导坑法; 三台阶七步法; 数值模拟

【中国分类号】U459.2【文献标志码】A

随着我国路网建设数量的剧增，长大深埋公路隧道越来越多。为了能在交通事故发生时及时疏散车辆及人员，减少人员财产损失，车行或人行横通道的设置便十分重要。交叉区域隧道施工往往需采用特殊的施工工艺，不同的施工方法及不同加固段长度条件下，由于受到的施工扰动及衬砌刚度不同，围岩及结构所承担的围岩荷载差异较大，相应的，交叉区域内围岩位移及衬砌结构变形规律及应力分布也不尽相同，因此要确定交叉区域内最优的施工工艺及优化参数，就需要针对不同施工方法及不同加固段长度组合形式下，交叉区域各项性能指標进行对比分析。

近年来许多学者对隧道交叉段进行了研究，张强勇等[1]利用理论分析与三维隧道模型试验，分析了分岔隧道施工后，洞周土体围岩在一般情况和超载情况的位移及受力情况、锚杆受力情况;张俊[2]利用ADINA有限元软件对比分析了不同工况的交叉段隧道施工，研究了交叉段围岩变形规律，结构的裂缝分布，围岩-衬砌接触应力分布形态;王绪等[3]利用有限元软件Midas-GTS-NX软件建立了小净距联络横通道的对称数值模型，研究了正道和横通道的各项性能指标;罗雪松[4]依托木寨岭1#施工横洞，理论分析隧道正洞与横通道交叉口的三维受力状况，研究了有交叉段的横洞开挖施工顺序。

1 公路隧道交叉区模型建立

隧道洞身围岩由T3zh地层构成，岩性主要为变质砂岩、板岩、千枚岩组成，属坚硬-软岩。T3zh地层呈薄-中层状构造，岩体较破碎，围岩呈层状碎裂结构，局部镶嵌结构;地下水以基岩孔隙裂隙水为主，呈点滴或线状出水为主;围岩稳定性较差，拱顶无支护时易坍塌，侧壁有时失去稳定，主要为V级围岩。

围岩计算参数参考现行的JTG D70-2004《公路隧道设计规范》进行取值，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此次的建模分两部分，采用两种不同的工法：单侧壁导坑法和三台阶七步法。

（1）单侧壁导坑法分3个子工序：子工序一对主隧道循环开挖，施作初期支护、施作中隔壁支护;子工序二对行车横通道全断面开挖，并施作初期支护;子工序三分多次拆除所有中隔壁。

（2）三台阶七步法分2个子工序：子工序一对主隧道预留核心土环形循环开挖，及时施作初期支护;子工序二对行车横通道全断面开挖，及时施作初期支护。

两种工法的施工工序如图2和图3所示。

2 计算结果分析

2.1 围岩位移及结构变形程度分析

针对由三台阶七步法、单侧壁导坑法两种工法及0 m、7 m、14 m三种衬砌结构加固长度组成的6种施工组合形式下围岩位移及衬砌结构变形进行分析，计算结果如图4所示。

隧道施工结束后洞周围岩变形见表2、图5。

由图5和表2可以看出，隧道施工结束后，洞周围岩变形量具有以下特征：

（1）主隧道拱肩至拱顶部分围岩产生明显位移沉降，交叉区域最大围岩位移量出现在拱顶区域，而由于行车横通道的存在，交叉区域围岩位移出现明显不对称分布，横通道一侧围岩位移量大于相对侧;仰拱部位出现鼓起现象，且鼓起最大量也出现在仰拱偏向行车横通道位置。

（2）在相同加固段长度下，三台阶七步法引起的围岩位移量略大于单侧壁导坑法，说明在交叉段区域施加临时支撑等支护方式有助于减小洞周围岩变形量。

（3）在同种施工方法下，随着隧道加固段长度增加，交叉区域洞周围岩位移量逐步减小，但减小幅度随之降低趋于收敛，对于单侧壁导坑法，采用7 m加固段长度相比未加固时位移量减小6.36 %，而采用14 m加固段长度相比未加固时减小7.75 %;对于三台阶七步法，采用7 m加固段长度相比未加固时位移量减小6.03 %，而采用14 m加固段长度相比未加固时减小7.76 %。

