通風橫洞與主隧道交叉口二次襯砌結構力學特性研究

劉寶超

大連市市政設計研究院有限責任公司 遼寧大連 116021

隧道橫洞通常包括車行及人行橫通道，其中車行橫洞斷面面積較大，與主線隧道成正交或斜交關系，屬于空間力學結構，受力狀態較為復雜，在交叉點的設計及施工過程中歷來都受到人們的重視，通過調整結構形式及結構補強來保證受力薄弱點的安全性。此類問題的以往分析中主要多的采用三維地層結構法進行分析，采用有限元連續介質模型分析中往往沒有真實的反應此類交叉口受力特性，本文實際工程為依托，采用更直觀的三維荷載結構法分析模型，研究交叉口受力特點以指導設計和施工[1]。

1 工程概況

大連市光明路延伸工程—隧道暗挖土建工程南洞口端通風橫洞交主隧道，整個交叉區段所處地層為中風化白云巖，上覆巖土埋深5～9m，主線隧道開挖跨度17．1m，開挖高度11．5m，通風橫洞開挖跨度11．8m，開挖高度7．5m，且橫洞底標高與主線隧道檢修道標高銜接，使得結構上緣交叉點位于主隧道拱肩接近拱頂位置，此種形式交叉對主隧道結構強度的削弱程度較大，需要結構加強處理。

2 數值模擬分析

為了更真實、直觀的反應此類隧道交叉口的空間受力特點，采用Midas-GTS NX有限元軟件對交叉口結構進行三維荷載結構法靜力分析[2]。襯砌結構采用二維板單元模擬，圍巖荷載采用面壓力加載，隧道邊墻及結構底板圍巖約束反力采用地曲面彈簧模擬。計算模型如圖1所示。

圖1 計算模型

參照規范要求選取襯砌結構參數如表1所示，地曲面彈簧抗力系數按地質勘察報告中選300Mpa/m。

表1 襯砌結構參數

3 計算結果分析

圖2為襯砌結構環向軸力計算結果，圖3為襯砌結構環向彎矩計算結果。從軸力圖中可以看出交叉口上緣區域引起主洞及橫洞的襯砌環向軸力出現受拉區，而邊墻部位發生環向軸力增大區域；從彎矩圖中可以看出主洞及橫洞拱頂位置環向襯砌彎矩方向為內側受拉的區域增大，數值增幅達到40%，交叉區結構應力集中明顯，交叉引起主洞結構內力變化較大區域為交口前后8m，設計中應對此區主洞及橫洞一定長度范圍結構加強，對交叉點上緣及側墻應進行嚴格的裂縫控制配筋驗算[3]。

圖2 襯砌軸力圖

圖3 襯砌彎矩圖

4 結語

通過對橫洞與主隧道交叉口的三維有限元模擬分析，得出交叉口位置結構空間受力特點，總結以下結論：

（1）主隧道側墻開口橫洞破壞了主隧道原有的結構受力體系，使得結構發生應力集中。

（2）對于橫洞與主隧道交叉口兩側主隧道應作至少8m長的襯砌結構加強，采取必要的配筋補強措施。

（3）對于交叉口橫通道襯砌結構也應做出5m加強段設計，從而保證整個交叉口結構的空間穩定性。