基于力學(xué)效應(yīng)的隧道車行橫通道布置方式

李曉博

(廣東省南粵交通龍懷高速公路管理中心，廣東 英德 513000)

0 引言

橫通道與主隧道交叉部位是隧道結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵部位[1]，相對(duì)于無橫通道的部位，由于受隧道圍巖、空間結(jié)構(gòu)、橫通道尺寸、橫通道形式、橫通道角度等多種因素的影響，其受力較為復(fù)雜，再加上附近緊急停車帶的影響，結(jié)構(gòu)安全問題就顯得尤為突出。目前對(duì)隧道交叉段的受力分析主要是通過數(shù)值模擬進(jìn)行分析[2-4]。孫志杰等[5]采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和三維有限元仿真的方法，對(duì)車行橫通道施工階段主洞的變形規(guī)律進(jìn)行了研究。劉山洪等[6]對(duì)聚云山隧道主洞和洞口交叉口段穩(wěn)定性分析，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。靳曉光[7]等對(duì)深埋交叉隧道動(dòng)態(tài)施工的力學(xué)行為進(jìn)行了研究。當(dāng)前的研究多針對(duì)于隧道施工過程的圍巖穩(wěn)定性和橫通道開挖對(duì)于主隧道的影響，缺少對(duì)于車行橫通道布置形式的探討。因此，本文以金門隧道作為依托，通過三維有限元數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的方法，對(duì)車行橫通道布置的力學(xué)效應(yīng)進(jìn)行了研究與分析。

1 工程概況及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

1.1 工程概況

金門隧道位于汕昆高速公路龍川至懷集段，為全長(zhǎng)6 492m/6 483m的特長(zhǎng)公路隧道。全隧道共設(shè)置7處車行橫通道，長(zhǎng)度在25m～35m之間，與左、右線主隧道夾角約60°，與車行橫通道協(xié)調(diào)布置，單個(gè)緊急停車帶總長(zhǎng)度50m，有效長(zhǎng)度40m，縱向布置間距在700m～895m之間。

隧道的初支結(jié)構(gòu)采用20cm厚的C25噴射混凝土，二次襯砌采用40cm厚的C30混凝土。隧道車行橫通道內(nèi)輪廓采用直邊墻半圓拱斷面。內(nèi)輪廓凈寬5m，邊墻高度4m，拱部半徑為2.65m，凈空面積為27.87 m2。

圖1 隧道及車行橫通道結(jié)構(gòu)斷面

1.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

為研究隧道車行橫通道開挖的力學(xué)效應(yīng)，在主洞初支結(jié)構(gòu)中埋設(shè)測(cè)試傳感器進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)。在右線聯(lián)絡(luò)通道1(K195+524)與主隧道相交處設(shè)置監(jiān)控量測(cè)斷面，量測(cè)項(xiàng)目包括主隧道圍巖拱頂沉降和凈空收斂。

2 數(shù)值模型

2.1 模型建立及參數(shù)設(shè)置

數(shù)值計(jì)算采用MIDAS-GTS軟件進(jìn)行模擬。模擬過程中，計(jì)算采用彈塑性分析，巖體采用實(shí)體單元，選用Mohr-Column模型進(jìn)行模擬，具體參數(shù)如表1所示。噴射混凝土和二次襯砌均選用板單元進(jìn)行模擬，錨桿則采用植入式桁架進(jìn)行模擬。型鋼采用剛度等效的方式包含于噴射混凝土中進(jìn)行考慮。模型的具體參數(shù)如表2所示，材料厚度按照實(shí)際工程采用。

表1 Ⅳ級(jí)圍巖段隧道開挖模擬材料參數(shù)

表2 隧道開挖模擬材料參數(shù)

結(jié)合隧道具體尺寸，利用圣維南原理，模型尺寸設(shè)置為150m×90m×100m。隧道及橫通道等具體尺寸與實(shí)際工程相同。模型邊界采用位移邊界條件，如圖2所示。

圖2 MIDAS數(shù)值模型

2.2 施工過程模擬

模擬過程分8個(gè)階段進(jìn)行：

(1)圍巖形成自重應(yīng)力場(chǎng)→(2)主隧道開挖→(3)主隧道初期支護(hù)(噴射混凝土+錨桿)→(4)主隧道二次襯砌(車行橫通道口不施做)→(5)車行橫通道洞門打開→(6)車行橫通道開挖→(7)車行橫通道初期支護(hù)(噴射混凝土+錨桿)→(8)車行橫通道二次襯砌。圍巖形成自重應(yīng)力場(chǎng)后進(jìn)行模型位移清零，消除自重應(yīng)力的地層位移，從而得到隧道開挖引起的真實(shí)位移。

