地下洞群受力特征及圍巖變形特征分析

張 俊

(山西交通控股集團朔州高速公路分公司， 山西太原 030012)

近年來，隨著國民經濟的迅猛發展，特長公路隧道的規模和數量也在日益增多。為滿足營運通風、逃生救災要求以及加快施工進度，在特長公路隧道修建中會出現大量的斜豎井、風機房和聯絡風道等輔助通道，輔助通道已成為特長公路隧道施工、運營中最為關鍵的部分。其中地下風機房具有斷面多、跨度大、結構復雜、洞室交叉多、群洞效應明顯等特點，需要在設計及施工中重點考慮。[1-4]。

本文以云山隧道3#風機房的配電室與主洞交叉結構為研究對象，對主洞和配電室形成的典型交叉結構展開施工力學行為分析，以期保證圍巖及支護結構的穩定性，為類似工程建設提供一定的理論及技術保障[5-6]。

1 隧道工程概況

云山隧道位于左權縣城東北5 km處，橫穿太行山脈西翼的陽曲山東南延，設計為分離式隧道，長11.387 km。該隧道圍巖軟弱、隧道埋深大，部分地段涌水量多，與康家樓隧道一起， 構成和榆高速二期工程的控制性工程。其3#風機房位于巖體較較完整，構造條件較為簡單的單斜地層[7-8]。

2 數值模擬分析

2.1 數值計算模型建立

由于云山隧道3#風機房實際情況為深埋，考慮計算機的計算能力以及模型的邊界效應，埋深取35 m，沿地下風機房主洞方向(y)模型90 m，沿聯絡風道方向(x)模型65 m，圍巖、支護均采用三維實體單元進行模擬，其中圍巖材料采用摩爾-庫倫材料，支護采用混凝土材料。整個模型共131 710個單元，126 632個節點。風機房模型分析基本網格、隧道交叉三維模型支護以及接觸面情況如圖1所示。

圖1 隧道局部交叉三維模型

2.2 模型參數選取

云山隧道3#風機房三維數值模型計算參數見表1和表2。

3 計算結果分析

3.1 變形研究

對比圖2和圖3可知，對風機房開挖結束后的Z向位移情況為：

表1 初期支護計算力學參數

表2 二次襯砌支護結構參數表

圖2 風機房拱頂Z-displacement路徑曲線

圖3 風機房底部Z-displacement路徑曲線

(1)Ⅲ級圍巖情況下，由于圍巖較好，各工況下的最大豎向位移均較小，隧道底部、拱頂的相對位移均小于5 mm。

(2)圍巖最大變形量出現在排風道與風機房交叉部位，拱頂最大沉降及仰拱最大變形出現在排風道中心軸左側附近位置，主要是由于在排風道與風機房交叉部位的右側，有圍巖的約束作用。

(3)圍巖變形量在排風道、送風道位置達到峰值，排風道、送風道中間部位及兩側部位的圍巖變形量均逐漸減小。

3.2 圍巖與支護結構的接觸應力

計算結果見圖4、圖5。

圖4 送風道、排風道洞周接觸應力

圖5 交叉部位風機房洞周接觸應力

如圖4、圖5所示，在工況1下，對風機房開挖結束后支護結構與圍巖間的接觸應力的對比分析可知：

(1)送風道、排風道、風機房支護結構與圍巖間的洞周接觸應力，大致呈對稱分布，拱頂、拱墻中部的接觸應力最小，而最大接觸應力出現在隧道的墻腳部位，主要是由于直墻式支護結構中未設置仰拱，底部結構剛度較小，較為薄弱，送風道、排風道以及風機房開挖以后，圍巖壓力向支護結構薄弱部位轉移所引起；

(2)送風道、排風道、風機房支護結構與圍巖的洞周接觸應力分布規律為：拱頂至拱腳，接觸應力逐漸增大，在拱腳位置達到極大值；拱腳至墻腳中部，接觸應力逐漸減小，在墻腳中部達到極小值；墻腳中部至墻腳，接觸應力逐漸增大，在墻腳位置達到最大值；

(3)送風道、排風道支護結構的洞周接觸應力最大值(墻腳)是最小值(拱頂)的4倍，而風機房支護結構的洞周接觸應力的最大值(墻腳)是最小值(直墻中部)的10倍，主要是由于風機房相對送風道、排風道而言高度較大，且直墻結構的受力性能不佳，導致接觸應力在墻腳部位應力集中。

3.3 結構內力特征分析

將通過計算得到的應力進行分析(表3)，得到風機房開挖結束后排風道，風機房的彎矩、軸力與安全系數(圖6、圖7)。

表3 斜井初期支護結構內力計算結果

圖6 排風道初支安全系數

圖7 風機房初支安全系數

對以上數據進行分析研究可知：

(1)風機房開挖結束后，排風道、風機房初支全截面受壓，排風道初支軸力最大值出現在拱腳附近，分別為814 kN、699 kN，風機房初支最大軸力出現在墻腳附近，分別為625 kN、614 kN。

(2)風機房開挖結束后，排風道、風機房初支結構拱頂及拱墻部位內部受拉，而拱腳部位則外部受拉，排風道初支彎矩最大值出現在墻腳附近，分別為2.24 kN·m、1.98 kN·m，風機房初支最大彎矩出現在拱腳附近，分別為-0.93 kN·m、3.35 kN·m。

(3)排風道安全系數最小值出現在左拱腳與左墻腳的中部，而風機房的最小安全系數出現在左墻腳位置，結構的安全系數均滿足規范的要求。

4 結論

(1)Ⅲ級圍巖情況下，由于圍巖較好，各工況下的最大豎向位移均較小，隧道底部、拱頂的相對位移均小于5 mm，風機房采用臺階法開挖相對全斷面開挖，隧道底部、拱頂相對位移量增大約30 %；圍巖最大變形量出現在排風道與風機房交叉部位。

(2)送風道、排風道、風機房支護結構與圍巖間的洞周接觸應力，大致呈對稱分布，拱頂、拱墻中部的接觸應力最小，而最大接觸應力出現在隧道的墻腳部位；支護結構與圍巖的洞周接觸應力分布規律為：拱頂至拱腳，接觸應力逐漸增大，在拱腳位置達到極大值。

(3)風機房開挖結束后，排風道、風機房初支全截面受壓，排風道初支軸力最大值出現在拱腳附近，而風機房初支最大軸力出現在墻腳附近。風機房開挖結束后，排風道、風機房初支結構拱頂及拱墻部位內部受拉，而拱腳部位則外部受拉，結構的安全系數均滿足規范的要求。