2.2 交叉区域围岩塑性区对比分析

交叉区域围岩塑性区分布见图6。

由图6可知，各工况下围岩塑性区分布基本相似，交叉区域塑性区较为集中，塑性区最大值出现在主隧道与行车横通道拱腰相交处，仰拱部位未出现塑性区，说明两种施工方法开挖对控制隧道开挖过程中仰拱部位的塑性变形效果较好，减小了仰拱部位围岩的受力。在相同加固段长度条件下，相比三台阶七步法采用单侧壁导坑法施工，洞周围岩塑性区范围较小;在同种施工方法下，交叉区域隧道衬砌加固段长度对洞周围岩塑性区大小有明显改善，而随着加固段长度增加，围岩塑性区改善效果逐渐降低。

2.3 隧道衬砌支护结构应力分布特征对比分析

隧道衬砌支护结构应力分布见图7。

根据不同施工组合形式下隧道交叉区域第三主应力分布特征对比分析可知：

（1）因行车横通道开挖引起侧向约束作用的减小，造成横通道侧与横通道对侧衬砌结构第三主应力分布存在明显差异，呈不对称分布，第三主应力主要集中在主隧道与行车横通道交叉口处，存在明显应力集中效应，拱腰及拱脚部位相交处，集中程度最大，距离交叉中心越远，第三主应力逐渐减小并趋于稳定;交叉口处偏压效应最为突出，此区域应采取

减小开挖步距和加强支护等措施来保证工程安全。

（2）两种施工方法第三主应力存在部分差异，采用单侧壁导坑法施工，由于采取了临时支护措施，有效控制洞周围岩塑性区范围使衬砌结构承担较小的松弛荷载和形变荷载，因而其衬砌结构第三主应力集中程度相对三台阶七步法较小。

（3）在采用同种施工方法的情况下，衬砌结构加固段长度不同，第三主应力分布也存在明显差异，由于加固段衬砌结构刚度更大，应力分布发生转移，向刚度更大的区域集中，因此随着加固段长度的增加，加固段区域内的衬砌结构承担更多的应力分布。

3 结论

本文采用ANSYS对不同工法和加固段长度的交叉隧道进行了模拟和分析，主要结论如下：

（1）因为行车横通道的存在，交叉区域的围岩变形表现出相当程度的不对称性，通过选用合适的工法，即选取单侧壁导坑法能在一定程度减小围岩变形。采用大的加固段长度亦能减小围岩变形，但从经济效益上比选，加固段长度不宜过长。

（2）随着开挖进行，两种工法出现相似的塑性區：塑性区最大值出现在两通道拱腰交叉处，而拱顶均无塑性区。随着加固段长度变长，塑性区得到改善，但改善效果逐渐变小。

（3）在通道交叉处，第三主压应力存在应力集中，在此区域的开挖应采用更小的步距和更强的支护。由于单侧壁导坑良好的约束效果，第三主应力的集中程度较小。对于不同的加固长度，由于第三主应力向刚度更大部分转移，长加固长度能更好的改善应力集中的状况。

根据以上分析，综合考虑围岩位移、围岩塑性区范围及衬砌结构应力分布特征，隧道交叉区域内采用单侧壁导坑法施工较三台阶七步法施工更为合理，同时在考虑加固段长度时，采用7 m加固段长度，能同时满足交叉区域施工安全性和工程经济性的要求。

参考文献

[1] 张强勇，李术才，李勇，等.大型分岔隧道围岩稳定与支护三维地质力学模型试验研究[J].岩石力学与工程学报，2007（S2）：4051-4059.

[2] 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.