城市隧道排煙豎井對主隧道結(jié)構(gòu)的影響研究

高法啟，李 逸，鄒 琦

（中國市政工程中南設(shè)計研究總院有限公司，湖北 武漢 430010）

0 引 言

隨著城市經(jīng)濟(jì)快速增長及人口的高度集中，對于城市隧道的修建需求日益迫切，越來越多的城市隧道正在興建[1]。城市隧道由于交通量大、設(shè)有人行道且處于封閉環(huán)境中，一旦發(fā)生火災(zāi)后果將極其嚴(yán)重，因此城市隧道的通風(fēng)排煙設(shè)計極為重要[2]。城市隧道的重點排煙設(shè)計通常采用排煙豎井[3-4]，但有關(guān)排煙豎井對主隧道結(jié)構(gòu)安全的影響研究并不多見。本文以長陽鳳凰山隧道工程為例，通過Midas/GTS[5]三維數(shù)值模擬，研究排煙豎井對主隧道結(jié)構(gòu)的影響，并根據(jù)計算結(jié)果提出具體建議，供類似工程借鑒。

1 工程概況

1.1 主隧道概況

長陽鳳凰山隧道位于湖北省宜昌市長陽土家族自治縣境內(nèi)，北起廩君大道，穿越鳳凰山，南接四沖二街。隧道為城市次干路，設(shè)計時速30 km/h，雙向2車道+人行道單洞隧道。隧道長545 m，標(biāo)準(zhǔn)斷面凈寬14.1 m，凈高9.37 m，隧道二襯厚度0.6 m。隧道標(biāo)準(zhǔn)段橫斷面見圖1。

圖1 隧道標(biāo)準(zhǔn)段斷面圖

1.2 排煙豎井設(shè)置

由于隧道內(nèi)設(shè)置人行道，考慮到重點排煙的需要，通過在隧道小里程洞口處設(shè)置排煙豎井的方式，將排煙道從隧道頂部接到地表高程以下，再通過明挖的排煙道將煙氣排到排煙風(fēng)機(jī)房中。豎井截面為圓形，內(nèi)徑為5 m，位于主隧道正上方（見圖2）。

圖2 主隧道與排煙豎井連接示意圖

主隧道及排煙豎井均采用復(fù)合式襯砌，按新奧法原理設(shè)計[6-7]，初期支護(hù)以鋼架、錨桿、鋼筋網(wǎng)、混凝土共同組成聯(lián)合支護(hù)系統(tǒng)，二次襯砌為鋼筋混凝土。初期支護(hù)主要承受施工期間的荷載，保證施工期間的圍巖穩(wěn)定；二次襯砌與初期支護(hù)共同承受永久荷載，保證隧道結(jié)構(gòu)安全。排煙豎井在主隧道二次襯砌施做并達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度后再進(jìn)行施工，排煙豎井為永久結(jié)構(gòu)，因此需要分析排煙豎井對主隧道結(jié)構(gòu)的影響，并根據(jù)分析結(jié)果采取相應(yīng)的保護(hù)措施。

2 工程地質(zhì)

根據(jù)長陽鳳凰山隧道項目巖土工程勘察報告，隧道主要處于中風(fēng)化炭質(zhì)灰?guī)r地層中，地表覆蓋厚約8 m 的碎石土。碎石土為殘、坡積成因，褐色、灰褐色，呈棱角狀，母巖成分為中風(fēng)化灰?guī)r，其間為黏性土充填，整體呈松散狀。中風(fēng)化炭質(zhì)灰?guī)r主要礦物成分為鈣質(zhì)礦物和少量黏土礦物，鈣質(zhì)膠結(jié)，巖質(zhì)較新鮮，節(jié)理裂隙發(fā)育，沿裂隙面有白色方解石脈，方解石脈可見少量小的巖溶孔隙，裂隙充填物為黏土礦物，屬較硬巖。碎石土及中風(fēng)化炭質(zhì)灰?guī)r的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)表

3 數(shù)值模擬

3.1 巖土本構(gòu)模型

巖土材料本構(gòu)模型選用Mohr-Coulomb（M-C）模型。該模型作為一種理想彈塑性模型[8-9]，基于非關(guān)聯(lián)的流動法則，采用的是理想彈塑性M-C 屈服條件并且考慮屈服強(qiáng)度極限準(zhǔn)則，具體表達(dá)式見式（1）～式（4）。

3.2 模型建立

采用Midas /GTS 三維數(shù)值模擬分析軟件建立排煙豎井、主隧道及地層模型；巖土體本構(gòu)模型選為M-C 模型，模型尺寸為80 m×80 m×80 m。模型網(wǎng)格根據(jù)地勘報告分為2 層，上層為厚8 m 的碎石土，下層為中風(fēng)化炭質(zhì)灰?guī)r。為實現(xiàn)網(wǎng)格的耦合，在建好幾何模型后，對所有實體執(zhí)行連接操作，以保證模型內(nèi)部網(wǎng)格的耦合。模型四周約束水平位移，模型底部約束豎向及水平位移。模型荷載為重力荷載。施工模擬分析前，需先進(jìn)行初始地應(yīng)力平衡，以保證三維模擬的精確度，整體模型見圖3。

