深埋交叉隧道施工力學研究

肖海波

(廣東省公路建設有限公司，廣東廣州510000)

近年來，隨著科技與經濟的發展，隧道交叉現象越來越多，比如車行橫通道、人行橫通道、地鐵聯絡橫通道、通風豎井、大型地下廠房、公路分岔隧道等等。在隧道交叉處，圍巖再一次引起擾動，形成一力學行為復雜的區域。因此，了解交叉段圍巖應力狀態以及變形機制，對于交叉隧道的設計與施工具有重大的意義。鑒于早期計算機技術的限制，研究相對較少。近年來隨著計算機技術的發展，對交叉隧道動態施工力學行為展開了一系列的研究[1]～[5]。F·Y·Hsiao 就不同巖體等級、不同主應力大小和方向、埋深、交叉角度和不同的支護方式對襯砌應力的影響及隧道交叉段破壞區位等進行了75個例子的計算研究[5]。本文針對錦屏二級水電站4#引水隧洞與2#施工支洞相交情況，進行了數值模擬和模型試驗研究，為深埋交叉隧道設計與施工提供科學依據。

1 工程概況

錦屏二級水電站利用雅礱江下游河段150 km長大河彎的天然落差，通過長約16.67 km的引水隧洞，裁彎取直，獲得落差約310 m。電站總裝機容量4 800 MW，單機容量600 MW。工程樞紐主要由首部攔河閘、引水系統、尾部地下廠房三大部分組成，為一低閘、長隧洞、大容量引水式電站。錦屏二級水電站引水隧洞貫穿錦屏山，具有埋深大、洞線長、洞徑大的特點，是錦屏二級水電站樞紐最重要的組成部分。根據前期的試驗探洞資料分析，在引水隧洞施工過程中，可能遇到的工程地質問題有:涌突水、強～劇烈巖爆和其他地質災害等。其中，高地應力和高地下水是影響引水隧洞圍巖穩定性及襯砌結構安全性的主要因素，如何保證圍巖穩定及支護結構在“雙高”作用下的安全性是錦屏二級水電站引水隧洞能否成立所必須回答的問題，也是隧洞設計參數確定的基本前提。本研究段位于4#引水隧洞樁號K16+201.289到K16+633.175之間的與東引2#施工支洞之間的隧道交叉部分，隧道所處圍巖大部分為Ty62中薄層泥質灰巖或黑色細晶大理巖，巖性相對較好，圍巖級別為三級，存在高地應力，有巖爆發生。兩隧道最小夾角40°，隧道埋深1 100 m，處于深埋隧道。洞室分布如圖1所示。

圖1 隧道分布

2 計算模型

2.1 建立模型

本計算模型模擬4#引水隧洞與東引2#施工支洞的交叉部分，兩隧道交叉處的樁號K16+401.68，兩邊各取80 m，隧道總長為160 m，進行三維模擬，根據隧道影響范圍，按隧道力學理論和邊界理論[6]，橫向兩邊各取40.5 m，總寬80 m，豎向洞頂上部取33.5 m，洞頂下部取值34.5 m，總長80 m。圍巖用實體單元SOLID45模擬，支護用殼單元SHELL63模擬，對系統錨桿支護，按整體錨桿加固圈方式考慮，通過提高錨固范圍內圍巖參數(提高10%材料參數)，實現對系統錨桿支護的模擬，進行彈塑性分析。共22 160個單元，231 653個節點。計算模型如圖2所示。

2.2 材料參數及開挖方式

依據錦屏二級水電站地質勘察報告，交叉部隧道為Ⅲ級圍巖，4#引水隧洞襯砌采用15 cm厚C25混凝土，東引2#施工支洞為19 cm厚的C25混凝土，對錨桿力學效果的模擬主要考慮施錨后，加固范圍內圍巖彈性模量、粘聚力、內摩擦角、抗壓強度等指標的提高。開挖方式采用上下臺階法開挖。選取計算物理力學指標見表1。

圖2 整體模型

表1 計算物理力學指標

3 計算結果分析

3.1 交叉部圍巖應力分析

隧道開挖后，交叉部圍巖應力狀態如圖3～圖5所示。通過比較交叉段與遠離交叉段部位分析發現，在交叉處明顯存在應力集中現象，如表2所示。

表2 交叉部圍巖應力集中效應分析(單位MPa)

