特長公路隧道交叉區(qū)域最優(yōu)施工組合形式研究

林迪睿 張志強

【摘要】存在交叉段的特長公路隧道中，交叉區(qū)域隧道施工往往需采用特殊的施工工藝，不同的施工方法及不同加固段長度條件下，由于受到的施工擾動及襯砌剛度不同，圍巖及結(jié)構(gòu)所承擔(dān)的圍巖荷載差異較大，相應(yīng)的，交叉區(qū)域內(nèi)圍巖位移及襯砌結(jié)構(gòu)變形規(guī)律及應(yīng)力分布也不盡相同。文章依托四川汶馬高速公路米亞羅3號隧道2#行車橫通道與主洞交叉段施工工程，采用大型通用有限元軟件ANSYS對交叉段施工過程進行了模擬，分析了交叉段各指標(biāo)與施工工法以及加固段長度的關(guān)系，獲得了針對隧道交叉結(jié)構(gòu)的工法選擇的數(shù)值模擬依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】交叉區(qū)域; 單側(cè)壁導(dǎo)坑法; 三臺階七步法; 數(shù)值模擬

【中國分類號】U459.2【文獻標(biāo)志碼】A

隨著我國路網(wǎng)建設(shè)數(shù)量的劇增，長大深埋公路隧道越來越多。為了能在交通事故發(fā)生時及時疏散車輛及人員，減少人員財產(chǎn)損失，車行或人行橫通道的設(shè)置便十分重要。交叉區(qū)域隧道施工往往需采用特殊的施工工藝，不同的施工方法及不同加固段長度條件下，由于受到的施工擾動及襯砌剛度不同，圍巖及結(jié)構(gòu)所承擔(dān)的圍巖荷載差異較大，相應(yīng)的，交叉區(qū)域內(nèi)圍巖位移及襯砌結(jié)構(gòu)變形規(guī)律及應(yīng)力分布也不盡相同，因此要確定交叉區(qū)域內(nèi)最優(yōu)的施工工藝及優(yōu)化參數(shù)，就需要針對不同施工方法及不同加固段長度組合形式下，交叉區(qū)域各項性能指標(biāo)進行對比分析。

近年來許多學(xué)者對隧道交叉段進行了研究，張強勇等[1]利用理論分析與三維隧道模型試驗，分析了分岔隧道施工后，洞周土體圍巖在一般情況和超載情況的位移及受力情況、錨桿受力情況;張俊[2]利用ADINA有限元軟件對比分析了不同工況的交叉段隧道施工，研究了交叉段圍巖變形規(guī)律，結(jié)構(gòu)的裂縫分布，圍巖-襯砌接觸應(yīng)力分布形態(tài);王緒等[3]利用有限元軟件Midas-GTS-NX軟件建立了小凈距聯(lián)絡(luò)橫通道的對稱數(shù)值模型，研究了正道和橫通道的各項性能指標(biāo);羅雪松[4]依托木寨嶺1#施工橫洞，理論分析隧道正洞與橫通道交叉口的三維受力狀況，研究了有交叉段的橫洞開挖施工順序。

1 公路隧道交叉區(qū)模型建立

隧道洞身圍巖由T3zh地層構(gòu)成，巖性主要為變質(zhì)砂巖、板巖、千枚巖組成，屬堅硬-軟巖。T3zh地層呈薄-中層狀構(gòu)造，巖體較破碎，圍巖呈層狀碎裂結(jié)構(gòu)，局部鑲嵌結(jié)構(gòu);地下水以基巖孔隙裂隙水為主，呈點滴或線狀出水為主;圍巖穩(wěn)定性較差，拱頂無支護時易坍塌，側(cè)壁有時失去穩(wěn)定，主要為V級圍巖。

