特長公路隧道交叉區域圍巖-結構動態變化規律研究

唐旭 張志強

【摘要】特長公路隧道交叉段施工中，交叉區域洞周圍巖受到了不同方向、不同程度的反復擾動和破壞，同時隧道結構易在二次施工擾動產生變形及損傷，對工程造成不利影響。基于此，文章以四川汶馬高速公路米亞羅3號隧道2#行車橫通道與主洞交叉段為工程依托，采用大型通用有限元軟件ANSYS對交叉段施工過程進行了模擬，分析了交叉區域各項性能參數與施工步序之間的動態關系，獲得了洞周圍巖變形傳播規律及隧道交叉結構的受力特征及力學演化規律。

【關鍵詞】特長公路隧道; 交叉區域; 單側壁導坑法; 動態關系; 力學演化規律

【中國分類號】

U451+.2【文獻標志碼】A

隨著我國公路建設的快速發展，長大深埋公路隧道越來越多。對于這類隧道，往往需要設置橫洞，用于交通事故發生時，引離故障車輛于干道以及發生火災時，車輛迅速撤離隧道，疏散受困人群，確保公路交通系統的安全與暢通。但在交叉段施工過程中，交叉區域洞周圍巖受到了不同方向、不同程度的反復擾動和破壞，同時隧道結構易在二次施工擾動產生變形及損傷，對工程造成不利影響，因此有必要探究施工過程中洞周圍巖變形傳播規律及隧道交叉結構的受力特征及力學演化規律。

目前許多學者對于隧道交叉段進行了研究，張俊[1]利用ADINA有限元軟件對寶塔山2#風機房十字交叉結構進行了模擬，研究了交叉段附近圍巖的變形、襯砌結構的裂縫分布以及圍巖與襯砌間的接觸應力分布形態;張建宇等[2]結合數值模擬及現場監控量測，研究了重慶軌道交通某區間隧道與施工通道交叉段的圍巖應力分布和位移特征;姜雪峰[3]以大連地鐵某區間隧道為工程背景，采用有限差分軟件FLAC3D研究了7種不同角度下橫通道近接地鐵區間隧道時，交叉段圍巖及隧道結構的應力和變形;史彥文等[4]以阿爾及利亞東西高速T2隧道車行橫洞交叉段為研究對象，利用MI-DAS/GTS軟件建立了交叉區三維模型，分析了主洞二次襯砌的受力狀態;劉山洪等[5]針對涪陵聚云山隧道橫洞與主洞交叉段出現裂縫這一問題，采用有限元方法研究了裂縫產生的原因，并提出了相應的加固措施。

本文以四川汶馬高速公路米亞羅3號隧道2#行車橫通道與主洞交叉段為工程依托，采用大型通用有限元軟件ANSYS對交叉段單側壁導坑法施工過程進行了模擬和分析，以期為類似隧道交叉段的設計和施工提供有益參考。

1 計算模型及參數選取

2#行車橫通道與主隧道交叉區域埋深為232.86 m，地質情況復雜，隧道圍巖由中生界三疊系上統侏倭組板巖夾變質砂巖、千枚巖組成，薄層狀，少量厚層狀—塊狀結構，節理較發育，拱頂穩定性一般，會產生掉塊，側壁基本穩定，構造線與隧道軸線小角度相交，巖體易發生變形，千枚巖巖性軟弱，開挖后變形量大且易坍塌，局部存在圍巖大變形，成洞性差。

根據米亞羅3號隧道勘測報告和設計圖，在2#行車橫通道與主隧道交叉區域，地層主要由V級圍巖組成，圍巖計算參數參考現行的JIG D70-2004《公路隧道設計規范》進行取值。二次襯砌作為安全儲備，在計算中不予考慮。本次計算物理力學指標如表1所示。

