极软岩隧道横洞开挖空间力学效应研究

(江苏工程职业技术学院 建筑工程学院 江苏 南通 226307)

1 概述

近年来，我国基础设施迎来突飞猛进的发展，公路隧道建设需求及技术规模逐年增加，大量长大隧道进入规划或者建设行列[1-3]。据不完全统计，已建成特长隧道总量超过400座[4]。同时，随着运货量和客流量需求的不断增加，多车道大跨度隧道也开始大量涌现[5-7]。隧道长度的不断增大，危险性系数也在不断增加，随之而来的是火灾，交通事故等灾难发生机率的增加。为了确保长大隧道安全运营和灾难发生时减灾措施的顺利实施，如何安全地将受困车辆或者受灾人员顺利转移出事故隧道，是现代隧道运营主要考虑的问题。因此，在设计和施工中，长或特长隧道往往会设置供人或车通行的人行横道和车行横洞。通过这些辅助措施，在将受困车辆和人员安全转移的同时，也可以减少或者避免因此带来的经济和设备损失[8]。

随着隧道断面和跨度的不断增大，车行横洞的开挖面积也比较大，在与主洞斜交的情况下，其施工过程中空间力学特性尤为复杂[9]。这种复杂情况逐渐引起了工程师和学者们的注意和重视。但目前众多学者对结构支护及开挖效应的研究主要集中在隧道主洞方面，关于隧道车行横洞开挖稳定相关的研究相对较少，而对车行横洞的开挖—支护力学效应及其相应的规律尚处于探索阶段，主要表现为对二衬及交叉结构的研究，对内部及隧道细节部位研究较少[10-11]。目前的研究中，张忠强等[12]研究了万梁高速马王槽1号隧道车行横道与主洞空间结构的施工结构力学特性，虽然对衬砌结构进行了现场监测和数值模拟分析，但是研究区段主要为III级围岩，总体来说地质状况较好，因此衬砌结构受力较小。陈中[13]以成绵高速分水岭隧道为依托，对车行横洞和主洞交叉结构部位建立了数值计算模型，随后对结构荷载进行了简单的分析和研究，但该研究缺乏现场实测数据佐证。较多成果针对隧道斜交车行横道施工对主洞衬砌结构产生影响，通过现场监测和数值模拟方法，就车行横道施工阶段对主洞衬砌结构造成的变形规律、受力特性进行了研究，但仅以特定施工方法为出发点[14]。徐学深等[15]基于黄土隧道，建立了隧道二衬施作后开挖车行横洞的数值模型，分析开挖过程对结构应力变化的影响情况。

隧道建设过程中，穿越软弱围岩的情况不可避免，同时极软岩隧道开挖和支护又给施工带来挑战和困难。本文以东纵高速公路天镇—大同段大梁山特长公路隧道为依托，在现场监测的基础上，通过建立三维数值模型，研究横洞开挖过程中的空间力学效应及其规律，以隧道结构为研究对象，作出进一步的探讨，以期为相似工程提供借鉴和参考。

2 依托工程与测试方案

2.1 依托工程概况

东纵高速公路天镇—大同段大梁山特长隧道右洞长6 058 m，左洞长6 015 m，最大埋深364.46 m。隧址区基岩冲沟与山脊发育，数条近东西向冲沟横切隧道地表，洞体地表地形极其破碎。隧道软岩分布广泛，围岩划分为Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ三种围岩级别，分别占隧道长度的52.1%、28.6%、19.3%，Ⅴ级围岩分布达隧道长度的近1/5，给隧道施工带来困难。

研究段为Ⅴ级围岩，大梁山隧道双线主洞采用短台阶法施工工法。车行横道内轮廓设计采用直墙拱形断面，其内轮廓净宽4.90 m，高6.18 m。车行横洞初始设计为隧道主洞开挖、支护结构完成后，采用台阶法进行施工，现场施工中采用全断面法开挖。

2.2 现场监测方案

研究中对大梁山隧道施工期间实施现场监测项目主要包括：内部围岩位移、钢支撑内力、围岩压力、层间压力。为了达到以上监测目的，在大梁山隧道研究段布设了6个监测断面，分布见图1。