圍巖計算參數(shù)參考現(xiàn)行的JTG D70-2004《公路隧道設(shè)計規(guī)范》進行取值，如表1所示。

在三維有限元模型中，對于圍巖、主隧道、車行橫通道及相關(guān)支護結(jié)構(gòu)均采用SOLID45單元的塊體三維實體單元進此次的建模分兩部分，采用兩種不同的工法：單側(cè)壁導(dǎo)坑法和三臺階七步法。

（1）單側(cè)壁導(dǎo)坑法分3個子工序：子工序一對主隧道循環(huán)開挖，施作初期支護、施作中隔壁支護;子工序二對行車橫通道全斷面開挖，并施作初期支護;子工序三分多次拆除所有中隔壁。

（2）三臺階七步法分2個子工序：子工序一對主隧道預(yù)留核心土環(huán)形循環(huán)開挖，及時施作初期支護;子工序二對行車橫通道全斷面開挖，及時施作初期支護。

兩種工法的施工工序如圖2和圖3所示。

2 計算結(jié)果分析

2.1 圍巖位移及結(jié)構(gòu)變形程度分析

針對由三臺階七步法、單側(cè)壁導(dǎo)坑法兩種工法及0 m、7 m、14 m三種襯砌結(jié)構(gòu)加固長度組成的6種施工組合形式下圍巖位移及襯砌結(jié)構(gòu)變形進行分析，計算結(jié)果如圖4所示。

隧道施工結(jié)束后洞周圍巖變形見表2、圖5。

由圖5和表2可以看出，隧道施工結(jié)束后，洞周圍巖變形量具有以下特征：

（1）主隧道拱肩至拱頂部分圍巖產(chǎn)生明顯位移沉降，交叉區(qū)域最大圍巖位移量出現(xiàn)在拱頂區(qū)域，而由于行車橫通道的存在，交叉區(qū)域圍巖位移出現(xiàn)明顯不對稱分布，橫通道一側(cè)圍巖位移量大于相對側(cè);仰拱部位出現(xiàn)鼓起現(xiàn)象，且鼓起最大量也出現(xiàn)在仰拱偏向行車橫通道位置。

（2）在相同加固段長度下，三臺階七步法引起的圍巖位移量略大于單側(cè)壁導(dǎo)坑法，說明在交叉段區(qū)域施加臨時支撐等支護方式有助于減小洞周圍巖變形量。

（3）在同種施工方法下，隨著隧道加固段長度增加，交叉區(qū)域洞周圍巖位移量逐步減小，但減小幅度隨之降低趨于收斂，對于單側(cè)壁導(dǎo)坑法，采用7 m加固段長度相比未加固時位移量減小6.36 %，而采用14 m加固段長度相比未加固時減小7.75 %;對于三臺階七步法，采用7 m加固段長度相比未加固時位移量減小6.03 %，而采用14 m加固段長度相比未加固時減小7.76 %。

2.2 交叉區(qū)域圍巖塑性區(qū)對比分析

交叉區(qū)域圍巖塑性區(qū)分布見圖6。

由圖6可知，各工況下圍巖塑性區(qū)分布基本相似，交叉區(qū)域塑性區(qū)較為集中，塑性區(qū)最大值出現(xiàn)在主隧道與行車橫通道拱腰相交處，仰拱部位未出現(xiàn)塑性區(qū)，說明兩種施工方法開挖對控制隧道開挖過程中仰拱部位的塑性變形效果較好，減小了仰拱部位圍巖的受力。在相同加固段長度條件下，相比三臺階七步法采用單側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，洞周圍巖塑性區(qū)范圍較小;在同種施工方法下，交叉區(qū)域隧道襯砌加固段長度對洞周圍巖塑性區(qū)大小有明顯改善，而隨著加固段長度增加，圍巖塑性區(qū)改善效果逐漸降低。

