車(chē)行橫洞施工對(duì)隧道主洞變形的影響

孫志杰， 董立山

(山西省交通科學(xué)研究院黃土地區(qū)公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030006)

0 引言

為確保分離式雙洞長(zhǎng)大隧道在發(fā)生交通事故和火災(zāi)時(shí)，能及時(shí)將人員和車(chē)輛疏散，一般在長(zhǎng)大隧道中要設(shè)置橫通道，車(chē)行橫通道的設(shè)置間距為最大不得超過(guò)1 000m，人行通道的設(shè)置間距為最大不得超過(guò)500m［1］?？梢?jiàn)橫通道在長(zhǎng)大隧道運(yùn)營(yíng)中的重要作用。目前對(duì)隧道洞室內(nèi)交叉段三維受力分析主要是通過(guò)數(shù)值分析［2-4］。劉山洪等［5］采用數(shù)值方法對(duì)聚云山隧道主洞和橫洞交叉口段穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，得出地應(yīng)力和結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中是導(dǎo)致交叉口失穩(wěn)的主要原因。羅彥斌等［6］對(duì)田恒山隧道交叉口段進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。此外，馬棟等［7］對(duì)隧道交叉口段的施工也進(jìn)行了有益探索。但是，車(chē)行橫洞施工對(duì)主洞結(jié)構(gòu)變形的影響目前研究的較少。因此，以中條山隧道為依托，采用三維數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的方法，研究隧道車(chē)行橫洞施工對(duì)主洞結(jié)構(gòu)變形的影響。

1 工程概況及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

1.1 工程概況

依托工程運(yùn)城-靈寶高速公路中條山隧道為上下行分離式隧道，上行線長(zhǎng)為9 671 m，下行線長(zhǎng)為9 670.942 m。隧道最大埋深681 m，屬深埋特長(zhǎng)公路隧道。

全洞共設(shè)置車(chē)行橫洞12處，人行橫洞16處。試驗(yàn)段選取車(chē)行橫洞與主洞交叉點(diǎn)樁號(hào)為YK13+945。

研究段主要由下古生界寒武系下統(tǒng)饅頭毛莊組、中統(tǒng)徐莊組下半段組成;饅頭毛莊組主要為泥灰?guī)r、頁(yè)巖、石英砂巖、灰?guī)r、泥巖互層狀組成，徐莊組為泥質(zhì)、砂質(zhì)頁(yè)巖組成;巖層產(chǎn)狀160°～200°∠18°～23°。此段主要由軟質(zhì)、硬質(zhì)巖互層狀組成。

1.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

為研究車(chē)行橫洞開(kāi)挖對(duì)主洞初支結(jié)構(gòu)的受力產(chǎn)生的影響，在主洞的初支結(jié)構(gòu)中埋設(shè)測(cè)試傳感器進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)。測(cè)在中條山隧道上行線車(chē)行通道兩側(cè)分別設(shè)置監(jiān)測(cè)斷面YK13+950和YK13+930。量測(cè)的項(xiàng)目包括圍巖拱頂下沉和凈空收斂，量測(cè)斷面布置如圖1所示。

2 數(shù)值模擬

為分析橫通道施工對(duì)主洞支護(hù)結(jié)構(gòu)變形的影響，采用有限元軟件進(jìn)行三維動(dòng)態(tài)模擬。

2.1 模型的建立

模型以主洞和橫洞交叉點(diǎn)為模型中心點(diǎn)，Y方向?yàn)橹鞫捶较?，X方向?yàn)闄M洞方向。模型尺寸:主洞左右邊界距離為大于3倍開(kāi)挖寬度，取60m，主洞下邊界為大于3倍開(kāi)挖高度，取30m;由于隧道屬深埋隧道，上邊界取30m并施加等效豎向荷載。主洞開(kāi)挖長(zhǎng)度選為60m，橫洞開(kāi)挖長(zhǎng)度為30m。主洞與橫洞交叉口三維模型如圖2所示。

圖2 主洞與橫洞交叉口三維模型圖

施工過(guò)程采用先開(kāi)挖主洞，主洞支護(hù)施作完畢后再開(kāi)挖橫洞，施作橫洞支護(hù)，模型采用“激活”、“鈍化”相應(yīng)單元來(lái)模擬圍巖的開(kāi)挖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的施加，施工步序如下:施工步1為自重計(jì)算，施工步2～21為主洞開(kāi)挖，施工步3～22為主洞支護(hù)。施工步23為主洞交叉口部位初支拆除。施工步24～31為橫洞開(kāi)挖，施工步25～32為橫洞支護(hù)。

2.2 模型計(jì)算參數(shù)

計(jì)算模型圍巖采用實(shí)體單元，主洞和橫洞的初期支護(hù)噴射混凝土采用板單元，錨桿采用植入式桁架單元，巖體本構(gòu)模型為莫爾-庫(kù)侖模型。材料的計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 模型材料計(jì)算參數(shù)

3 結(jié)果及分析

為分析橫洞施工對(duì)主洞結(jié)構(gòu)的影響，選取距離交叉點(diǎn)不同距離的斷面，對(duì)各斷面關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的位移和關(guān)鍵部位板單元的應(yīng)力進(jìn)行施工過(guò)程監(jiān)測(cè)。

3.1 主洞圍巖變形分析

圖3和圖4為橫洞開(kāi)挖前后主洞在交叉口斷面的豎向和橫向位移云圖。

橫洞主洞和橫洞交叉口處的初期支護(hù)拆除和橫通道的開(kāi)挖支護(hù)過(guò)程中，主洞圍巖豎向變形大于水平變形。豎直方向的變形主要表現(xiàn)為拱頂下沉和仰拱隆起。水平方向的變形主要表現(xiàn)為邊墻向隧道凈空的收斂。

