空间交叉地下洞室开挖响应分析及施工优化研究

2024-06-04杨加勇白琚宋佶林

四川建筑 2024年2期

杨加勇白琚宋佶林

摘要：针对空间交叉洞室，建立了开挖三维数值模型，通过模拟其开挖过程，对围岩的位移、塑性区变化规律、支护结构位移和内力进行了研究。结果表明：（1）施工扰动对围岩稳定性影响的范围主要集中在1倍洞径之内，超过了1倍洞径后影响减弱；（2）左右施工通道开挖的过程中，宜向交叉部围岩施作锚杆。锚杆长度宜取大于1.5倍主通道洞径，使其穿越塑性区围岩，以加强围岩的稳定性；（3）为了保证支护结构的安全及耐久性，钢支撑设置的间距应不大于0.6 m/榀。

关键词：交叉洞室；围岩稳定性；数值模拟；围岩塑性区；支护结构

中图分类号：U452.2+6文献标志码：A

0引言

相对于单洞隧道，交叉结构隧道施工力学复杂、空间效应明显、断面大小不一，这将引起交叉段的应力集中、变形过大的问题，因此有必要建立交叉结构的三维立体模型，研究隧道交叉连接段的动态施工力学行为，为实际工程提供参考。

有诸多学者对交叉结构展开研究，刘宁等［1］以贵阳某人防扩建工程为例，结合理论推导和数值模拟，研究了非等断面交叉洞室的围岩应力变化规律。赵金帅等［2］对交叉洞室巖体受到开挖扰动后的微震事件破裂机制进行反演和归纳，为地下交叉洞室的开挖、支护提供了参考。高继锦等［3］分析了交叉隧道在地面堆载影响下的沉降变形规律，并通过模型试验和三维有限元分析的结果验证了该方法的可行性。郑德湘等［4］采用三维非线性有限元法，研究了软岩地质条件下交叉洞室的开挖顺序对围岩稳定性的影响。吕高峰等［5］对北京地铁14号线蒲黄榆站交叉洞室群的施工力学行为进行分析研究，验证了该施工方法的可行性。吴家冠等［6］研究了交叉洞室开挖及支护过程中围岩应力的分布规律。刘志强等［7］研究了空间交叉隧道开挖卸荷后的整体位移趋势，提出了现有隧道拱顶加固措施并验证了其可行性。陈二平［8］针对交叉洞室衬砌在施工过程中易发生坍塌的问题，提除了新的施工方法，有效控制了围岩的扰动。赵俞成等［9］基于砂土亚塑性本构模型，研究了施工顺序对交叉隧道的影响以及既有隧道附近土体的应力传递机理。

综上，现有研究多集中在连接性交叉结构，鲜有断面扩挖形成的空间交叉洞室的相关研究。本文基于FLAC3D，建立了空间交叉洞室的三维数值模型，通过模拟其开挖过程，研究了围岩的位移、塑性区变化规律、支护结构位移和内力，同时通过钢拱架等效得到初支安全系数，为地下空间交叉隧道工程提供了参考。

1工程概况

本文以某工程的地下交叉洞室结构为依托。该工程穿越地层围岩等级为V级，以中风化泥岩和强风化泥岩为主。其中，强风化泥岩主要呈现紫红—暗红色，薄层状构造，风化裂隙发育。中风化泥岩主要为薄—中厚层状构造，局部裂隙发育，局部含一定砂泥质及钙质胶结，其中部分变相为砂质泥岩。岩体结构较完整—较破碎，构造层理清晰。

在该洞室结构施工时，由于主通道与洞室断面尺寸相差较大，故选择在主通道的左、右两侧开挖临时施工通道，其断面位置分布如图1所示。由于左侧施工通道向右上方开挖，右侧施工通道向左上方开挖，因此主通道与左、右两侧临时施工通道会形成一个空间的交叉洞室结构。

2数值模型

施工通道在主通道上方左、右两侧共两条，断面大小一致，通道均采用全断面开挖模拟的方法。考虑最不利的情况，建立该空间交叉洞室的三维数值模型。材料参数根据实测值进行选取。其中，地层参数为V级围岩，其参数如表1所示。

1.00.30270.20.320初期支护选用24 cm厚的C25喷射混凝土，弹性模量为28 GPa，泊松比0.2，容重22 kN/m3。钢支撑采用Q345-B，钢架类型为I18。计算时围岩、初期支护均采用FLAC 3D中六面体实体单元进行模拟。计算模型边界条件设置为：沿隧道轴线方向自起点和终点至模型两边取20 m，空间交叉洞室段埋深80 m，四周施加水平方向的位移约束，底部边界施加垂直方向的位移约束，顶部为自由表面，不进行约束。根据隧道尺寸及边界条件建立计算模型并确定位移监测点见图2、图3。

3计算结果分析

3.1围岩位移变化和塑性区分布

考虑数值模拟过程中模型存在边界效应影响，本文选取通道入口沿开挖方向4 m处为控制断面，控制断面的位移及塑性区响应判断交叉洞室在不同工作步下的开挖影响。提取主通道和两个施工通道的围岩位移变形云图（图4）。

为模拟隧道开挖后的应力释放过程，每开挖1 m进行一次平衡计算，在每次计算结束后提取各监测点的位移，得到主通道拱顶和左、右侧围岩的沉降曲线见图5，主通道顶部不同洞径范围的位移曲线见图6。

从图5可以看出，主通道附近的围岩在三次开挖扰动的过程中沉降逐渐变大，由于左侧通道早于右侧开挖，因此右侧施工通道开挖时，主通道左侧围岩的沉降值明显大于右侧。根据曲线可看出在该施工过程中存在两个关键步：

