特長(zhǎng)公路隧道主洞與配電室交叉結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

易志偉，張志強(qiáng)

(西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川成都 610031)

對(duì)于長(zhǎng)大公路隧道，由于運(yùn)營(yíng)的需要，每隔一段距離需要設(shè)置一座通風(fēng)井，風(fēng)井與主洞連接處常常形成交叉結(jié)構(gòu)。由于交叉段變截面、成坡施工等特點(diǎn)，在主隧道側(cè)壁開挖交叉隧道后，易造成圍巖側(cè)壁約束作用削弱，支護(hù)結(jié)構(gòu)拱形效應(yīng)消失，進(jìn)而改變隧道交叉段支護(hù)體系的原有應(yīng)力分布，使得在施工過程中隧道交叉段結(jié)構(gòu)安全性能降低，容易引起隧道發(fā)生過大變形，嚴(yán)重影響工程的安全和穩(wěn)定性[1-4]。

本文以寶塔山隧道2#風(fēng)機(jī)房的配電室與主洞交叉結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，對(duì)主洞和配電室形成的典型交叉結(jié)構(gòu)展開施工力學(xué)行為分析，以期保證圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，為類似工程建設(shè)提供一定的理論及技術(shù)保障[5]。

1 隧道工程概況

寶塔山隧道位于林深巖堅(jiān)的太行山腹地，屬平榆高速公路的關(guān)鍵控制性工程。寶塔山隧道2#風(fēng)機(jī)房位于巖體較較完整，構(gòu)造條件較為簡(jiǎn)單的單斜地層。采用噴射聚丙烯纖維混凝土作為單層襯砌，配電室通道單洞跨度8.00 m，高7.00 m，主洞單洞跨度11.80 m，高8.38 m，均設(shè)置仰拱。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 數(shù)值計(jì)算模型建立

本文采用ADINA有限元模擬軟件進(jìn)行三維數(shù)值模擬分析[6-8]。三維數(shù)值模型尺寸為：埋深取53 m，沿y方向(主洞)模型取66 m，沿x方向(配電室)模型取82 m。圍巖采用摩爾-庫倫材料，支護(hù)采用聚丙烯纖維混凝土材料。整個(gè)模型共152 132個(gè)單元，143 269個(gè)節(jié)點(diǎn)。隧道局部交叉三維模型如圖1所示。

圖1 隧道局部交叉三維模型

2.2 模型參數(shù)與計(jì)算方案設(shè)置

模型隧道主洞開挖方式采用臺(tái)階法，配電通道開挖方式采用全斷面法，所處地層為Ⅳ級(jí)圍巖。圍巖及支護(hù)材料計(jì)算力學(xué)參數(shù)如表1所示。

3 計(jì)算結(jié)果分析

本節(jié)主要研究Ⅳ級(jí)圍巖下，隧道施工開挖對(duì)寶塔山隧道2#風(fēng)機(jī)房的配電室與主洞交叉結(jié)構(gòu)的圍巖變形、接觸應(yīng)力和結(jié)構(gòu)內(nèi)力產(chǎn)生的影響。

表1 圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)表

3.1 圍巖變形分析

圖2 主洞拱頂沿縱向的豎向變形曲線

圖3 主洞仰拱沿縱向的豎向變形曲線

圖4 配電室拱頂縱向的豎向變形曲線

圖5 配電室底部縱向的豎向變形曲線

經(jīng)過計(jì)算分析，分別得到主洞拱頂、仰拱沿縱向的豎向變形曲線和配電室拱頂、仰拱沿縱向的豎向變形曲線，具體如圖2～圖5所示。通過比較分析可知：

(1)從主洞縱向變形路徑圖來看，拱頂、仰拱的最大變形量在交叉部位，兩側(cè)變形量以隧道交叉部位的中心為原點(diǎn)對(duì)稱分布。且在隧道交叉中心10 m范圍內(nèi)，變形量迅速增加，距離交叉部位越遠(yuǎn)，變形量逐漸減小，主洞遠(yuǎn)端受交叉口空間效應(yīng)的影響有限，幾乎沒有影響，說明T交叉結(jié)構(gòu)中，主隧道的變形影響區(qū)范圍為10 m。

(2)從配電室縱向變形路徑圖來看，拱頂、仰拱的最大變形量出現(xiàn)在交叉段環(huán)口端部位置。在距離交叉端口15 m范圍內(nèi)，變形量迅速增加，距離交叉部位越遠(yuǎn)，變形量逐漸減小。配電遠(yuǎn)端受交叉口空間效應(yīng)的影響有限，幾乎沒有影響，說明T形交叉結(jié)構(gòu)中，配電室通道的變形影響區(qū)范圍為15 m。

