隧道地下風(fēng)機(jī)房交叉結(jié)構(gòu)施工過程穩(wěn)定性研究

梁橋欣，鄭明輝，張志強(qiáng)，何本國

(1.中鐵交通投資集團(tuán)，廣西南寧530000;2.西南交通大學(xué)，四川成都610031)

隧道地下風(fēng)機(jī)房交叉結(jié)構(gòu)施工過程穩(wěn)定性研究

梁橋欣1，鄭明輝1，張志強(qiáng)2，何本國2

(1.中鐵交通投資集團(tuán)，廣西南寧530000;2.西南交通大學(xué)，四川成都610031)

針對風(fēng)機(jī)房地下洞群結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，選取包含風(fēng)機(jī)房主體洞室的結(jié)構(gòu)單元，建立三維數(shù)值模型，采用有限元法，研究地下風(fēng)機(jī)房施工過程中的圍巖位移、初支結(jié)構(gòu)與圍巖間的相互作用力以及支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力情況。結(jié)果表明:風(fēng)機(jī)房采用全斷面施工時(shí)，能較早使支護(hù)結(jié)構(gòu)閉合，減小圍巖的變形，但相對于臺階法施工，圍巖的應(yīng)力釋放少，支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖間的接觸應(yīng)力、支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力都較大;風(fēng)機(jī)房支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖間的接觸應(yīng)力呈對稱分布，拱頂至拱腳接觸應(yīng)力逐漸增大;拱腳至墻腳中部接觸應(yīng)力逐漸減小;墻腳中部至墻腳底部接觸應(yīng)力逐漸增大。

隧道 地下風(fēng)機(jī)房 交叉結(jié)構(gòu) 施工力學(xué) 穩(wěn)定性

特長鐵路、公路隧道地下風(fēng)機(jī)房一般與送風(fēng)道、排風(fēng)道、檢修通道、逃生通道等許多洞室相連。施工過程、工序較為復(fù)雜，圍巖受到多次擾動，各洞室在開挖過程中相互影響，開挖難度大，在開挖過程中具有明顯的時(shí)間及三維空間效應(yīng)，支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖間的接觸應(yīng)力、支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布規(guī)律不明確［1-5］，特別是支護(hù)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的安全性難以保證［6-7］。風(fēng)機(jī)房的受力過程與力學(xué)行為直接關(guān)系到隧道結(jié)構(gòu)的安全性，如果設(shè)計(jì)不當(dāng)，極易引起整體隧道結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)，并且給交通隧道的運(yùn)營階段帶來潛在的風(fēng)險(xiǎn)［8］。

本文通過有限元分析方法，研究地下風(fēng)機(jī)房施工過程中的圍巖位移、初支結(jié)構(gòu)與圍巖間的相互作用力以及支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力情況，為設(shè)計(jì)、施工提供依據(jù)。

1 工程概況

工程項(xiàng)目為已修建完成的云山隧道地下風(fēng)機(jī)房，主要包括聯(lián)絡(luò)送風(fēng)道、聯(lián)絡(luò)排風(fēng)道、地下風(fēng)機(jī)房以及檢修通道等。相關(guān)參數(shù):風(fēng)機(jī)房跨度9.2 m，高13.0 m，初支為厚10 cm的C25噴射混凝土，二襯為厚35 cm的C30混凝土;送風(fēng)道跨度D1為5 m，高4.2 m，排風(fēng)道跨度D2為7.1 m，高6.3 m，送風(fēng)道與排風(fēng)道中心線相距39.8 m，初支均為厚18 cm的C25噴射混凝土，二襯均為厚18 cm的C30混凝土。相關(guān)的斷面尺寸及襯砌如圖1、圖2所示。

圖1 地下風(fēng)機(jī)房

2 三維有限元數(shù)值模擬

2.1 三維有限元計(jì)算模型的建立

風(fēng)機(jī)房主體部分實(shí)際埋深均＞100 m，屬于深埋隧道，綜合考慮計(jì)算精度、計(jì)算機(jī)的性能，為避免模型的邊界效應(yīng)，模型埋深(Z向)取35 m，地下風(fēng)機(jī)房主洞方向(Y向)取90 m，送、排風(fēng)道方向(X向)取65 m。本次三維有限元計(jì)算模型均采用三維實(shí)體單元，圍巖材料采用摩爾—庫倫本構(gòu)關(guān)系，支護(hù)結(jié)構(gòu)采用混凝土本構(gòu)關(guān)系，共131 710單元，126 632節(jié)點(diǎn)。三維有限元計(jì)算模型、交叉部接觸面情況如圖3、圖4所示。

