特大斷面隧道車行橫通道施工力學特性研究

中圖分類號：U453 文獻標識碼：A DOl：10.13282/j.cnki.wccst.2025.03.049

文章編號：1673-4874（2025）03-0171-04

0 引言

隨著城市化進程的加速和交通需求的增加，隧道作為一種有效的交通基礎設施被廣泛采用。無論是在城市還是郊區(qū)，隧道的修建都成為了解決交通擁堵和改善交通效率的重要手段之一。隧道不僅可以連接各個城區(qū)，還可以跨越山脈、河流和其他地形障礙，極大地改善了區(qū)域之間的交通連通性。同時，隧道的建設也為經(jīng)濟發(fā)展和城市規(guī)劃提供了更多的空間和可能性。而隧道中車行橫通道的存在對于應對緊急情況和提高安全性至關重要。在隧道中，一旦發(fā)生事故或火災等緊急情況，車行橫通道可以幫助車輛迅速脫離危險區(qū)域，減少事故造成的損失和人員傷亡。但車行橫通道往往在主線隧道施工和支護完成后進行開挖，會對已穩(wěn)定的圍巖和主線支護結構產生擾動，影響隧道的穩(wěn)定性，為此許多學者針對車行橫通道施工力學特性展開了研究。

黃平[1對車行橫通道施工過程中的結構變形進行分析，并基于安全系數(shù)驗算法，認為施作襯砌后能有效減少車行橫通道豎向變形，車行橫通道施工對隧道右洞的影響大于隧道左洞。蔡亦來[2針對近距離長大隧道主洞和橫通道開挖爆破對既有多病害條件下的隧道的影響展開系統(tǒng)研究，選用振動速度作為判據(jù)。李曉博3采用三維有限元仿真和現(xiàn)場試驗相結合的方法，基于力學效應對隧道車行橫通道不同的布置方式進行了研究與分析，結果表明車行橫通道與主隧道的交叉角度越小，橫通道施工引起的圍巖變形越大，產生的應力集中越明顯。候乾坤等4通過監(jiān)測隧道質點振動速度，運用HHT及FFT信號處理技術對振動信號進行分析，研究發(fā)現(xiàn)在車行橫洞爆破掘進過程中，測點的3個方向峰值振速中垂直方向最大，車行橫洞掘進爆破時對銳角側圍巖影響較大。朱海斌5依托新嶺隧道拓寬工程，采用理論分析、仿真計算及原位監(jiān)測相結合的綜合研究方法，對新建隧道與斜向車行洞交叉段圍巖的力學破壞機制、支護機理及穩(wěn)定性進行了研究。此外，陳衛(wèi)忠等[6-15]也對類似交叉隧道的開挖和支護效應進行了研究，并取得一定成果。

本文依托重慶火鳳山隧道，通過開展數(shù)值計算，模擬車行橫通道的開挖和支護過程，分析車行橫通道施工對既有主線隧道的影響，總結車行橫通道區(qū)域的圍巖位移、圍巖壓力、支護結構應力，研究特大斷面隧道車行橫通道支護結構的力學特性及變形規(guī)律。

1工程概況

火鳳山隧道屬于重慶曾家?guī)r北延伸穿越跨內環(huán)新增通道的重點控制工程，為雙線分離式隧道，左右線為三車道，建筑限界寬度為13.25m?；瘌P山隧道共設2處匝道和4處連接線，左右主線間、連接線與主線間設置有車行橫通道。左右主線隧道分別與兩處連接線相連，共同構成“Y\"字形分岔小凈距隧道，主線隧道分岔前不斷加寬，最大開挖面積達到400 m² ，屬于特大斷面隧道。

2數(shù)值模型的建立

根據(jù)火鳳山隧道實際的地質條件和施工方案建立三維數(shù)值計算模型。為消除邊界效應的影響，計算模型的尺寸橫向寬度設計為 、長度設計為88m，為模擬實際隧道埋深，模型高度設計為 80m_c 。為模擬實際開挖條件，將模型的底面及四周采用法向固定的方式對其邊界進行約束，模型底部邊界的約束方向為豎向、前后左右邊界的約束方向為水平。隧道圍巖及土體采用實體單元，按照均質彈塑性材料進行計算并采用摩爾一庫侖準則，初期支護和二次襯砌采用實體單元模型并視為線彈性體。超前支護和錨桿采用cable單元進行模擬。由于隧道埋深較淺，計算時僅考慮自重應力場的影響，先對土體和既有左右線結構進行自重應力場計算，再開挖車行橫通道。如圖1所示為計算模型。

在施工過程模擬中，車行橫通道采用上下臺階法開挖，開挖跨度為9m，上臺階高度為5.1m，下臺階高度為4.7m ，開挖進尺為1m，上下臺階錯距為9m。支護結構包括超前支護、錨桿、初期支護和二次襯砌。錨桿和初期