2.3 隧道襯砌支護結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布特征對比分析

隧道襯砌支護結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布見圖7。

根據(jù)不同施工組合形式下隧道交叉區(qū)域第三主應(yīng)力分布特征對比分析可知：

（1）因行車橫通道開挖引起側(cè)向約束作用的減小，造成橫通道側(cè)與橫通道對側(cè)襯砌結(jié)構(gòu)第三主應(yīng)力分布存在明顯差異，呈不對稱分布，第三主應(yīng)力主要集中在主隧道與行車橫通道交叉口處，存在明顯應(yīng)力集中效應(yīng)，拱腰及拱腳部位相交處，集中程度最大，距離交叉中心越遠，第三主應(yīng)力逐漸減小并趨于穩(wěn)定;交叉口處偏壓效應(yīng)最為突出，此區(qū)域應(yīng)采取

減小開挖步距和加強支護等措施來保證工程安全。

（2）兩種施工方法第三主應(yīng)力存在部分差異，采用單側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，由于采取了臨時支護措施，有效控制洞周圍巖塑性區(qū)范圍使襯砌結(jié)構(gòu)承擔(dān)較小的松弛荷載和形變荷載，因而其襯砌結(jié)構(gòu)第三主應(yīng)力集中程度相對三臺階七步法較小。

（3）在采用同種施工方法的情況下，襯砌結(jié)構(gòu)加固段長度不同，第三主應(yīng)力分布也存在明顯差異，由于加固段襯砌結(jié)構(gòu)剛度更大，應(yīng)力分布發(fā)生轉(zhuǎn)移，向剛度更大的區(qū)域集中，因此隨著加固段長度的增加，加固段區(qū)域內(nèi)的襯砌結(jié)構(gòu)承擔(dān)更多的應(yīng)力分布。

3 結(jié)論

本文采用ANSYS對不同工法和加固段長度的交叉隧道進行了模擬和分析，主要結(jié)論如下：

（1）因為行車橫通道的存在，交叉區(qū)域的圍巖變形表現(xiàn)出相當(dāng)程度的不對稱性，通過選用合適的工法，即選取單側(cè)壁導(dǎo)坑法能在一定程度減小圍巖變形。采用大的加固段長度亦能減小圍巖變形，但從經(jīng)濟效益上比選，加固段長度不宜過長。

（2）隨著開挖進行，兩種工法出現(xiàn)相似的塑性區(qū)：塑性區(qū)最大值出現(xiàn)在兩通道拱腰交叉處，而拱頂均無塑性區(qū)。隨著加固段長度變長，塑性區(qū)得到改善，但改善效果逐漸變小。

（3）在通道交叉處，第三主壓應(yīng)力存在應(yīng)力集中，在此區(qū)域的開挖應(yīng)采用更小的步距和更強的支護。由于單側(cè)壁導(dǎo)坑良好的約束效果，第三主應(yīng)力的集中程度較小。對于不同的加固長度，由于第三主應(yīng)力向剛度更大部分轉(zhuǎn)移，長加固長度能更好的改善應(yīng)力集中的狀況。

根據(jù)以上分析，綜合考慮圍巖位移、圍巖塑性區(qū)范圍及襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布特征，隧道交叉區(qū)域內(nèi)采用單側(cè)壁導(dǎo)坑法施工較三臺階七步法施工更為合理，同時在考慮加固段長度時，采用7 m加固段長度，能同時滿足交叉區(qū)域施工安全性和工程經(jīng)濟性的要求。

參考文獻

[1] 張強勇，李術(shù)才，李勇，等.大型分岔隧道圍巖穩(wěn)定與支護三維地質(zhì)力學(xué)模型試驗研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2007（S2）：4051-4059.

[2] 張俊.公路隧道與輔助通道交叉結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析[J].路基工程，2018（6）：167-171.

[3] 王緒，鐘敏，晏啟祥.小凈距隧道與橫通道空間交叉結(jié)構(gòu)施工力學(xué)分析[J].四川建筑，2019，39（3）：188-191.

[4] 羅雪松.高速公路隧道施工通道與正洞交叉口施工方法[J].工程建設(shè)與設(shè)計，2020（12）：169-170.

[5] JTGD 70-2004 公路隧道設(shè)計規(guī)范[S].