图1 现场监测断面示意图Figure 1 Schematic diagram of in-situ monitoring section

3 现场监测结果及分析

3.1 内部围岩位移

大梁山隧道内部围岩位移监测开始于2011年3月24日，结束于5月3日。监测结果表明，因车行横洞与主洞为中心对称，两主洞相同部位监测数据规律基本一致。取现场测试设置的3个量测深度h，分别为1、2、3 m进行研究。选取断面A-A左拱脚，断面B-B右拱脚(h=1 m处位移计因施工损坏)，断面C-C左拱脚处监测数据进行分析，绘制内部围岩位移时程曲线如图2所示。

图2 内部围岩位移时程曲线Figure 2 Internal rock displacement curve vs.time

以上监测数据分析知，3月24日在隧道主洞断面A-A开挖后，左拱脚内部位移变化剧烈，变形量显著增大，深度h=1 m处最大位移量为5.61 mm，随深度递增而位移量有所减小，并在位移计埋设10 d左右(4月4日)趋于稳定。

大梁山主洞变形基本稳定后，4月10日开始车行横洞施工，于4月19日结束。相同围岩埋深下，断面A-A处的内部围岩位移值要显著大于断面C-C，3个断面处内部围岩位移值在车行横洞开挖期间均产生了一定波动，但绝对值变化不大，变化随着深度递增而趋于不明显。随着车行横洞开挖掌子面逐渐远离测点，4月15日以后，横洞开挖对3个断面测点所带来的影响越来越小，4月23日之后各断面内部围岩位移基本趋于稳定。可以分析得出，车行横洞开挖对隧道内部围岩位移的影响并不明显，在施工安全防范中可以不予考虑。

3.2 钢支撑内力

于4月1日至5月1日在隧道左洞实施了断面B′-B′钢支撑内力现场监测，该处钢拱架采用I18型工字钢，纵向间距0.8 m。测试结果见图3。

图3 钢支撑内力时程曲线Figure 3 Inner force change curve of steel support vs.time

从图3中结果可以看出：监测元件布置后，在4月1日至4月8日开挖期间钢支撑内力显著增大，经过围岩应力释放，4月9日钢支撑内力变化趋于稳定，主洞开挖对钢支撑内力的影响主要在右拱腰和拱顶处。4月10日，车行横道开始施工，断面B′-B′处的左拱腰、右拱腰及左拱脚钢支撑内力发生变化，均呈现缓缓增大的趋势，但增长相对缓慢，拱顶处仅产生微小波动。左拱腰、右拱腰及左拱脚处钢支撑从开始变化直至车行横洞开挖完成后趋于稳定，其内力增长绝对值约为0.5 kN；拱顶处钢支撑从主洞开挖稳定至横洞开挖后稳定其内力值基本保持不变。可以看出，车行横洞开挖对钢支撑内力的影响主要集中在拱腰及以下部位，对拱顶部位影响较小，这在以后的施工和设计中应多加注意。

3.3 初支结构受力

4月1日至5月1日在隧道左洞断面B′-B′实施了初支结构受力现场监测，绘制围岩与初支接触压力时程曲线如图4所示。

(a)

(b)

从图4(a)中可知，隧道车行横洞开挖对围岩压力产生影响最大点位于右拱腰处，主要原因是在车行横道施工之前，断面右拱脚处的初支和围岩已经被拆除和开挖。对比图4(b)，4月10日车行横洞开挖开始后，左拱腰、左拱脚及拱顶围岩压力均产生波动，但是在车行横洞开挖完成直至稳定的一段时间内，这三处的围岩压力值变化不大，基本可以忽略不计。反之，车行横洞开挖过程中，右拱腰处的围岩压力一直处于增大趋势，直至横洞开挖完成后，在4月24日才基本趋于稳定。值得注意的是，右拱腰处的围岩压力在量值上相对左拱腰、左拱脚及拱顶三处围岩压力值有较大增加。因此，车行横洞开挖对断面B′-B′的左拱脚、左拱腰以及拱顶处的围岩压力影响很小，可忽略不计；相比较而言，对右拱腰处围岩压力影响稍大，在施工中应值得留意。

