易志偉，張志強

(西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室， 四川成都 610031)

對于長大公路隧道，由于運營的需要，每隔一段距離需要設置一座通風井，風井與主洞連接處常常形成交叉結構。由于交叉段變截面、成坡施工等特點，在主隧道側壁開挖交叉隧道后，易造成圍巖側壁約束作用削弱，支護結構拱形效應消失，進而改變隧道交叉段支護體系的原有應力分布，使得在施工過程中隧道交叉段結構安全性能降低，容易引起隧道發(fā)生過大變形，嚴重影響工程的安全和穩(wěn)定性[1-4]。

本文以寶塔山隧道2#風機房的配電室與主洞交叉結構為研究對象，對主洞和配電室形成的典型交叉結構展開施工力學行為分析，以期保證圍巖及支護結構的穩(wěn)定性，為類似工程建設提供一定的理論及技術保障[5]。

1 隧道工程概況

寶塔山隧道位于林深巖堅的太行山腹地，屬平榆高速公路的關鍵控制性工程。寶塔山隧道2#風機房位于巖體較較完整，構造條件較為簡單的單斜地層。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，均設置仰拱。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 數(shù)值計算模型建立

本文采用ADINA有限元模擬軟件進行三維數(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，支護采用聚丙烯纖維混凝土材料。整個模型共152 132個單元，143 269個節(jié)點。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)與計算方案設置

模型隧道主洞開挖方式采用臺階法，配電通道開挖方式采用全斷面法，所處地層為Ⅳ級圍巖。圍巖及支護材料計算力學參數(shù)如表1所示。

3 計算結果分析

本節(jié)主要研究Ⅳ級圍巖下，隧道施工開挖對寶塔山隧道2#風機房的配電室與主洞交叉結構的圍巖變形、接觸應力和結構內力產生的影響。

表1 圍巖及支護結構物理力學參數(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，兩側變形量以隧道交叉部位的中心為原點對稱分布。且在隧道交叉中心10 m范圍內，變形量迅速增加，距離交叉部位越遠，變形量逐漸減小，主洞遠端受交叉口空間效應的影響有限，幾乎沒有影響，說明T交叉結構中，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，變形量迅速增加，距離交叉部位越遠，變形量逐漸減小。配電遠端受交叉口空間效應的影響有限，幾乎沒有影響，說明T形交叉結構中，配電室通道的變形影響區(qū)范圍為15 m。

3.2 圍巖與支護結構接觸應力分析

在進行圍巖與支護結構接觸應力分析時，選取的研究橫斷面如圖6所示。

圖6 支護結構內力分析截面位置示意

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

圖7 配電室通道斷面1洞周接觸應力

圖8 主洞斷面2洞周接觸應力

通過分析可知：

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

(2)分析主洞洞周接觸應力圖可知，從橫斷面接觸應力來看，左右拱腳圍巖與支護結構之間的接觸壓力存在明顯差異。相對于交叉開口環(huán)一側，交叉節(jié)點對側的接觸應力值明顯偏大，增大了80 %，說明不對稱結構中存在偏壓現(xiàn)象，偏壓位置位于交叉節(jié)點對側，即圍巖側向剛度較大一側。

3.3 支護結構內力分析

通過將計算得到的應力進行分析，分別獲得隧道主洞和配電室得到支護結構內力與安全系數(shù)，具體如圖9、圖10所示。受力最不利情況如表2所示。

圖9 主洞支護結構內力與安全系數(shù)

圖10 配電室支護內力與安全系數(shù)

內力Ⅳ級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

通過對比以上結構內力及安全系數(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，配電室通道支護結構軸力最大值分別為：971 kN、1 120 kN；主洞支護結構最大軸力分 別為1179kN、1308kN。

(2)配電室通道拱頂及拱墻部位內側(靠近隧道凈側)受拉，而拱腳部位外部(靠近圍巖側)受拉，配電室通道支護結構彎矩最大值出現(xiàn)在拱腳附近，分別為3.46 kN·m、3.85 kN·m；主洞支護結構由于開挖以及結構的不對稱，導致支護結構存在一定的偏壓現(xiàn)象。在靠近交叉環(huán)口一側，拱腳的內側受拉，在環(huán)口對側，拱腳的外側受拉。此外，拱頂和仰拱的內側受拉，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 結論

本文主要對特長公路隧道主洞與配電室典型交叉地下空間結構展開施工力學特征研究。通過分析交叉部圍巖變形、支護結構與圍巖接觸應力、支護結構內力分布規(guī)律，得到如下結論：

(1)在隧道主洞與配電室交叉結構中，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、配電室通道的支護結構與圍巖間的接觸應力分布對稱，接觸應力分布比較均勻，但在隧道主洞處存在一定的接觸應力集中現(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，主洞支護結構由于開挖以及結構的不對稱，導致支護結構存在一定的偏壓現(xiàn)象，交叉結構拱腰部位安全系數(shù)最小，最為危險。