3 隧道車行橫通道布置的力學(xué)性能分析

3.1 不同布置角度下隧道車行橫通道的力學(xué)性能

3.1.1 車行橫通道的布置角度

車行橫通道與主隧道的相交角度不同時(shí)，交叉部位的圍巖局部應(yīng)力會(huì)產(chǎn)生不同程度的增大和集中，為此有必要針對(duì)不同角度下車行橫通道的力學(xué)效應(yīng)進(jìn)行研究。結(jié)合實(shí)際情況，對(duì)以下三種情況進(jìn)行分別考慮：(1)橫通道與主隧道90°相交；(2)橫通道與主隧道60°相交；(3)橫通道與主隧道30°相交。

圖3 不同布置角度的車行橫通道

3.1.2 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1.2.1 圍巖位移

根據(jù)數(shù)值軟件模擬，在整個(gè)施工過程中，拱腳水平位移整體變化較小，提取交叉口橫截面處主隧道拱頂、拱底和橫通道洞頂處的豎向位移，如表3所示。

表3 交叉口橫斷面的豎向位移 (單位：mm)

圖4 交叉口橫截面的位移變化

由表3和圖4可知，在車行橫通道支護(hù)完成之后，在不同的相交角度下，交叉口橫截面的主隧道拱頂位移分別為-7.78mm(90°)、-7.87mm(60°)、-8.51 mm(30°)，主隧道拱底位移分別為7.20mm(90°)、7.32mm(60°)、7.51mm(30°)，橫通道洞頂位移分別為-7.08mm(90°)、-7.31mm(60°)、-9.14mm(30°)。從整體上看，車行橫通道開挖將會(huì)導(dǎo)致主隧道圍巖位移增大，但相比于主隧道開挖的影響較小。車行橫通道與主隧道相交角度越小，主隧道上的開口面積就越大，對(duì)圍巖的擾動(dòng)越大，從而使得結(jié)構(gòu)的位移增大。

3.1.2.2 初支應(yīng)力

由圖5可知，在施工過程模擬中，當(dāng)橫通道與主隧道呈90°、60°和30°相交時(shí)，主洞初支最大拉應(yīng)力分別為129.952kPa、429.348kPa和1547.14kPa，位于橫通道與主隧道交叉口鈍角側(cè)側(cè)壁；最大壓應(yīng)力分別為-10 992.8kPa、-11 641.1kPa和14 925.4kPa，位于橫通道與主隧道交叉口銳角側(cè)壁。通過對(duì)比可知，橫通道與主隧道相交的角度越小，橫通道開挖對(duì)于主隧道圍巖擾動(dòng)越大，主隧道交叉處應(yīng)力集中越明顯。

圖5 橫通道與主隧道相交處主動(dòng)初支應(yīng)力云圖

3.2 不同緊急停車帶位置下隧道車行橫通道的力學(xué)性能

3.2.1 緊急停車帶與車行橫通道的相對(duì)位置關(guān)系

為了方便車輛在隧道中可能出現(xiàn)的掉頭情況，在橫通道附近均會(huì)設(shè)置緊急停車帶。緊急停車帶相對(duì)于主隧道截面增大，在整體結(jié)構(gòu)上看屬于結(jié)構(gòu)形式變化的關(guān)鍵點(diǎn)，車行橫通道亦然。結(jié)合實(shí)際情況，對(duì)以下兩種情況進(jìn)行分別考慮：(1)緊急停車帶與車行橫通道相對(duì)；(2)緊急停車帶與車行橫通道相鄰。如圖6所示。

圖6 不同布置角度的車行橫通道

3.2.2 計(jì)算結(jié)果及分析

3.2.2.1 圍巖位移

根據(jù)數(shù)值軟件模擬，在整個(gè)施工過程中，拱腳水平位移整體變化較小，提取交叉口橫截面處主隧道拱頂、拱底和橫通道洞頂處的豎向位移，如表4所示。

表4 交叉口斷面的豎向位移 (單位：mm)

由表4可知，在車行橫通道支護(hù)完成之后，在緊急停車帶與橫通道相對(duì)的條件下，主隧道拱頂和橫通道洞頂位移分別為-8.98mm和-7.79mm。在緊急停車帶與橫通道相鄰的條件下，主隧道拱頂和橫通道洞頂位移分別為-7.87mm和-7.31mm。緊急停車帶與橫通道相對(duì)時(shí)，交叉口隧道橫截面由于緊急停車帶而增大，故橫通道開挖引起的主隧道拱頂沉降較大，且主隧道拱頂和橫通道洞頂沉降總變形較大。