支護開挖后施作，二次襯砌待車行橫通道貫通后施作。

開挖過程如圖2所示。

如圖3所示為監(jiān)測斷面和監(jiān)測點分布圖。監(jiān)測位置如下：（1）3個車行橫通道監(jiān)測斷面，分布在車行橫通道的1/4等分處，間距為 8m ，每個斷面包含8個監(jiān)測點（拱頂、左右拱肩、左右拱腰、左右拱腳、拱底）；（2）右線隧道拱頂沿縱向均布7個監(jiān)測點，間距為 5m ，中間的監(jiān)測點與車行橫通道的軸線齊平；（3）左線隧道拱頂布置1個監(jiān)測點，與車行橫通道的軸線齊平。

3計算結果分析

3.1 圍巖位移

如圖4所示為車行橫通道施工完成后的圍巖位移云圖。由圖4（a）可知，隨車行橫通道開挖，兩端圍巖的豎直方向位移小于中間的圍巖，拱頂為 3.0～4.6mm 的沉降，拱底為 6.0～7.3mm 的隆起；由圖4（b）可知，拱頂沉降為 14.3mm ，拱底隆起為6. 4mm 。

3.2 圍巖壓力

如圖5所示為車行橫通道施工完成后圍巖最大和最小主應力分布云圖。由圖5可知，在車行橫通道施工完成后，車行橫通道與左右主線隧道連接處附近的圍巖出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，最小主應力值為-16. 02～-5.0MPa A遠大于主線隧道另一側的 2.0～3.0MPa ；最大主應力值為 3.5～4.0MPa ，遠大于主線隧道另一側的 0～ 0.5MPa 。施工時應注意連接處圍巖的穩(wěn)定性。

3.3 支護結構應力

如圖6所示為車行橫通道施工完成后初期支護最大和最小主應力分布云圖。由圖6可知，在車行橫通道施工完成后，初期支護在與左右主線隧道連接處出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，最小主應力值為 -4.00～-23.25MPa ，遠大于其他部位的 -4.00～1.67MPa ；最大主應力值為2.00～7.52MPa ，遠大于其他部位的 -3.28～1.67MPa 施工時應加強車行橫通道該部位初期支護的監(jiān)測。

3.4圍巖塑性區(qū)

如圖7所示為車行橫通道施工完成后的塑性區(qū)分布云圖。由圖7可知，車行橫通道開挖后，車行橫通道與左右主線隧道連接處圍巖集中出現(xiàn)破壞現(xiàn)象，為受拉和剪切破壞；車行橫通道左右拱肩至拱腳部位圍巖出現(xiàn)剪切破壞。

3.5主線隧道位移和支護結構應力

如圖8所示為車行橫通道施工完成后右主線隧道沿縱向不同拱頂位置的位移曲線圖。由圖8可知，緊鄰車行橫通道位置的位移值最大，豎向沉降為1. 12mm ，水平位移為0 .44mm ，車行橫通道開挖對右線隧道的主要影響在5m內，在 5～15m 的影響迅速減少，在相距15m位置處，豎向沉降分別為0.45mm和0.45mm，減少至最大值的 40% 。如圖9所示為左右主線隧道與車行橫通道相接位置拱頂隨開挖過程的豎向位移時程曲線圖。由圖9可知，右主線隧道拱頂在車行橫通道開挖后開始沉降，在下臺階開挖至橫通道中間位置時趨向穩(wěn)定；左主線隧道拱頂在車行橫通道開挖后無明顯沉降，在上臺階開挖接近左線隧道時迅速增大，在上臺階貫通后趨向穩(wěn)定。

如圖10所示為車行橫通道施工完成后左右主線隧道初期支護的主應力云圖。由圖10可知，初期支護的最小主應力在與車行橫通道的連接處存在明顯的應力集中現(xiàn)象，主應力值為-3.51～-1.75 MPa ，初期支護在拱頂內側的最大主應力遠大于其他部位，主應力值為3.00～11.95MPa

4結語

本文通過對特大斷面隧道車行橫通道開展數(shù)值計算，模擬開挖和支護過程，分析了車行橫通道施工對既有主線隧道的影響，研究了車行橫通道區(qū)域的圍巖和支護結構的位移和應力規(guī)律，研究結論如下：（1隨車行橫通道開挖，兩端圍巖的豎直方向位移小于中間的圍巖；（2）車行橫通道與左右主線隧道連接處附近的圍巖和初期支護均有明顯應力集中現(xiàn)象，且該位置處集中出現(xiàn)破壞現(xiàn)象，為受拉和剪切破壞；（3）車行橫通道開挖對右線隧道位移的影響主要在5m范圍內。 °ledast

參考文獻

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