水封气库巷道连接交叉处稳定性数值模拟研究★

李 赛,孙 健,张 洪,刘和艺

(1.青岛理工大学理学院，山东 青岛 266033； 2.中石油华东设计院有限公司，山东 青岛 266071； 3.北京东方新星勘察设计有限公司，北京 100070； 4.青岛理工大学土木工程学院，山东 青岛 266033)

隧洞交叉段的施工，受力结构复杂，相互影响较大，对开挖方法、交叉处岩体加固方式等方面存在较大困难。目前国内对交叉隧道的数值计算研究较少，对地下水封气库交叉段的数值模拟研究更是鲜有报道。

杨林德等[1]通过建立三维有限元计算模型，采用弹塑性模型对龙滩水电站主支洞交叉处岩体稳定性进行分析，发现主支洞交叉处的岩体是应力松弛和塑性区的主要分布区域。游步上等[2]利用参数分析的方式探讨了隧道交叉段开挖期间交叉段围岩变形行为，得出隧洞交叉段变形机制。颜勤[3]对不同角度相交隧道交叉进行模拟研究，得出交叉洞室在开挖过程中的应力变化规律和相互影响范围。刘金朋[4]对交叉隧道衬砌及围岩开挖变形行为进行研究，为实际工程提供了参考经验。刘凯等[5]采用FLAC3D数值模拟软件，对交叉隧洞围岩变形进行模拟分析，得到了交叉隧洞开挖后围岩应力、位移规律。高鲁[6]对影响交叉巷道围岩稳定性不同因素进行分析，得出Y型交叉巷道是交叉巷道中稳定性最好的方式。朱正国等[7]通过研究常规爆破方式爆破对立体交叉隧道的动力响应规律，确定了安全震速标准以及不同影响程度的安全范围。高媛[8]针对辽宁某地下水封洞库竖井与洞室交叉处的稳定性进行分析，对其支护、监测提出了建议。赵跃堂等[9]通过数值模拟的方法研究了等跨正交洞室在冲击荷载作用下的动力响应。雷浩等[10]通过大型振动台试验，探究了立体交叉隧道在地震荷载作用下的动力响应，为立体交叉隧道的抗震设计提供理论参考。

本文以某地下水封洞库工程为背景，通过数值模拟软件3DEC对洞库巷道交叉位置进行数值模拟，对其所处围岩条件、开挖方式、支护方式三个方面进行分析，得出围岩应力分步及变形规律、支护结构空间变形特征，为现场顺利施工提供可靠理论依据。

1 数值模拟方案

根据岩石力学相关原理，在地下结构工程施工过程中，由于施工扰动，地层由地应力平衡状态发生应力释放，而地应力发生变化的区域大小为施工区域的3倍～5倍，因此在模拟中采用的计算模型为开挖区域的3倍。巷道1与巷道2相互垂直，中心相交，巷道1为宽8 m，高7 m的拱形巷道，巷道2为宽7 m，高6 m的拱形巷道,以巷道1底板上表面中心点为(0，0，0)点，洞顶应距离地面130 m，模型洞顶距模型上方30 m，模拟过程中将上方100 m重力以均布荷载形式施加于模型顶部。计算模型不同的边界采用不同的约束条件：计算模型的上部边界为自由面；计算模型下部边界为位移约束边界，约束模型的X，Y，Z三向的位移；左右两侧边界约束模型的前后与左右边界；前后两侧边界约束模型的前后与左右边界。具体开挖顺序见图1，围岩力学参数见表1。

表1 不同围岩等级岩体物理力学参数

1.1 计算方案选取

为探究巷道交叉连接位置开挖过程中围岩稳定性，特选取围岩等级、开挖方式、支护方式三个角度对模型进行分析，具体方案见表2。

表2 计算方案设计

1.2 位移监测点分布

为清晰地观测开挖过程中岩体位移的变化规律，本模型中加入位移监测点见图2，其中巷道1中点顶部位置为监测点1～3；底板位置为监测点4～6；巷道2底板位置为监测点7～9；巷道交叉连接处分别布置监测点10～12。

2 开挖方式对洞室交叉连接处围岩稳定性分析

2.1 围岩变形特征

图3给出不同围岩等级巷道交叉部位开挖方式对围岩变形的影响对比。从图3中可以看出，巷道1底板出现明显隆起，随着围岩等级降低，底板隆起量也有明显增大趋势，由1.55 mm增大到10.9 mm，增大了一个数量级；顶板及交叉连接部位出现沉降，沉降最大位置出现在洞室交叉位置，随着围岩等级降低，交叉位置沉降量明显增大，由0.6 mm增大到6.85 mm。当改变开挖方式由一次性开挖改变为分步开挖后，底板隆起及交叉部位沉降有明显降低，底板隆起最大降低1.59 mm，降幅14.59%，交叉部位沉降最大降低0.76 mm，降幅11.09%。最大降幅都出现在E类围岩等级，在A类、B类围岩等级效果并不明显。为进一步对比不同开挖方式对围岩变形影响规律，对监测点进行了位移监测，具体记录曲线如图4所示。

