隧洞主支洞交叉段圍巖及二襯支護有限元分析

曹偉

（水利部新疆水利水電勘測設計研究院，烏魯木齊830000）

1 概述

1.1 工程概況

某隧洞主支洞交叉段長40 m，主洞尺寸（寬度）8.4 m×10 m（高度），支洞尺寸（寬度）9.9 m×8.0 m（高度），洞型均為城門洞型，支洞穿透主洞一側邊墻，主洞在交叉口位置三面開口，主支洞夾角為83.751°，隧洞交叉口埋深123 m。主洞與支洞二次鋼筋混凝土襯砌厚度均為50 cm，地下水深為105 m，隧洞巖石巖性為中-上石炭統(tǒng)凝灰?guī)r與凝灰質砂巖，經過地質勘查，綜合判定圍巖類別為Ⅲ類。

1.2 模型建立

采用Abaqus建立主支洞交叉段三維有限元模型[1]，從洞室開挖問題的解析來看，在5倍洞徑范圍內，其應力、位移即滿足解決實際問題的精度，為了節(jié)省計算成本，選取計算圍巖計算區(qū)域取5倍洞徑。巖石采用庫侖-摩爾彈塑性模型，二襯混凝土采用彈性模型。網(wǎng)格單元均采用四面體單元[2]，計算工況為主支洞交叉段完建期工況，設立地應力平衡分析與靜力通用分析步[3]，圍巖開挖釋放的應力由鋼筋混凝土襯砌全部承擔，不考慮一次支護的作用[4]。

1.3 荷載及材料參數(shù)

根據(jù)隧洞實際開挖情況，模型計入地應力，結構自重、外水壓力。重力加速度g=9.81m/s2。計算參數(shù)見表1，2。

表1 主支洞交叉段鋼筋混凝土襯砌參數(shù)

表2 主支洞交叉段圍巖力學參數(shù)

2 計算分析

根據(jù)隧洞開挖受力特點，施加重力作用，進行地應力平衡計算，再利用Abaqus中的單元生死模擬隧洞開挖與二次襯砌過程，根據(jù)圍巖初始地應力＋開挖引起的應力釋放，最終得到隧洞開挖后隧洞應力應變分布狀態(tài)以及二次襯砌受力情況[5～6]。

2.1 隧洞應力與位移

圖1 隧洞交叉段應力分布云圖

圖2 隧洞交叉段位移分布云圖

圖1 為隧洞開挖后隧洞圍巖應力分布云圖，從圖中可以看出主支洞交叉段結構幾何突變部位容易出現(xiàn)應力集中；交叉口位置應力較大，且大應力分布于邊墻，底板中部；主洞與支洞越靠近交叉口，應力越大、越集中，交叉口對主洞與支洞交接側邊墻應力分布影響較大，對主洞另一側邊墻基本無影響；主洞與支洞頂拱交接處明顯有結構突變導致應力應變重分布現(xiàn)象，且此處應力集中現(xiàn)象明顯。圖2為隧洞開挖后隧洞圍巖最大位移分布云圖，從圖中可以看出主支洞交叉段隧洞頂拱位移較大，特別是在交叉口位置頂拱位移明顯大于隧洞一般位置，且此處大位移分布區(qū)域較大、分布線發(fā)生較大變化，這可能導致此區(qū)域巖石表層圈層發(fā)生錯動，脫空等現(xiàn)象[7]。

隧洞交叉口應力分布形態(tài)、位移分布形態(tài)與主支洞相比發(fā)生了很大變化，形態(tài)復雜，這主要由交叉口的結構型式決定。交叉口為三面開口，主支洞為兩面開口，三面開口支撐體系更少，敞開范圍更大，所以導致交叉口一帶圍巖需要發(fā)生較大變形，進而應力應變重新分布，尋求支撐體系，最終達到新的平衡[8]。根據(jù)以上計算結果與分析，認為主支洞交叉口與靠近交叉口的主洞與支洞段應力應變較大，為結構最不利位置，在開挖過程中應高度重視，支護應及時且加強。

2.2 交叉口二次襯砌應力與位移

圖3 隧洞交叉口二次襯砌應力分布云圖

圖4 隧洞交叉口二次襯砌位移分布云圖

圖3 為隧洞交叉口二次襯砌剖面應力分布云圖，從圖中可以看出交叉口頂拱邊角應力較大，底板上層受拉明顯。圖4為隧洞交叉口二次襯砌剖面位移分布云圖，從圖中可以看出交叉口頂拱位移較大，分布較廣。從計算結果看，隧洞交叉口二次襯砌應力分布、位移分布與圍巖應力分布、位移分布基本一致，這主要是因為二次襯砌緊隨隧洞開挖過程，隧洞圍巖變形作用覆蓋于二次襯砌上。根據(jù)“新奧法”理論，如果交叉口二次襯砌及時，建議預留適當?shù)膰鷰r變形量，使圍巖可控變形較為充分，形成較強拱圈[9]；初期柔性支護應加強，且及時進行，控制圍巖的不利變形和松弛，以維護和利用圍巖的自承能力。

2.3 主洞、支洞二次襯砌應力與位移

從圖5可以看出，靠近交叉口隧洞應力比遠離交叉口隧洞應力較大，分布不均，形態(tài)復雜，且邊墻與底板明顯出現(xiàn)應力集中區(qū)；特別是靠近交叉口主洞出現(xiàn)應力不對稱現(xiàn)象，開口側邊墻中部應力偏大，遠離交叉口后主洞與支洞應力分布基本一致，應力分布形態(tài)較好，底板相對應力相對較大[10]。

圖5 主洞、支洞二次襯砌應力分布云圖

3 結論

（1）隧洞交叉段交叉口位置圍巖應力集中現(xiàn)象明顯，邊墻、底板應力較大，且主洞與支洞越靠近交叉口應力越大、越集中；交叉口位置頂拱位移明顯，梯度較大、分布區(qū)域大且分布較混亂，這可能導致此區(qū)域巖石表層圈層發(fā)生錯動，脫空等現(xiàn)象。

（2）隧洞交叉口二次襯砌頂拱邊角與底板受拉明顯，頂拱位移較大，分布較廣。建議此區(qū)域地板、邊墻加強外層鋼筋；加強頂拱初期柔性支護，剛性二次襯砌應根據(jù)圍巖變形階段與穩(wěn)定情況，預留適當?shù)膰鷰r變形量，以便更大的發(fā)揮圍巖自穩(wěn)作用。

（3）隧洞交叉段只是在交叉口一定范圍應力應變復雜，遠離隧洞交叉口后隧洞應力應變分布形態(tài)回歸常態(tài)，根據(jù)計算結果認為交叉口2倍洞徑外，交叉口對主洞影響便很小。

（4）隧洞交叉口為三面開口，主支洞為兩面開口，三面開口支撐體系少，開挖范圍較大，結構型式復雜，開挖過程勢必引起較大變形，進而應力應變重新分布，尋求新平衡支撐體系。根據(jù)以上計算結果與分析，認為主支洞交叉口與靠近交叉口的主洞與支洞段應力應變較大，為結構最不利位置，在開挖過程中應引起重視，圍巖差時，應制定專項開挖支護方案，且支護應及時且加強。