隧道地下風機房交叉結構施工過程穩定性研究

梁橋欣，鄭明輝，張志強，何本國

(1.中鐵交通投資集團，廣西南寧530000;2.西南交通大學，四川成都610031)

隧道地下風機房交叉結構施工過程穩定性研究

梁橋欣1，鄭明輝1，張志強2，何本國2

(1.中鐵交通投資集團，廣西南寧530000;2.西南交通大學，四川成都610031)

針對風機房地下洞群結構的復雜性，選取包含風機房主體洞室的結構單元，建立三維數值模型，采用有限元法，研究地下風機房施工過程中的圍巖位移、初支結構與圍巖間的相互作用力以及支護結構的受力情況。結果表明:風機房采用全斷面施工時，能較早使支護結構閉合，減小圍巖的變形，但相對于臺階法施工，圍巖的應力釋放少，支護結構與圍巖間的接觸應力、支護結構的內力都較大;風機房支護結構與圍巖間的接觸應力呈對稱分布，拱頂至拱腳接觸應力逐漸增大;拱腳至墻腳中部接觸應力逐漸減小;墻腳中部至墻腳底部接觸應力逐漸增大。

隧道 地下風機房 交叉結構 施工力學 穩定性

特長鐵路、公路隧道地下風機房一般與送風道、排風道、檢修通道、逃生通道等許多洞室相連。施工過程、工序較為復雜，圍巖受到多次擾動，各洞室在開挖過程中相互影響，開挖難度大，在開挖過程中具有明顯的時間及三維空間效應，支護結構與圍巖間的接觸應力、支護結構的內力分布規律不明確［1-5］，特別是支護結構關鍵部位的安全性難以保證［6-7］。風機房的受力過程與力學行為直接關系到隧道結構的安全性，如果設計不當，極易引起整體隧道結構的失穩，并且給交通隧道的運營階段帶來潛在的風險［8］。

本文通過有限元分析方法，研究地下風機房施工過程中的圍巖位移、初支結構與圍巖間的相互作用力以及支護結構的受力情況，為設計、施工提供依據。

1 工程概況

工程項目為已修建完成的云山隧道地下風機房，主要包括聯絡送風道、聯絡排風道、地下風機房以及檢修通道等。相關參數:風機房跨度9.2 m，高13.0 m，初支為厚10 cm的C25噴射混凝土，二襯為厚35 cm的C30混凝土;送風道跨度D1為5 m，高4.2 m，排風道跨度D2為7.1 m，高6.3 m，送風道與排風道中心線相距39.8 m，初支均為厚18 cm的C25噴射混凝土，二襯均為厚18 cm的C30混凝土。相關的斷面尺寸及襯砌如圖1、圖2所示。

圖1 地下風機房

2 三維有限元數值模擬

2.1 三維有限元計算模型的建立

風機房主體部分實際埋深均＞100 m，屬于深埋隧道，綜合考慮計算精度、計算機的性能，為避免模型的邊界效應，模型埋深(Z向)取35 m，地下風機房主洞方向(Y向)取90 m，送、排風道方向(X向)取65 m。本次三維有限元計算模型均采用三維實體單元，圍巖材料采用摩爾—庫倫本構關系，支護結構采用混凝土本構關系，共131 710單元，126 632節點。三維有限元計算模型、交叉部接觸面情況如圖3、圖4所示。

圖2 聯絡送風道、聯絡排風道橫斷面示意(單位:mm)

圖3 三維有限元計算模型

圖4 交叉部接觸面示意

2.2 數值計算參數及工況設置

開挖過程中，支護結構施作均滯后掌子面3 m。圍巖、初期支護物理力學指標、工況設置如表1～表3所示。開挖工序為送風道、排風道→風機房。

表1 Ⅲ級圍巖物理力學指標

表2 初期支護物理力學指標

表3 計算工況

3 計算結果與分析

3.1 圍巖與風機房位移

風機房開挖過程中最重要的就是適時施作支護結構，將圍巖的位移控制在規定的范圍內，防止由于圍巖位移超過規定數值而引起塌方等。風機房主隧道開挖結束后，圍巖位移如表4、圖5所示，風機房初期支護位移如圖6所示。

表4 不同工況下圍巖位移統計mm

圖5 兩種工況下圍巖Z向位移云圖(單位:m)

由圖5和圖6可知:

1)風機房采用臺階法施工時，拱頂、仰拱最大相對位移相對全斷面施工增加約30%。主是由于全斷面施工時支護結構的閉合時間早于臺階法，能較早地支護圍巖，控制圍巖位移變形。