图4为不同开挖方式监测点1～12位移变化。从图4可以看出，当围岩等级为C类围岩时，各监测点位移出现陡升、陡降现象。从整体来看，分步开挖方式能有效改善围岩变形量，在C类围岩及以下等级更为明显。由于分步开挖使岩体开挖卸荷作用减弱，使各监测点位移在C类围岩以下降幅明显增加。

2.2 应力场变化特征

图5给出不同围岩等级巷道交叉部位开挖方式对围岩应力的影响对比。从图5中可以看出，在巷道临空面出现大量的主压应力，随着围岩等级的降低，开挖位置附近最大主压应力呈增大趋势。在改变开挖方式由一次性开挖变成分步开挖后，巷道临空面位置压应力有明显改善。

2.3 最大剪应变增量特征分析

图6给出不同围岩等级巷道交叉部位开挖方式对围岩变形的影响对比。从图6中可以看出，剪应变增量最大位置在巷道交叉位置以及巷道1的拱顶及底板位置。其中巷道1拱顶位置剪应变增量数值最大，为2.81×10-2(方案13)，并向交叉部位延伸贯通，形成潜在破坏区。随着围岩等级的降低，最大剪应变增量数值增大，剪应变影响面积增大。

当改变开挖方式由一次性开挖改变为分步开挖后，剪应变增量明显改善，由2.81×10-2降低为2.54×10-2，降幅9.61%；剪应变增量影响面积也由巷道1拱顶延伸到交叉位置缩小为仅在交叉部位出现较大剪应变增量。

3 支护方式对洞室交叉连接处围岩稳定性分析

3.1 围岩变形特征

图7为不同围岩等级开挖支护后围岩变形对比云图。从图7中可以看出，在开挖施加支护后，围岩变形量有明显降低，A类围岩～E类围岩底板隆起分别减少0.07 mm，0.02 mm，0.01 mm，1.03 mm，2.95 mm；交叉部位沉降量分别减少0.02 mm，0.08 mm，0.23 mm，1.29 mm，2.92 mm。支护结构对交叉部位岩体沉降变形量的抑制作用大于对底板隆起量的抑制作用。

为进一步说明支护结构对围岩变形的影响作用，取监测点1～12对其位移进行监测分析，监测结果如图8所示。

从监测点位移监测曲线可以看出，在增加支护结构后，各监测点位移有明显改善，在D，E类围岩效果尤为明显。由于添加了衬砌、锚杆等支护结构，改善了岩体受力情况，减小了交叉部位围岩变形，说明当前支护结构对减小围岩变形方面是可行有效的。

3.2 应力场变化特征

图9给出在增加支护结构后交叉部位围岩应力对比云图。从图9中可以看出，在增加支护结构后，围岩应力状态有明显改善，交叉部位最大主压应力有明显降低，在E类围岩交叉部分最大降低了2 MPa左右，说明支护结构对围岩应力状态改善有显著作用。

3.3 最大剪应变增量特征分析

图10给出不同围岩等级巷道交叉部位不同支护方式对围岩变形的影响对比。在增加支护后，剪应变增量数值明显改善，由2.54×10-2降低为1.93×10-2，降幅24.01%；最大剪应变增量数值均匀分布在交叉巷道附近，交叉位置仅有少量区域出现剪应变增量值过大现象。支护后剪应变增量最大区域应注意局部加固。

3.4 支护结构变形特征

图11为衬砌结构与锚杆变形云图。从图11中可以看出，衬砌与锚杆在洞室交叉部位呈现沉降变形，在底部呈现隆起变形，与围岩变形相协调。衬砌结构在洞室交叉部分出现最大沉降变形，随着岩体等级的降低，衬砌结构沉降变形范围逐渐增大；锚杆结构呈现正向变形，锚杆的部分形变减小了岩体的变形，有效改善岩体变形量。

4 结语

1)交叉巷道在A，B类工况下，潜在危险区域多处于巷道拱底、拱顶与巷道交接部位的局部；而在C，D，E工况下交接部位则更加危险，交叉部位与施工巷道拱肩逐渐形成贯通破坏区域。

2)当前交叉巷道一次性开挖情况下，D，E类工况的围岩自稳能力较差，施工过程中需要注意加强相关工况的支护措施；当改变为分步开挖方式后，可以有效改善C类围岩及以下围岩变形量、最大主应力以及最大剪应变增量，而在A，B类围岩变形优化效果并不明显。

3)增加支护结构后，可以有效减小围岩变形，改善围岩应力状态，缩小剪应变增量影响范围。当前不同工况下的支护设计，基本可以保持巷道的围岩稳定。