在三維有限元模型中，對于圍巖、主隧道、車行橫通道及相關支護結構均采用SOLID45單元的塊體三維實體單元進行模擬。圍巖在本次計算中使用理想彈塑性本構關系，選用Drucker-Prager非線性屈服準則進行計算分析。考慮模型的邊界效應，模型邊界取3～5倍洞徑較為合理，故計算模型左、右兩側（X方向）邊界為5倍洞徑，取90 m;模型底部邊界至隧道下側邊界為43 m，上部邊界取至地表，左右邊界約束為水平位移，下邊界約束豎直位移，上邊界為自由邊界，主隧道縱向長度選為60 m。整個有限元模型共61 302個單元。如圖1所示。

隧道施工過程分為三個階段：階段1主要完成米亞羅3號隧道的施工，包括主隧道開挖、初期支護和中隔壁支護;階段2主要完成行車橫通道的施工，包括橫通道的開挖和初期支護;階段3主要完成中隔壁的拆除工作，每次拆除30 m，分三次拆除所有的中隔壁。主隧道施工工序如圖2和圖3所示。

2 計算結果分析

2.1 交叉區域變形分析

施工過程中，圍巖變形量主要為豎向變形，施工各階段圍巖變形如圖4所示。

拱頂位移是圍巖穩定性評價的關鍵指標，本文提取了不同施工階段下主隧道及橫洞沿線的拱頂位移，如圖5、圖6所示。

從圖5可以看出：交叉區域橫通道開挖對主隧道影響范圍有限，大概為前后各15 m;在影響范圍內，隨著橫通道不斷開挖，主隧道拱頂位移增量逐漸減小，位移變形呈逐步收斂趨勢。

從圖6可以看出：橫通道施工前，橫通道拱頂越靠近主隧道，豎向位移越大;橫通道施工后，拱頂觀測點離橫通道掌子面越近，豎向位移越大;拆除中隔壁對橫通道沿線拱頂豎向位移影響較小。

2.2 交叉區域塑性區分析

隧道洞周圍巖塑性區形態決定了圍巖的破壞形式及破壞程度，對隧道施工安全性分析至關重要。本文提取了施工過程中交叉區域圍巖塑性區分布形態，如圖7所示。

由圖7可知，交叉區域圍巖塑性區分布隨施工的進行產生了明顯變化，具體分析如下：

（1）橫通道施工前，主隧道沿線不同位置均出現不同程度的圍巖塑性區，洞周圍巖塑性區分布主要集中兩側拱腰位置。

（2）行車橫通道開挖后，交叉區域圍巖塑性區無論是分布范圍還是數值大小都出現明顯增大，隨著橫通道掌子面不斷推進，圍巖塑性區范圍逐漸向掌子面推進方向延伸，圍巖塑性區最大值出現在主隧道拱腰與橫通道拱腰相交處。

（3）從整體上看，行車橫通道掌子面距離交叉口10 m范圍內，對交叉區域圍巖塑性區分布影響較為突出（開挖11.5 m時，塑性區最大值相比開挖前增大35.73 %），因此開挖前應對橫通道10 m范圍內的圍巖進行預加固處理，保證隧道安全施工。

2.3 交叉區域圍巖應力分析

交叉區域圍巖由于受反復施工擾動影響，應力狀態產生多次重分布，相比單線隧道結構施工，應力分布特征更為復雜。通過提取行車橫通道施工進程中各階段交叉區域圍巖第一及第三主應力，分析行車橫通道施工步序與圍巖應力狀態分布之間的動態關系。第一主應力云圖如圖8所示。

根據各階段交叉區域圍巖第一主應力分布對比分析可知，橫通道未開挖前，第一主應力最大值區域位于主隧道仰拱底部圍巖處，橫通道開挖后，第一主應力最大值區域出現在橫通道仰拱底部與主隧道相交處;行車橫通道施工過程中，交叉區域第一主應力分布區域不斷擴大，即受拉區沿行車橫通道沿線不斷擴展;交叉區域圍巖第一主應力最大值在橫通道開挖10 m范圍內時，出現跳躍變化，而后第一主應力最大值受橫通道開挖影響較小。