分別對(duì)距交叉斷面不同距離的斷面主洞拱頂豎向位移和左、右拱腳水平位移進(jìn)行施工過(guò)程監(jiān)測(cè)。圖5中0～18分別為監(jiān)測(cè)斷面距交叉口斷面的距離L，單位為m。主洞右側(cè)為橫洞開(kāi)挖側(cè)。

從圖5(a)中可看出，施工步從17～22，主洞豎向位移趨于穩(wěn)定，第23施工步交叉口初支拆除，位移突然增大，交叉口斷面處(L=0)增幅為1mm。橫洞第一次開(kāi)挖位移增幅再次增大，交叉口斷面處(L=

圖3 橫洞開(kāi)挖前后主洞在交叉口斷面的豎向位移云圖

圖4 橫洞開(kāi)挖前后主洞在交叉口斷面的橫向位移云圖

圖5 主洞監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移隨施工步變化曲線

0)增幅為1.75mm。之后位移增幅逐漸減小，并第二次趨于穩(wěn)定。從圖5(b)中可看出，主洞左拱腳基本不受橫洞施工影響。從圖5(c)中可看出，在橫洞第一次開(kāi)挖前，左右拱腳水平位移的變化規(guī)律基本相同。但之后右側(cè)橫洞開(kāi)挖打破了右拱腳水平位移的穩(wěn)定趨勢(shì)，位移有減小趨勢(shì)，且這種影響在距交叉口15m范圍內(nèi)比較明顯。

對(duì)比圖5(a)、(b)、(c)可以看出，相比拱頂沉降和右側(cè)拱腳，左拱腳水平位移受橫洞施工的影響最小。從圖5(b)中可看出，交叉口斷面處(L=0)橫洞施工對(duì)主洞左拱腳水平位移影響最大，最大值發(fā)生在交叉口主洞初支拆除時(shí)，大小為12.36mm。

橫洞開(kāi)挖導(dǎo)致主洞圍巖發(fā)生不對(duì)稱變形，拱頂豎向位移和橫洞開(kāi)挖側(cè)拱腳水平位移在主洞交叉口初支拆除和橫洞施工后打破原有穩(wěn)定趨勢(shì)，位移發(fā)生突變，到橫洞開(kāi)挖后期第二次趨于穩(wěn)定，且拱頂豎向位移為增大，拱腳水平位移為減小。另一側(cè)拱腳受橫洞開(kāi)挖影響不大。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)主洞YK13+950，YK13+930斷面的圍巖拱頂下沉、拱腳收斂進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)，量測(cè)時(shí)段為2011年8月4日－2011年10月7日，主洞拱頂下沉?xí)r程曲線如圖6所示，2011年9月19日開(kāi)始開(kāi)挖橫洞。

從圖6中可看出:車(chē)行橫洞開(kāi)挖前，監(jiān)測(cè)斷面拱頂受主洞掌子面施工影響產(chǎn)生沉降，初期沉降速率比較大，到8月27日以后，沉降趨于穩(wěn)定。橫洞開(kāi)挖以后，沉降值由開(kāi)始增加，并且距交叉口斷面較近的YK13+950斷面沉降值增加幅度大于YK13+930斷面。

YK13+930斷面拱頂沉降受橫洞開(kāi)挖影響很小，該斷面距交叉口斷面15m，這于數(shù)值模擬結(jié)果橫洞開(kāi)挖影響范圍1.5倍洞徑一致。

邊墻收斂時(shí)程曲線如圖7所示。由圖7可看出，主洞圍巖的邊墻部位在橫洞施工前向隧道凈空方向的收斂，且初期速率較慢到9月1日以后逐漸趨于穩(wěn)定，橫洞開(kāi)挖之后，交叉口處的受力結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，圍巖應(yīng)力重新分布，邊墻收斂也發(fā)生相應(yīng)變化，橫洞開(kāi)挖初期，收斂增大，隨著橫洞掌子面距主洞距離的增加，收斂值也趨于穩(wěn)定。

圖6 主洞拱頂下沉?xí)r程曲線

圖7 主洞邊墻收斂時(shí)程曲線

YK13+950處斷面邊墻收斂所受橫洞開(kāi)挖影響效果大于YK13+930處斷面，這同拱頂下沉規(guī)律一致。

4 結(jié)論

通過(guò)依托工程現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和對(duì)實(shí)體工程的有限元模型的施工過(guò)程模擬，綜合分析了橫洞施工對(duì)主洞圍巖變形產(chǎn)生的影響，得出以下結(jié)論:

(1)橫洞施工對(duì)主洞的影響，在時(shí)間上主要表現(xiàn)在主洞交叉口初支拆除和橫洞的第1個(gè)開(kāi)挖步時(shí)，隨著橫洞開(kāi)挖深度的增加，主洞結(jié)構(gòu)的變形趨于穩(wěn)定。

(2)橫洞開(kāi)挖導(dǎo)致主洞圍巖發(fā)生不對(duì)稱變形，拱頂豎向位移和橫洞開(kāi)挖側(cè)拱腳水平位移在主洞交叉口初支拆除和橫洞施工后打破原有穩(wěn)定趨勢(shì)，位移發(fā)生突變，到橫洞開(kāi)挖后期第二次趨于穩(wěn)定，且拱頂豎向位移為增大，拱腳水平位移為減小。另一側(cè)拱腳受橫洞開(kāi)挖影響不大。

(3)車(chē)行橫洞開(kāi)挖導(dǎo)致交叉口附近一定范圍內(nèi)的主洞產(chǎn)生變形和應(yīng)力集中，其影響范圍在交叉口兩側(cè)約為1.5倍洞徑。

［1］中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)編寫(xiě)組.JTG D70—2004公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:人民交通出版社，2004.

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