地下洞群受力特征及围岩变形特征分析

张 俊

(山西交通控股集团朔州高速公路分公司， 山西太原 030012)

近年来，随着国民经济的迅猛发展，特长公路隧道的规模和数量也在日益增多。为满足营运通风、逃生救灾要求以及加快施工进度，在特长公路隧道修建中会出现大量的斜竖井、风机房和联络风道等辅助通道，辅助通道已成为特长公路隧道施工、运营中最为关键的部分。其中地下风机房具有断面多、跨度大、结构复杂、洞室交叉多、群洞效应明显等特点，需要在设计及施工中重点考虑。[1-4]。

本文以云山隧道3#风机房的配电室与主洞交叉结构为研究对象，对主洞和配电室形成的典型交叉结构展开施工力学行为分析，以期保证围岩及支护结构的稳定性，为类似工程建设提供一定的理论及技术保障[5-6]。

1 隧道工程概况

云山隧道位于左权县城东北5 km处，横穿太行山脉西翼的阳曲山东南延，设计为分离式隧道，长11.387 km。该隧道围岩软弱、隧道埋深大，部分地段涌水量多，与康家楼隧道一起， 构成和榆高速二期工程的控制性工程。其3#风机房位于岩体较较完整，构造条件较为简单的单斜地层[7-8]。

2 数值模拟分析

2.1 数值计算模型建立

由于云山隧道3#风机房实际情况为深埋，考虑计算机的计算能力以及模型的边界效应，埋深取35 m，沿地下风机房主洞方向(y)模型90 m，沿联络风道方向(x)模型65 m，围岩、支护均采用三维实体单元进行模拟，其中围岩材料采用摩尔-库伦材料，支护采用混凝土材料。整个模型共131 710个单元，126 632个节点。风机房模型分析基本网格、隧道交叉三维模型支护以及接触面情况如图1所示。

图1 隧道局部交叉三维模型

2.2 模型参数选取

云山隧道3#风机房三维数值模型计算参数见表1和表2。

3 计算结果分析

3.1 变形研究

对比图2和图3可知，对风机房开挖结束后的Z向位移情况为：

表1 初期支护计算力学参数

表2 二次衬砌支护结构参数表

图2 风机房拱顶Z-displacement路径曲线

图3 风机房底部Z-displacement路径曲线

(1)Ⅲ级围岩情况下，由于围岩较好，各工况下的最大竖向位移均较小，隧道底部、拱顶的相对位移均小于5 mm。

(2)围岩最大变形量出现在排风道与风机房交叉部位，拱顶最大沉降及仰拱最大变形出现在排风道中心轴左侧附近位置，主要是由于在排风道与风机房交叉部位的右侧，有围岩的约束作用。

(3)围岩变形量在排风道、送风道位置达到峰值，排风道、送风道中间部位及两侧部位的围岩变形量均逐渐减小。

3.2 围岩与支护结构的接触应力

计算结果见图4、图5。

图4 送风道、排风道洞周接触应力

图5 交叉部位风机房洞周接触应力

如图4、图5所示，在工况1下，对风机房开挖结束后支护结构与围岩间的接触应力的对比分析可知：

(1)送风道、排风道、风机房支护结构与围岩间的洞周接触应力，大致呈对称分布，拱顶、拱墙中部的接触应力最小，而最大接触应力出现在隧道的墙脚部位，主要是由于直墙式支护结构中未设置仰拱，底部结构刚度较小，较为薄弱，送风道、排风道以及风机房开挖以后，围岩压力向支护结构薄弱部位转移所引起；

(2)送风道、排风道、风机房支护结构与围岩的洞周接触应力分布规律为：拱顶至拱脚，接触应力逐渐增大，在拱脚位置达到极大值；拱脚至墙脚中部，接触应力逐渐减小，在墙脚中部达到极小值；墙脚中部至墙脚，接触应力逐渐增大，在墙脚位置达到最大值；

(3)送风道、排风道支护结构的洞周接触应力最大值(墙脚)是最小值(拱顶)的4倍，而风机房支护结构的洞周接触应力的最大值(墙脚)是最小值(直墙中部)的10倍，主要是由于风机房相对送风道、排风道而言高度较大，且直墙结构的受力性能不佳，导致接触应力在墙脚部位应力集中。

3.3 结构内力特征分析

将通过计算得到的应力进行分析(表3)，得到风机房开挖结束后排风道，风机房的弯矩、轴力与安全系数(图6、图7)。

表3 斜井初期支护结构内力计算结果

图6 排风道初支安全系数

图7 风机房初支安全系数

对以上数据进行分析研究可知：

(1)风机房开挖结束后，排风道、风机房初支全截面受压，排风道初支轴力最大值出现在拱脚附近，分别为814 kN、699 kN，风机房初支最大轴力出现在墙脚附近，分别为625 kN、614 kN。

(2)风机房开挖结束后，排风道、风机房初支结构拱顶及拱墙部位内部受拉，而拱脚部位则外部受拉，排风道初支弯矩最大值出现在墙脚附近，分别为2.24 kN·m、1.98 kN·m，风机房初支最大弯矩出现在拱脚附近，分别为-0.93 kN·m、3.35 kN·m。

(3)排风道安全系数最小值出现在左拱脚与左墙脚的中部，而风机房的最小安全系数出现在左墙脚位置，结构的安全系数均满足规范的要求。

4 结论

(1)Ⅲ级围岩情况下，由于围岩较好，各工况下的最大竖向位移均较小，隧道底部、拱顶的相对位移均小于5 mm，风机房采用台阶法开挖相对全断面开挖，隧道底部、拱顶相对位移量增大约30 %；围岩最大变形量出现在排风道与风机房交叉部位。

(2)送风道、排风道、风机房支护结构与围岩间的洞周接触应力，大致呈对称分布，拱顶、拱墙中部的接触应力最小，而最大接触应力出现在隧道的墙脚部位；支护结构与围岩的洞周接触应力分布规律为：拱顶至拱脚，接触应力逐渐增大，在拱脚位置达到极大值。

(3)风机房开挖结束后，排风道、风机房初支全截面受压，排风道初支轴力最大值出现在拱脚附近，而风机房初支最大轴力出现在墙脚附近。风机房开挖结束后，排风道、风机房初支结构拱顶及拱墙部位内部受拉，而拱脚部位则外部受拉，结构的安全系数均满足规范的要求。