圖2 聯(lián)絡(luò)送風(fēng)道、聯(lián)絡(luò)排風(fēng)道橫斷面示意(單位:mm)

圖3 三維有限元計(jì)算模型

圖4 交叉部接觸面示意

2.2 數(shù)值計(jì)算參數(shù)及工況設(shè)置

開挖過程中，支護(hù)結(jié)構(gòu)施作均滯后掌子面3 m。圍巖、初期支護(hù)物理力學(xué)指標(biāo)、工況設(shè)置如表1～表3所示。開挖工序?yàn)樗惋L(fēng)道、排風(fēng)道→風(fēng)機(jī)房。

表1 Ⅲ級圍巖物理力學(xué)指標(biāo)

表2 初期支護(hù)物理力學(xué)指標(biāo)

表3 計(jì)算工況

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 圍巖與風(fēng)機(jī)房位移

風(fēng)機(jī)房開挖過程中最重要的就是適時(shí)施作支護(hù)結(jié)構(gòu)，將圍巖的位移控制在規(guī)定的范圍內(nèi)，防止由于圍巖位移超過規(guī)定數(shù)值而引起塌方等。風(fēng)機(jī)房主隧道開挖結(jié)束后，圍巖位移如表4、圖5所示，風(fēng)機(jī)房初期支護(hù)位移如圖6所示。

表4 不同工況下圍巖位移統(tǒng)計(jì)mm

圖5 兩種工況下圍巖Z向位移云圖(單位:m)

由圖5和圖6可知:

1)風(fēng)機(jī)房采用臺階法施工時(shí)，拱頂、仰拱最大相對位移相對全斷面施工增加約30%。主是由于全斷面施工時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)的閉合時(shí)間早于臺階法，能較早地支護(hù)圍巖，控制圍巖位移變形。

2)風(fēng)機(jī)房的拱頂沉降量、仰拱隆起量均在送風(fēng)道、排風(fēng)道中心線附近出現(xiàn)極值。拱頂沉降量極值距送風(fēng)道、排風(fēng)道中心線距離分別為0～0.7D1(圖6中送風(fēng)道中心線距離風(fēng)機(jī)房左端22.5 m處，拱頂沉降量極值出現(xiàn)在距離風(fēng)機(jī)房左端22.5～26.2 m處)、1.0D2～1.3D2(圖6中排風(fēng)道中心線距離風(fēng)機(jī)房左端68.0 m處，拱頂沉降量極值出現(xiàn)在距離風(fēng)機(jī)房左端58.9～61.1 m處)。仰拱隆起量極值距送風(fēng)道、排風(fēng)道中心線距離分別為0.6D1～0.8D1(仰拱隆起量極值出現(xiàn)在距離風(fēng)機(jī)房左端25.7～26.6 m處)、0.5D2(仰拱隆起量極值出現(xiàn)在距離風(fēng)機(jī)房左端64.3 m處)。

3.2 圍巖與初支的接觸應(yīng)力

圍巖與初支結(jié)構(gòu)間的作用力是支護(hù)結(jié)構(gòu)受力變形的根本原因，掌握其分布規(guī)律及施工過程中的變化情況，能為風(fēng)機(jī)房的設(shè)計(jì)、施工提供依據(jù)。工況1、工況2下風(fēng)機(jī)房初支結(jié)構(gòu)與圍巖間的接觸應(yīng)力統(tǒng)計(jì)如表5、圖7所示(斷面1、斷面2位置參見圖4)。

圖6 工況2下風(fēng)機(jī)房初期支護(hù)Z向位移變化曲線

表5 風(fēng)機(jī)房洞周接觸應(yīng)力

圖7 工況1下風(fēng)機(jī)房洞周接觸應(yīng)力分布

由圖7和表5可知:

1)風(fēng)機(jī)房支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖間的接觸應(yīng)力呈對稱分布，拱頂接觸應(yīng)力最小，拱頂至拱腳接觸應(yīng)力逐漸增大，在拱腳達(dá)到最大;拱腳至墻腳中部，接觸應(yīng)力逐漸減小，在墻腳中部達(dá)到最小;墻腳中部至墻腳底部，接觸應(yīng)力逐漸增大，在墻腳位置達(dá)到最大。

2)臺階法開挖時(shí)，送風(fēng)道支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖間的接觸應(yīng)力相對全斷面開挖減小約35%。臺階法開始時(shí)，支護(hù)結(jié)構(gòu)閉合時(shí)間較晚，產(chǎn)生的位移較大，應(yīng)力釋放較多，而排風(fēng)道附近由于受到圍巖的約束作用，不同開挖方法對支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖間的接觸應(yīng)力影響不大。