3.4 二衬结构受力

大梁山隧道在主洞二衬浇筑完成之后，再对车行横洞进行二衬施工。图5是车行横洞开挖完成和初期支护完成后，进行主洞二衬施工后，断面B′-B′二衬结构受力曲线。

图5 二次衬砌接触压力时程曲线Figure 5 Contact pressure curve of secondary liner vs.time

从图中结果可以看出，6月20日起，二次衬砌浇筑完成后的10 d内，断面B′-B′层间压力迅速增长，6月20日之后虽有上升，但变化幅度很小，基本趋于稳定。层间压力在变化期直至稳定，其受力分布状态与隧道围岩压力分布基本一致。但对监测点的影响程度并不相同，其中右拱腰处受力最大，而拱顶处受力最小，分别约为83.31、18.12 kPa，产生这种情况的主要原因是车行横洞的存在，对断面B′-B′右拱腰处的层间压力产生了影响。与围岩压力作用相似，车行横洞的开挖对断面B′-B′的左拱脚、左拱腰以及拱顶处的围岩压力影响很小，对右拱腰处围岩压力影响较大。

4 三维数值模拟及分析

以现场测试为基础，通过建立三维数值模型对隧道围岩变形位移、混凝土应力、围岩应力及围岩塑性区进行进一步模拟研究，以期为现场监测作补充，并进行对比验证。

4.1 模型建立及基本假设

计算模型在纵向上沿隧道主洞开挖方向取60 m，考虑到隧道开挖影响在3D～5D(D为隧道洞径)范围内，左右线隧道两侧分别取45 m，隧道底部土体取40 m，建立60 m×120 m×90 m(长×宽×高)的三维计算模型(图6)。其中，超前小导管，注浆导管等辅助措施，通过提高作用范围内围岩弹性模量、粘聚力等参数来进行模拟。对于围岩应力释放率，考虑大梁山隧道研究段为软弱围岩，模拟中开挖过程释放系数为0.4，初支施作完成释放系数为0.4，二砌施作完成后释放系数0.2。

图6 3D计算模型Figure 6 3-D calculation model

根据地质条件、试验结果及均一化换算[16]，得模拟计算参数见表1，表1中，μ为泊松比，γ为容重，c粘聚力，φ为内摩擦角。

表1 计算模型参数Table 1 Calculation model parameters材料类别E/MPaμγ/(kN·m-3)c/kPaφ/(°)上覆松散层850.319.16025V级围岩3000.324.5160 36主洞初支29 5000.225——主洞二衬31 0000.225——横洞加强喷混29 0000.225——横洞普通喷混28 5000.225——系统锚杆210 0000.379.6——锁脚锚杆210 0000.379.6——

4.2 隧道开挖方法及模拟

三维模型计算中，前50步为左右线隧道主洞的开挖、初期支护施作及仰拱施作，主洞采用简化方法模拟，导洞和周围土体同时挖出，两洞同时开挖，施工模拟方案与步骤如表2和图7所示。第51步时拆除原有主洞施工好的初支，准备进行车行横洞施工，施工时从横洞两侧向中心开挖，其中第52～62步为模拟车行横洞施工，每步进尺2 m，共分10步开挖完成。

表2 隧道主洞模拟开挖步骤Table 2 Simulated excavation procedure of the tunnel开挖模拟开挖支护步骤台阶法1. 上台阶开挖①上台阶支护2. 下台阶左导坑开挖②下台阶左导坑支护3. 下台阶左右导坑开挖③下台阶右导坑支护④二次衬砌施作

(a)开挖步骤

(b)上台阶开挖

(c)下台阶左导坑开挖

(d)台阶右导坑开挖

Figure 7 Simulation diagram of the bench method

4.3 数值模拟结果分析

隧道初期支护承载隧道围岩大部分荷载，本节主要从围岩位移变形，初喷混凝土应力，围岩塑性区，锚杆轴应力等方面进行安全性及影响分分析，以期与现场监测数据互补，提供施工指导。表3为3个断面在车行横洞开挖引起的衬砌表面变形位移现场测试和数值模拟结果的对比，可以看出，二者在数值上比较接近，可以说明数值模拟值比较准确，在一般规律上可以作为参考。

表3 衬砌位移模拟结果与实测结果对比Table 3 Comparison between simulation results and measured results of the lining displacement断面部位实测结果模拟结果拱顶/mm1.291.48断面A'-A'右拱脚水平位移/mm0.710.58右拱腰下沉/mm1.371.02拱顶/mm1.862.01断面B'-B'———右拱腰下沉/mm2.423.51拱顶/mm1.671.93断面C'-C'右拱脚水平位移/mm1.020.98右拱腰下沉/mm2.011.61