圖3 遠離交叉段圍巖應力

歸納起來可以得到以下結論。

(1)交叉部圍巖應力局部增大，發生應力集中現象，因此從施工安全考慮，在隧道施工前，對交叉部拱部范圍采用超前錨桿等預加固支護措施是十分必要的。

圖4 銳角圍巖應力

圖5 鈍角圍巖應力

(2)交叉部圍巖應力集中程度，通過對比分析，大致上是當交叉角為50°時，為1.6倍，當交叉角為40°時，為2.0倍，交叉角越小，應力集中程度越高[1]。

(3)從圍巖應力影響范圍來看，以主隧道洞徑D計算，大體上是:交叉部銳角一側40°時為2倍洞徑D，鈍角一側50°時為1.5倍洞徑D。

3.2 交叉部圍巖拉應力分析

在主隧道拱頂以及拱腰部位取幾個關鍵點，得到最大主應力隨開挖步變化曲線，如圖6、圖7所示。

圖6 拱頂S1變化圖

通過應力變化時程圖以及應力云圖發現，隧道開挖后，在隧道拱頂和仰拱部位產生了平均0.15 MPa的拉應力區域，尤其是在兩隧道交叉的拱頂部位，達到0.4 MPa的拉應力，成為整個隧道的薄弱區域。因此在隧道開挖過程中，需遵循新奧法開挖原則，及時加強支護，防止圍巖坍塌。

圖7 拱腰S1變化圖

3.3 交叉部圍巖位移分析

在主隧道拱頂以及拱腰部位取幾個關鍵點，分析位移隨開挖步的影響，得到時程曲線圖8、圖9。

歸納起來可以得到以下結論:

(1)隧道開挖后，整體水平位移較小，隧道拱腰處變形趨向洞內，洞徑縮小，但在隧道交叉段水平位移最大，達到4.45 mm。

(2)從豎向位移來看，整個隧道變形以垂直位移為主，并且在兩隧道交叉的拱頂部位位移最大，最大值為11.5 mm。因此，在隧道施工過程中，需加強對該部位的支護，并加強監控量測。

圖8 拱腰水平位移

圖9 拱頂豎向位移

3.4 交叉部襯砌應力分析

隧道開挖后，交叉部襯砌應力狀態如圖10所示。通過應力圖形分析，發現隧道開挖后，在襯砌的拱頂部位產生少許有不超過0.4 MPa的拉應力。而在兩隧道的交叉部位，拉應力增大，并且在銳角交叉處，達到最大值為2.77 MPa。

4 結論

通過對交叉節點三維彈塑性有限元數值模擬分析，可以得到下列結論。

(1)隧道開挖后，在隧道交叉部位的拱腳部位出現應力集中現象，在拱頂部位出現拉應力，拉應力最大值為0.4 MPa，因此在隧道施工過程中，需加強對這兩部位的支護和監控量測，防止圍巖破壞。

(2)從圍巖應力集中度來看，大致上是當交叉角為50°時，為1.6倍;當交叉角為40°時，為2.0倍。并且交叉角越小，應力集中程度越高，因此在隧道設計過程中，應盡量形成直角相交。

圖10 襯砌應力

(3)從圍巖變形來看，隧道開挖后，洞室收縮，并且在拱腰處水平位移最大，拱頂下沉，在兩隧道的交叉部位，沉降量最大，達到11.5 mm。因此需加強對該部位的支護和監控量測。

(4)從襯砌受力情況來看，在襯砌的頂部有少許拉應力出現，而在兩隧道的交叉部位，拉應力增大，并且在銳角交叉處，達到最大值為2.77 MPa。

(5)從整個數值模擬結果來看，隧道薄弱環節在兩隧道交叉部位的拱頂和拱腳部位，因此建議在隧道施工過程中，對這兩部位打長錨桿，鋼支撐，或預注漿，加強支護效果，并進行監控量測，觀測圍巖破壞情況。

[1]張志強，許江，萬曉燕.公路長隧道與橫通道空間斜交結構施工力學研究[J].巖土力學，2007，28(2):247－252

[2]靳曉光，李曉紅.深埋交叉隧道動態施工力學行為研究[J].重慶建筑大學學報，2008，30(2):32－36

[3]王建.大跨度公路隧道交叉分岔段施工方案研究[J].公路交通技術，2009，40(1):98－102

[4]游步上，陳堯中.隧道交叉段變形機制探討[J].隧道建設，2007(S2)

[5]F.Y.Hsiao，C.L.Wang，J.C.Chern.Numerical simulation of rock deformation for support design in tunnel intersection area[J].Tunnelling and Underground Space Technology，24(2009):14－21

[6]關寶樹.隧道力學[M].成都:西南交通大學出版社，2000

[7]陳孫強.小導管注漿在軟弱圍巖隧道進洞施工中的應用[J].福建建設科技，2000(3):18－19