3.3 結(jié)構(gòu)內(nèi)力

支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力是圍巖對其作用力的反映，是評價(jià)支護(hù)結(jié)構(gòu)是否安全的重要依據(jù)，根據(jù)以上對位移、接觸應(yīng)力的分析，選取受施工方法影響較大的斷面1作為風(fēng)機(jī)房支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析斷面，如圖8、表6所示。

圖8 交叉部位風(fēng)機(jī)房初期支護(hù)內(nèi)力(軸力:kN，彎矩:kN·m)

表6 各工況下初期支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力

由圖8和表6可知:

1)風(fēng)機(jī)房支護(hù)結(jié)構(gòu)全截面受壓，墻腳軸力最大，拱頂軸力最小，全斷面法開挖情況下的軸力最大值與臺階法相比增大11%。

2)風(fēng)機(jī)房支護(hù)結(jié)構(gòu)除拱腳外部受拉外，其余部位均是內(nèi)部受拉，彎矩最大值出現(xiàn)在拱腳附近。

4 結(jié)論

1)風(fēng)機(jī)房采用全斷面施工時(shí)，能較早使支護(hù)結(jié)構(gòu)閉合，減小圍巖的變形，但相對于臺階法施工，圍巖的應(yīng)力釋放少，支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖間的接觸應(yīng)力、支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力都較大。

2)風(fēng)機(jī)房支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖間的接觸應(yīng)力呈對稱分布，拱頂至拱腳接觸應(yīng)力逐漸增大;拱腳至墻腳中部接觸應(yīng)力逐漸減小;墻腳中部至墻腳底部接觸應(yīng)力逐漸增大。

3)風(fēng)機(jī)房支護(hù)結(jié)構(gòu)全截面受壓，墻腳軸力最大，拱頂軸力最小，除拱腳外部受拉外，其余部位均是內(nèi)部受拉，彎矩最大值出現(xiàn)在拱腳附近。

［1］胡磊，王志杰，何明磊，等.隧道鋼纖維混凝土單層襯砌模型試驗(yàn)及數(shù)值模擬［J］.鐵道建筑，2014(6):72-74.

［2］李興高，袁大軍，周江天，等.超長管幕在淺埋暗挖隧道下穿機(jī)場跑道施工中的應(yīng)用［J］.鐵道建筑，2014(2):67-69.

［3］謝應(yīng)坤.地下立交隧道交叉段穩(wěn)定性模擬研究［D］.重慶:重慶大學(xué)，2010.

［4］熊剛，黃思勇，項(xiàng)敬輝.隧道近接施工對既有樁基影響的研究進(jìn)展［J］.鐵道建筑，2011(7):72-74.

［5］馬野，袁志丹，曹金鳳.ADINA有限元經(jīng)典實(shí)例分析［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

［6］岳戈，陳權(quán).ADINA應(yīng)用基礎(chǔ)與實(shí)例詳解［M］.北京:人民交通出版社，2008.

［7］馮龍飛，楊小平，劉庭金.跨線橋樁基施工對臨近隧道影響的有限元分析［J］.鐵道建筑，2014(1):37-39.

［8］張建.新建隧道施工對既有隧道應(yīng)力影響的分析［J］.鐵道建筑，2014(1):34-36.

Study on stability in construction process for junction structure of ventilator room in tunnel

LIANG Qiaoxin1，ZHENG Minghui1，ZHANG Zhiqiang2，HE Benguo2
(1.China Railway Communications Investment Group Co.，Ltd.，Nanning Guangxi 530000，China; 2.School of Civil Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031，China)

For the structure complexity of wind ventilator room underground tunnel group，the three-dimensional numerical model was created by selecting the structure element of the ventilator room main chamber and using finite element method，and surrounding rock displacement，initial support structure，the interaction force among the surrounding rocks and the inner force of the support structure during the construction process of underground ventilator room were studied.Results showed that the whole section construction of the ventilator room will make the support structure close earlier and reduce the surrounding rock deformation，which leads to the fact that the stress release of surrounding rock is little，the contact stress between the support structure and the surrounding rock，and the internal force of support structure are relatively large with respect to step method construction，ventilator room support structure and contact stress among the surrounding rocks has the symmetric distribution，contact stress gradually increases from the vault to arch springing，gradually decreases from arch springing to middle of foundation，and gradually increases from middle of foundation to bottom of foundation.

T unnel;Ventilator room;Junction structure;Construction mechanics;Stability

U455

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.12.14

1003-1995(2015)12-0050-04

(責(zé)任審編葛全紅)

2015-01-20;

2015-07-20

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51478396)

梁橋欣(1987—)，男，助理工程師，工學(xué)碩士。