3.2 圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)接觸應(yīng)力分析

在進(jìn)行圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)接觸應(yīng)力分析時(shí)，選取的研究橫斷面如圖6所示。

圖6 支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析截面位置示意

經(jīng)過計(jì)算分析，分別得到配電室通道洞周接觸應(yīng)力和主洞洞周接觸應(yīng)力，具體如圖7～圖8所示。

圖7 配電室通道斷面1洞周接觸應(yīng)力

圖8 主洞斷面2洞周接觸應(yīng)力

通過分析可知：

(1)從交叉段橫斷面上看，配電室通道、主洞支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖洞周法向接觸應(yīng)力分布規(guī)律大致為：以仰拱為中心呈現(xiàn)波動(dòng)式對(duì)稱分布，拱頂、仰拱出現(xiàn)極小值，極大值出現(xiàn)在拱腳位置；切向接觸應(yīng)力的變化趨勢(shì)與法向接觸應(yīng)力變化趨勢(shì)大致相同。

(2)分析主洞洞周接觸應(yīng)力圖可知，從橫斷面接觸應(yīng)力來看，左右拱腳圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)之間的接觸壓力存在明顯差異。相對(duì)于交叉開口環(huán)一側(cè)，交叉節(jié)點(diǎn)對(duì)側(cè)的接觸應(yīng)力值明顯偏大，增大了80 %，說明不對(duì)稱結(jié)構(gòu)中存在偏壓現(xiàn)象，偏壓位置位于交叉節(jié)點(diǎn)對(duì)側(cè)，即圍巖側(cè)向剛度較大一側(cè)。

3.3 支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

通過將計(jì)算得到的應(yīng)力進(jìn)行分析，分別獲得隧道主洞和配電室得到支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力與安全系數(shù)，具體如圖9、圖10所示。受力最不利情況如表2所示。

圖9 主洞支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力與安全系數(shù)

圖10 配電室支護(hù)內(nèi)力與安全系數(shù)

內(nèi)力Ⅳ級(jí)圍巖配電室通道部位主洞部位軸力/kN1120拱腳1308拱腳彎矩/(kN·m)-3.85拱腳4.31拱腳最小安全系數(shù)3.99拱腳2.47拱腳

通過對(duì)比以上結(jié)構(gòu)內(nèi)力及安全系數(shù)情況可知：

(1)主洞、配電室通道軸力最大的位置出現(xiàn)洞室的拱腰附近，最小值出現(xiàn)在拱頂和仰拱處，配電室通道支護(hù)結(jié)構(gòu)軸力最大值分別為：971 kN、1 120 kN；主洞支護(hù)結(jié)構(gòu)最大軸力分 別為1179kN、1308kN。

(2)配電室通道拱頂及拱墻部位內(nèi)側(cè)(靠近隧道凈側(cè))受拉，而拱腳部位外部(靠近圍巖側(cè))受拉，配電室通道支護(hù)結(jié)構(gòu)彎矩最大值出現(xiàn)在拱腳附近，分別為3.46 kN·m、3.85 kN·m；主洞支護(hù)結(jié)構(gòu)由于開挖以及結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱，導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)存在一定的偏壓現(xiàn)象。在靠近交叉環(huán)口一側(cè)，拱腳的內(nèi)側(cè)受拉，在環(huán)口對(duì)側(cè)，拱腳的外側(cè)受拉。此外，拱頂和仰拱的內(nèi)側(cè)受拉，最大彎矩出現(xiàn)在拱腳附近，分別為3.91 kN·m、4.31 kN·m。

(3)在配電室和主洞的拱腰附近出現(xiàn)安全系數(shù)最小值。

4 結(jié)論

本文主要對(duì)特長(zhǎng)公路隧道主洞與配電室典型交叉地下空間結(jié)構(gòu)展開施工力學(xué)特征研究。通過分析交叉部圍巖變形、支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖接觸應(yīng)力、支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布規(guī)律，得到如下結(jié)論：

(1)在隧道主洞與配電室交叉結(jié)構(gòu)中，拱頂最大沉降量和仰拱最大鼓起量均出現(xiàn)在交叉中心偏向配電室的位置。

(2)隧道主洞、配電室通道的支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖間的接觸應(yīng)力分布對(duì)稱，接觸應(yīng)力分布比較均勻，但在隧道主洞處存在一定的接觸應(yīng)力集中現(xiàn)象。

(3)主洞、配電室通道軸力最大的位置出現(xiàn)洞室的拱腰附近，彎矩最大值出現(xiàn)在拱腳附近，主洞支護(hù)結(jié)構(gòu)由于開挖以及結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱，導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)存在一定的偏壓現(xiàn)象，交叉結(jié)構(gòu)拱腰部位安全系數(shù)最小，最為危險(xiǎn)。