3.2.2.2 初支應(yīng)力

在施工過程模擬中，在緊急停車帶與橫通道相對(duì)的情況下，橫通道與主隧道交叉口側(cè)壁的最大拉應(yīng)力為732.984kPa，最大壓應(yīng)力為-12 593.95kPa；在緊急停車帶與橫通道相鄰的情況下，橫通道與主隧道交叉口側(cè)壁的最大拉應(yīng)力為429.348kPa，最大壓應(yīng)力為-11 641.1kPa。通過比較可知，當(dāng)緊急停車帶與橫通道相對(duì)時(shí)，橫通道施工所產(chǎn)生的附加應(yīng)力較大，應(yīng)力集中更為明顯。

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果分析

綜合考慮隧道車行橫通道布置的力學(xué)性能和交通疏散組織，特別是大型車輛的轉(zhuǎn)向性能，依托工程車行橫通道與主隧道60°相交，緊急停車帶與車行橫通道相鄰布置。

試驗(yàn)對(duì)聯(lián)絡(luò)通道1(K195+524)與主洞的相交處斷面的圍巖拱頂下沉和拱腳收斂進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)，量測(cè)時(shí)間為2018年2月17日至2018年3月29日。主隧道拱頂沉降曲線如圖7所示，2018年3月17日開始開挖橫洞。

圖7 主隧道拱頂沉降時(shí)程曲線

從圖7可以看出，在車行橫通道開挖前，監(jiān)測(cè)斷面拱頂受主洞掌子面施工開挖影響產(chǎn)生沉降，其拱頂沉降增長(zhǎng)速率較大。隨著主隧道掌子面的遠(yuǎn)離和初期支護(hù)作用，沉降增長(zhǎng)速率逐漸降低，到3月3日后，拱頂沉降趨于穩(wěn)定。橫通道開始施工后，沉降值迅速增加，隨著橫通道掌子面逐漸遠(yuǎn)離，拱頂沉降再度穩(wěn)定。從總體上看，主隧道的拱頂沉降滿足規(guī)范要求(0.2%D)，車行橫通道開挖將會(huì)引起主隧道的拱頂沉降增大，但相對(duì)于主隧道施工的影響較小。

圖8 主隧道橫向收斂時(shí)程曲線

橫向收斂時(shí)程位移曲線如圖8所示。由圖8可以看出，主隧道橫向收斂在車行橫通道施工之前由于主隧道開挖的影響呈現(xiàn)波動(dòng)上升的趨勢(shì)，且在3月4日以后逐漸趨于穩(wěn)定。車行橫通道開挖之后，交叉口處圍巖應(yīng)力發(fā)生重分布，主隧道橫向收斂位移波動(dòng)增大。在橫通道開挖初期，橫向收斂位移急劇增大，隨著橫通道掌子面距主遂道距離的增大，橫向收斂位移重新趨于穩(wěn)定。

5 結(jié)論

通過依托工程現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和對(duì)隧道車行橫通道力學(xué)效應(yīng)的有限元分析，可以得到以下結(jié)論：

(1)車行橫通道施工將會(huì)導(dǎo)致主隧道圍巖位移增大，主要表現(xiàn)在交叉口的初支拆除和施工初期階段，之后變形趨于穩(wěn)定。從總體上看，車行橫通道開挖引起的圍巖變形相比于主隧道施工較小。

(2)車行橫通道與主隧道的交叉角度越小，主隧道上的開口面積越大，對(duì)圍巖的擾動(dòng)就越大，從而使得施工引起的變形就越小，交叉口左右兩側(cè)產(chǎn)生的應(yīng)力集中也越明顯。

(3)當(dāng)緊急停車帶與橫通道相對(duì)時(shí)，交叉口隧道橫截面由于緊急停車帶而增大，橫通道開挖引起的主隧道拱頂沉降較大，且主隧道拱頂和橫通道洞頂沉降總變形較大。

(4)綜合考慮車行橫通道布置的力學(xué)性能和交通疏散組織，特別是大型車輛的轉(zhuǎn)向性能，依托工程采用車行橫通道與主隧道60°相交，緊急停車帶與車行橫通道相鄰布置。通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，該方案的圍巖變形滿足規(guī)范要求，施工安全，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。