圖3 整體模型

根據(jù)工程設(shè)計實際情況，主隧道采用CD 法開挖，豎井采用全斷面開挖。主隧道模型與豎井連接模型見圖4。

圖4 主隧道與豎井連接模型

3.3 計算過程

3.3.1 初始地應(yīng)力平衡

為進(jìn)行模型的初始地應(yīng)力平衡，獲得模型的初始地應(yīng)力場，需對建立的地層結(jié)構(gòu)模型的土體進(jìn)行固結(jié)過程模擬。對模型施加邊界條件后，按照巖土工程勘察報告對各層土體賦予相應(yīng)的參數(shù)，使土體在自重作用下進(jìn)行應(yīng)力平衡，得到整個地層結(jié)構(gòu)模型的初始應(yīng)力場，并將模型位移清零。

3.3.2 隧道及豎井開挖過程模擬

利用Midas/ GTS 軟件的施工階段模擬功能進(jìn)行隧道及豎井開挖過程的模擬，隧道為CD 法開挖，豎井為全斷面開挖。隧道及豎井二襯采用實體單元進(jìn)行模擬，隧道初支采用板單元進(jìn)行模擬，錨桿采用植入式桁架單元進(jìn)行模擬。土體采用M-C 本構(gòu)模型，初支、二襯及錨桿采用彈性模型。利用軟件的施工階段模擬功能，進(jìn)行隧道及豎井開挖過程的模擬。隧道CD 法開挖模型網(wǎng)格劃分見圖5。

圖5 隧道CD 法開挖模型網(wǎng)格劃分

4 計算結(jié)果及分析

4.1 應(yīng)力

豎井開挖前后，主隧道與豎井連接處的應(yīng)力分布見圖6。根據(jù)應(yīng)力計算結(jié)果可知，豎井的布置改變了隧道局部受力模式。豎井影響范圍內(nèi)采用傳統(tǒng)的二維平面應(yīng)變模型來進(jìn)行數(shù)值模擬已經(jīng)不能反映隧道的真實受力狀態(tài)，利用三維數(shù)值模擬分析豎井對隧道結(jié)構(gòu)的影響更為合理。

圖6 隧道應(yīng)力分布

豎井未施工前，隧道拱頂二襯最大應(yīng)力約為0.16 MPa；豎井開挖后，豎井與主隧道接口處混凝土最大壓應(yīng)力值約為1.42 MPa；與豎井相接處主隧道整體受力狀態(tài)也發(fā)生改變，即隧道頂部內(nèi)側(cè)受壓區(qū)范圍擴(kuò)大，拱腰處外側(cè)受壓區(qū)范圍相應(yīng)縮小。這表明豎井的施工改變了主隧道的受力狀態(tài)，豎井與主隧道接口處產(chǎn)生了應(yīng)力集中現(xiàn)象。為消除豎井施工對主隧道結(jié)構(gòu)的不利影響，確保主隧道結(jié)構(gòu)安全，設(shè)計采取相應(yīng)措施，如加強(qiáng)襯砌支護(hù)設(shè)計參數(shù)、主隧道增加環(huán)向框架梁等。

4.2 位移

隧道豎向位移計算結(jié)果見圖7。

圖7 隧道豎向位移

由圖7 可知，主隧道導(dǎo)坑開挖后，隧道拱頂最大豎向位移為1.42 mm，主隧道全斷面開挖后增至3.05 mm，增長115%。待豎井開挖后，拱頂最大位移增至3.12 mm，較上一工況僅增長2.3%，說明豎井的設(shè)置對拱頂沉降影響很小。

主隧道導(dǎo)坑開挖后，隧道底部隆起值為1.33 mm，全斷面開挖后增至2.41 mm，增長81%。待豎井開挖后，隧底隆起值增至2.95 mm，較上一工況增長22.4%，說明豎井的設(shè)置對隧底隆起影響稍大。

對隧道及豎井各階段沉降值及隧底隆起值的統(tǒng)計結(jié)果見表2。

表2 隧道及豎井沉降值及隧底隆起值 單位：mm

根據(jù)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，各工況下的拱頂沉降及底部隆起均在安全允許范圍內(nèi)，說明采用CD 法進(jìn)行該隧道的開挖是安全的。豎井開挖后，拱頂沉降增加不明顯，隧底隆起增加較明顯，是由于豎井開挖的卸荷作用所致。增大后的隆起值仍在安全范圍內(nèi)，說明本工程采取的措施安全合理。

5 結(jié) 語

（1）排煙豎井施工前后，主隧道與豎井連接處的最大壓應(yīng)力由0.16 MPa 增至1.42 MPa，出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。

（2）由于排煙豎井的卸荷作用，對拱頂沉降影響較小，對底部隆起影響稍大。

（3）為消除排煙豎井對主隧道結(jié)構(gòu)的不利影響，采取加強(qiáng)襯砌支護(hù)設(shè)計參數(shù)、主隧道增加環(huán)向框架梁等措施，可以保證隧道結(jié)構(gòu)安全。