第三主應力云圖如圖9所示。

根據各階段交叉區域圍巖第三主應力分布對比分析可知，橫通道未開挖前，第三主應力最大值區域位于主隧道兩側拱腳處，橫通道開挖后，第三主應力最大值出現在主隧道拱腳與行車橫通道拱腳相交處以及橫通道掌子面仰拱底部;交叉區域圍巖第三主應力最大值在橫通道開挖10 m范圍內時，出現跳躍變化，而后隨著掌子面逐漸遠離交叉區域，變化趨勢逐步收斂。

2.4 交叉區域襯砌結構內力分析

主隧道與橫通道交叉襯砌結構構成了承載形式十分復雜的受力體系，襯砌結構不再是單一軸向受力，而是部分彎曲受力的復雜應力狀態。本次分析選取距離交叉口7 m處的主隧道襯砌結構斷面，如圖10所示，襯砌內力圖如圖11所示。

通過對比橫通道施工前后，主隧道軸力、彎矩及安全系數變化情況，可知：

（1）在主隧道貫通后，由于采用側壁導坑法施工，先行洞一側襯砌結構內力略大于另一側;由于主隧道采用扁平大斷面結構型式，結構整體軸力、彎矩都較大，軸力、彎矩最大值出現在拱腰及拱腳等位置，安全系數最小值出現在拱腳位置，均滿足規范對結構的安全要求。

（2）橫通道施工后，襯砌結構整體內力值有不同程度地增加，而橫通道施工一側由于破壞了原有襯砌結構的“成環效應”，內力值增長幅度明顯高于相對側，造成主隧道襯砌結構產生了明顯偏壓，彎矩及軸力最大值均出現在橫通道開挖一側的拱腰位置處，襯砌結構各截面安全系數均有不同程度的降低，橫通道開挖一側的拱腰及拱腳處為最危險截面，其安全系數接近規范所規定的極限值，說明橫通道施工使主隧道襯砌結構內力產生了極為不利的分布形式，這種現象在交叉口勢必更為明顯，因此在橫洞進洞前應對洞口附近圍巖采取有效的加固措施并有必要采用一定的超前預加固措施，以保證進洞安全。

3 結論

本文采用ANSYS對四川汶馬高速公路米亞羅3號隧道2#行車橫通道與主洞交叉段施工過程進行了模擬和分析，主要結論如下：

（1）交叉區域橫通道開挖對主隧道影響范圍大概為前后各15 m，在影響范圍內，隨著橫通道不斷開挖，主隧道拱頂位移增量逐漸減小，位移變形呈逐步收斂趨勢。

（2）橫通道施工前，主隧道洞周圍巖塑性區分布主要集中兩側拱腰位置，橫通道開挖后，隨著橫通道掌子面不斷推進，圍巖塑性區范圍逐漸向掌子面推進方向延伸，圍巖塑性區最大值出現在主隧道拱腰與橫通道拱腰相交處。

（3）交叉區域圍巖第一主應力最大值在橫通道開挖10 m范圍內時，出現跳躍變化，而后第一主應力最大值受橫通道開挖影響較小，第三主應力最大值出現在主隧道拱腳與行車橫通道拱腳相交處以及橫通道掌子面仰拱底部。

（4）橫通道施工破壞了主隧道原有襯砌結構的“成環效應”，襯砌內力值增長幅度明顯高于相對側，產生了明顯的偏壓現象，使主隧道襯砌結構內力產生了極為不利的分布形式。

參考文獻

[1] 張俊.公路隧道與輔助通道交叉結構穩定性分析[J].路基工程，2018（6）：167-171.

[2] 張建宇，邵剛，謝繼安，黃林.重慶軌道交通某區間隧道與施工通道交叉段施工力學研究[J].公路交通技術，2018，34（5）：87-91.

[3] 姜雪峰. 地鐵交叉隧道施工圍巖變形及穩定性研究[D].大連：大連交通大學，2018.

[4] 史彥文，曹校勇，韓常領.大斷面公路隧道主洞與車行橫洞交叉口數值模擬分析[J].中外公路，2009，29（4）：405-409.

[5] 劉山洪，陳寅春，李剛.車行橫洞與隧道主洞交叉段局部失穩數值分析[J].重慶交通大學學報：自然科學版，2011，30（2）：217-220.