（1）左侧施工通道开挖至6 m后，主通道左侧附近围岩沉降突然增加。主要原因是随着开挖的进行，洞室临空面的面积逐渐增加，削弱了围岩自稳的能力。

（2）右侧施工通道开挖至6 m后，主通道拱顶附近围岩沉降突然增加。主要原因是主通道拱顶附近围岩受到了两次洞室开挖对其造成的扰动影响，两次扰动影响相互叠加，减弱了围岩的稳定性，且这种叠加的影响远大于开挖过程中临空面增加对围岩自稳能力削弱的影响。

上述两个关键步建议在局部加强对通道附近围岩的支护措施，达到增加围岩稳定性和围岩自身承载能力的效果。

从图6可以看出，在左、右两侧施工通道和主通道的反复扰动下，1倍主通道洞径范围内的围岩沉降较大。大于1倍洞径后，围岩的沉降基本没有太大的变化。因此在施工的过程中，需要对1倍洞径范围内的围岩进行加固，增加围岩的稳定性，确保围岩在反复施工扰动下不会发生失稳的现象。为综合评价围岩稳定性，提取围岩塑性区分布见图7。为量化研究塑性区结果，通过编写遍历循环代码，提取模型塑性区体积见图8。

从图7、图8看出，左、右施工通道开挖后，围岩出现较大的塑性区，且塑性区主要集中在通道交叉部的围岩，此时通道交叉部附近的围岩此时已经进入了屈服狀态。出于对主通道永久结构保护的考虑，建议在左、右施工通道开挖的过程中向交叉部围岩施作锚杆以加强围岩的稳定性，锚杆长度建议大于1.5倍主通道洞径，使其穿越塑性区围岩。

3.2支护结构位移和内力分析

3.2.1位移分析

提取通道入口沿开挖方向4 m处控制断面的位移数据，绘制主通道支护结构位移曲线如图9所示。

由图9可知，支护结构的竖向位移近18 mm，说明在左、右施工通道扰动后，主通道附近围岩变形较大、稳定性较差，导致主通道的支护结构所受应力较大，易产生较大位移，因此在主通道施工过程中需对围岩加固，增加安全性。

3.2.2内力分析

支护结构的内力及安全评价是衡量施工效果的手段，由于模型中的三维实体单元无法轻易得到内力，故需对支护结构单元的节点力积分，可得其轴力和弯矩分布见图10。

由图10可知，支护结构的直墙部分内侧受拉，拱部外侧受拉，是由于结构埋深较大，水平力大于竖向力，墙和拱部的交界处为内力反弯点，此处安全系数也较低，且支护结构拱部钢支撑的应力值较大，这两处位置是支护结构的危险部位，在施工中需要注意加强该处支护的刚度或加固周围围岩以保证支护安全性，并且在浇筑二次衬砌时需要对受力纵筋的配筋方式进行调整。此外，由于初期支护多由钢拱架承受围岩压力，在此考虑最不利工况，即钢架承受所有荷载，基于此对钢架安全性进行评价并对钢架间距进行优化见表2。

根据表2，当钢支撑间距设置为0.8 m时，钢支撑安全系数不足2.4，在拱部甚至只为1.70；当间距为0.6 m时，安全系数为2.27～2.72，已基本满足安全要求，预留安全空间较多；当间距为0.5 m时，支护安全系数最大可达3.36。

综上所述，可以将钢支撑间距的设计值设置为0.6 m，但出于对初期支护耐久性的考虑，建议将钢支撑间距的设计值设置为0.5 m。同时结合新奥法理论，需要在主通道开挖的过程中加强对周围岩体的加固措施，提高洞周围岩的刚度使其承担更多的荷载，能减少支护承担的荷载，保证施工安全。

4结论

本文利用FLAC3D有限差分软件对某施工通道开挖的过程进行数值模拟，从围岩位移和塑性区的变化以及主通道支护结构受力情况进行分析后得出结论：

（1）临时施工通道与主通道间的围岩在施工期间经历了三次扰动，反复施工扰动对围岩稳定性影响的范围主要在1倍洞径之内，超过1倍洞径后影响减弱，且开挖中存在两个两个关键步，需在这两个关键步施工位置进行围岩加强。

（2）随左、右两侧临时施工通道开挖的进行，交叉部附近的围岩塑性区会逐渐增大。建议在左右施工通道开挖的过程中向交叉部围岩施作锚杆以加强围岩的稳定性，锚杆长度建议大于1.5倍主通道洞径，使其穿越塑性区围岩。

（3）出于安全性及耐久性的考虑，主通道初期支护中的钢支撑间距设置应不小于0.6 m/榀，同时在二次衬砌浇筑过程中需调整受力纵筋的布设位置。

参考文献

［1］刘宁，黄义雄，蔡炜，等.非等断面交叉洞室三角区围岩应力集中理论研究［J］.隧道建设（中英文），2021，41（5）：781-788.

［2］赵金帅，裴书锋，徐进鹏，等.开挖扰动下地下交叉洞室错动带岩体微震演化规律［J］.岩土力学，2020，41（11）：3789-3796+3822.

［3］高继锦，黄彪，张威，等.地面堆载条件下交叉穿越隧道的竖向位移计算方法研究［J］.隧道建设（中英文），2018，38（5）：818-823.

［4］郑德湘，苏超.软岩地质条件下大型地下洞室群交叉洞口开挖方案优化［J］.水力发电，2018，44（5）：61-64+68.