a.混凝土应力分析。

图9为车行横洞开挖前后应力变化云图(左侧为最大主应力，右侧为最小主应力)。提取车行横洞开挖过程中混凝土最大、最小主应力极值，结果汇总于表4。

(a) 车行横洞开挖前

(b) 车行横洞开挖后

Figure 8 Variation of stresses before and after the excavation of the adit

表4 车行横洞开挖主应力动态变化对比Table 4 Dynamic comparison of principal stress changes dur-ing excavation of the adit开挖步数最大主应力/MPa最小主应力/MPa量值增量增率量值增量增率501.81——-3.46——512.130.320.177-4.140.680.197522.360.230.108-8.44.261.029532.410.050.021-9.410.119542.450.040.017-9.70.30.031602.43-0.02 —-10.10.40.041612.480.050.02-10.100622.510.030.012-10.30.20.019

结合上述图表中结果可看出，初支拆除对附近混凝土应力产生了影响，最大、最小主应力均有所增大，但涨幅较小，分别约为0.32 MPa、0.68 MPa。随着车行横洞的开挖，最小主应力迅速增大，由-4.14 MPa增至-8.40 MPa，但最大主应力变化并不明显，这说明横洞的开挖对既有衬砌产生显著的压应力作用，使得靠近横洞一侧初支产生一定范围的压应力作用区。因此，车行横洞的开挖对既有混凝土的影响主要集中在初支拆除阶段和施工的前两个施工步(4 m范围内)，且最小主应力的响应要远远大于最大主应力。

b.围岩塑性区分析。

对比图9(a)、图9(b)可以看出，大梁山隧道主洞开挖完成后，因主洞开挖引起的围岩塑性区主要集中分布在主洞两侧的拱脚及其邻近仰拱部位，拱顶和拱腰部位未见塑性区产生。车行横洞开挖后，随着开挖的推进，塑性区不断扩大，除原有塑性区的增大，塑性区开始沿拱脚向两隧道主洞中夹围岩水平延伸。车行横洞施工贯通后，受围岩扰动和应力重分布影响，交叉结构处的拱顶和主洞两侧拱腰出现塑性区，且两侧拱脚部位塑性区显著增大，是横通道施工建设的薄弱环节。

(a)车行横洞开挖前 (b)车行横洞开挖后

Figure 9 Plastic zone change before and after the excavation of the adit

c.锚杆轴力分析

从图10中可以看出，锚杆轴力在车行横洞开挖前后始终为正值，这表明交叉结构处锚杆一直处于受拉状态。车行横洞开挖前主洞左拱脚锚杆所受轴力最大，约为22.8 MPa，拱腰处的锚杆轴应力则相对较小。

(a) 车行横洞开挖前

(b) 车行横洞开挖后

Figure 10 Change of bolt axial stress before and after the excavation of the adit

横洞第1步开挖完成后，锚杆轴力随之发生变化，应力值变化较大部位主要位于拱腰处，由开挖前的5.40 MPa增加为第1步完成后的7.80 MPa，拱脚、拱顶及其他位置处锚杆轴应力值变化不大。在随后的第2步开挖直至车行横洞施工完成，各个部位锚杆轴力有量值很小的浮动。因此，车行横洞开挖对锚杆轴力影响较小，可以保证这一环节的施工安全。

5 结论

以大梁山特长大跨度公路隧道为依托，采用现场监测和数值模拟对主洞与车行横洞交叉处施工空间力学特性进行分析，可以得到以下结论：

a.现场监测发现，研究断面在深度h为1、2和3 m处的内部围岩位移在车行横洞开挖期间均产生了一定的波动，相同围岩埋深下，锐角侧断面内部围岩值要显著大于钝角侧断面内部围岩值，但绝对值变化不大，且这种作用随着深度的递增而趋于不明显，可忽略不计。

b.车行横道施工对钢支撑内力影响主要集中在拱腰及以下部位，拱顶内力仅产生波动，基本保持不变，对拱顶部位影响较小，施工和设计中应注意注意对拱腰及以下部位的做好保护和防范。

c.远离通洞侧拱脚、拱腰以及拱顶处的围岩压力与层间压力所受开挖影响很小，而近通道侧拱腰处所受影响相对较大。

d.数值模拟试验表明，车行横洞开挖对围岩竖向位移影响范围约4 m，以近车行横洞侧的右拱腰部位最为明显。

e.混凝土应力所受车行横洞开挖影响主要表现为压应力的增大，围岩塑性区范围在开挖前后有一定程度增大，锚杆轴力施工前后变化不大。