2)風機房的拱頂沉降量、仰拱隆起量均在送風道、排風道中心線附近出現極值。拱頂沉降量極值距送風道、排風道中心線距離分別為0～0.7D1(圖6中送風道中心線距離風機房左端22.5 m處，拱頂沉降量極值出現在距離風機房左端22.5～26.2 m處)、1.0D2～1.3D2(圖6中排風道中心線距離風機房左端68.0 m處，拱頂沉降量極值出現在距離風機房左端58.9～61.1 m處)。仰拱隆起量極值距送風道、排風道中心線距離分別為0.6D1～0.8D1(仰拱隆起量極值出現在距離風機房左端25.7～26.6 m處)、0.5D2(仰拱隆起量極值出現在距離風機房左端64.3 m處)。

3.2 圍巖與初支的接觸應力

圍巖與初支結構間的作用力是支護結構受力變形的根本原因，掌握其分布規律及施工過程中的變化情況，能為風機房的設計、施工提供依據。工況1、工況2下風機房初支結構與圍巖間的接觸應力統計如表5、圖7所示(斷面1、斷面2位置參見圖4)。

圖6 工況2下風機房初期支護Z向位移變化曲線

表5 風機房洞周接觸應力

圖7 工況1下風機房洞周接觸應力分布

由圖7和表5可知:

1)風機房支護結構與圍巖間的接觸應力呈對稱分布，拱頂接觸應力最小，拱頂至拱腳接觸應力逐漸增大，在拱腳達到最大;拱腳至墻腳中部，接觸應力逐漸減小，在墻腳中部達到最小;墻腳中部至墻腳底部，接觸應力逐漸增大，在墻腳位置達到最大。

2)臺階法開挖時，送風道支護結構與圍巖間的接觸應力相對全斷面開挖減小約35%。臺階法開始時，支護結構閉合時間較晚，產生的位移較大，應力釋放較多，而排風道附近由于受到圍巖的約束作用，不同開挖方法對支護結構與圍巖間的接觸應力影響不大。

3.3 結構內力

支護結構的內力是圍巖對其作用力的反映，是評價支護結構是否安全的重要依據，根據以上對位移、接觸應力的分析，選取受施工方法影響較大的斷面1作為風機房支護結構內力分析斷面，如圖8、表6所示。

圖8 交叉部位風機房初期支護內力(軸力:kN，彎矩:kN·m)

表6 各工況下初期支護結構內力

由圖8和表6可知:

1)風機房支護結構全截面受壓，墻腳軸力最大，拱頂軸力最小，全斷面法開挖情況下的軸力最大值與臺階法相比增大11%。

2)風機房支護結構除拱腳外部受拉外，其余部位均是內部受拉，彎矩最大值出現在拱腳附近。

4 結論

1)風機房采用全斷面施工時，能較早使支護結構閉合，減小圍巖的變形，但相對于臺階法施工，圍巖的應力釋放少，支護結構與圍巖間的接觸應力、支護結構的內力都較大。

2)風機房支護結構與圍巖間的接觸應力呈對稱分布，拱頂至拱腳接觸應力逐漸增大;拱腳至墻腳中部接觸應力逐漸減小;墻腳中部至墻腳底部接觸應力逐漸增大。

3)風機房支護結構全截面受壓，墻腳軸力最大，拱頂軸力最小，除拱腳外部受拉外，其余部位均是內部受拉，彎矩最大值出現在拱腳附近。

［1］胡磊，王志杰，何明磊，等.隧道鋼纖維混凝土單層襯砌模型試驗及數值模擬［J］.鐵道建筑，2014(6):72-74.

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Study on stability in construction process for junction structure of ventilator room in tunnel

LIANG Qiaoxin1，ZHENG Minghui1，ZHANG Zhiqiang2，HE Benguo2
(1.China Railway Communications Investment Group Co.，Ltd.，Nanning Guangxi 530000，China; 2.School of Civil Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031，China)

For the structure complexity of wind ventilator room underground tunnel group，the three-dimensional numerical model was created by selecting the structure element of the ventilator room main chamber and using finite element method，and surrounding rock displacement，initial support structure，the interaction force among the surrounding rocks and the inner force of the support structure during the construction process of underground ventilator room were studied.Results showed that the whole section construction of the ventilator room will make the support structure close earlier and reduce the surrounding rock deformation，which leads to the fact that the stress release of surrounding rock is little，the contact stress between the support structure and the surrounding rock，and the internal force of support structure are relatively large with respect to step method construction，ventilator room support structure and contact stress among the surrounding rocks has the symmetric distribution，contact stress gradually increases from the vault to arch springing，gradually decreases from arch springing to middle of foundation，and gradually increases from middle of foundation to bottom of foundation.

T unnel;Ventilator room;Junction structure;Construction mechanics;Stability

U455

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.12.14

1003-1995(2015)12-0050-04

(責任審編葛全紅)

2015-01-20;

2015-07-20

國家自然科學基金項目(51478396)

梁橋欣(1987—)，男，助理工程師，工學碩士。