基于力学效应的隧道车行横通道布置方式

李晓博

(广东省南粤交通龙怀高速公路管理中心，广东 英德 513000)

0 引言

横通道与主隧道交叉部位是隧道结构中的关键部位[1]，相对于无横通道的部位，由于受隧道围岩、空间结构、横通道尺寸、横通道形式、横通道角度等多种因素的影响，其受力较为复杂，再加上附近紧急停车带的影响，结构安全问题就显得尤为突出。目前对隧道交叉段的受力分析主要是通过数值模拟进行分析[2-4]。孙志杰等[5]采用现场试验和三维有限元仿真的方法，对车行横通道施工阶段主洞的变形规律进行了研究。刘山洪等[6]对聚云山隧道主洞和洞口交叉口段稳定性分析，得出地应力和结构应力集中是导致交叉口失稳的主要原因。靳晓光[7]等对深埋交叉隧道动态施工的力学行为进行了研究。当前的研究多针对于隧道施工过程的围岩稳定性和横通道开挖对于主隧道的影响，缺少对于车行横通道布置形式的探讨。因此，本文以金门隧道作为依托，通过三维有限元数值模拟和现场试验的方法，对车行横通道布置的力学效应进行了研究与分析。

1 工程概况及现场试验

1.1 工程概况

金门隧道位于汕昆高速公路龙川至怀集段，为全长6 492m/6 483m的特长公路隧道。全隧道共设置7处车行横通道，长度在25m～35m之间，与左、右线主隧道夹角约60°，与车行横通道协调布置，单个紧急停车带总长度50m，有效长度40m，纵向布置间距在700m～895m之间。

隧道的初支结构采用20cm厚的C25喷射混凝土，二次衬砌采用40cm厚的C30混凝土。隧道车行横通道内轮廓采用直边墙半圆拱断面。内轮廓净宽5m，边墙高度4m，拱部半径为2.65m，净空面积为27.87 m2。

图1 隧道及车行横通道结构断面

1.2 现场试验

为研究隧道车行横通道开挖的力学效应，在主洞初支结构中埋设测试传感器进行监控量测。在右线联络通道1(K195+524)与主隧道相交处设置监控量测断面，量测项目包括主隧道围岩拱顶沉降和净空收敛。

2 数值模型

2.1 模型建立及参数设置

数值计算采用MIDAS-GTS软件进行模拟。模拟过程中，计算采用弹塑性分析，岩体采用实体单元，选用Mohr-Column模型进行模拟，具体参数如表1所示。喷射混凝土和二次衬砌均选用板单元进行模拟，锚杆则采用植入式桁架进行模拟。型钢采用刚度等效的方式包含于喷射混凝土中进行考虑。模型的具体参数如表2所示，材料厚度按照实际工程采用。

表1 Ⅳ级围岩段隧道开挖模拟材料参数

表2 隧道开挖模拟材料参数

结合隧道具体尺寸，利用圣维南原理，模型尺寸设置为150m×90m×100m。隧道及横通道等具体尺寸与实际工程相同。模型边界采用位移边界条件，如图2所示。

图2 MIDAS数值模型

2.2 施工过程模拟

模拟过程分8个阶段进行：

(1)围岩形成自重应力场→(2)主隧道开挖→(3)主隧道初期支护(喷射混凝土+锚杆)→(4)主隧道二次衬砌(车行横通道口不施做)→(5)车行横通道洞门打开→(6)车行横通道开挖→(7)车行横通道初期支护(喷射混凝土+锚杆)→(8)车行横通道二次衬砌。围岩形成自重应力场后进行模型位移清零，消除自重应力的地层位移，从而得到隧道开挖引起的真实位移。

3 隧道车行横通道布置的力学性能分析

3.1 不同布置角度下隧道车行横通道的力学性能

3.1.1 车行横通道的布置角度

车行横通道与主隧道的相交角度不同时，交叉部位的围岩局部应力会产生不同程度的增大和集中，为此有必要针对不同角度下车行横通道的力学效应进行研究。结合实际情况，对以下三种情况进行分别考虑：(1)横通道与主隧道90°相交；(2)横通道与主隧道60°相交；(3)横通道与主隧道30°相交。

图3 不同布置角度的车行横通道

3.1.2 计算结果及分析

3.1.2.1 围岩位移

根据数值软件模拟，在整个施工过程中，拱脚水平位移整体变化较小，提取交叉口横截面处主隧道拱顶、拱底和横通道洞顶处的竖向位移，如表3所示。

表3 交叉口横断面的竖向位移 (单位：mm)

图4 交叉口横截面的位移变化

由表3和图4可知，在车行横通道支护完成之后，在不同的相交角度下，交叉口横截面的主隧道拱顶位移分别为-7.78mm(90°)、-7.87mm(60°)、-8.51 mm(30°)，主隧道拱底位移分别为7.20mm(90°)、7.32mm(60°)、7.51mm(30°)，横通道洞顶位移分别为-7.08mm(90°)、-7.31mm(60°)、-9.14mm(30°)。从整体上看，车行横通道开挖将会导致主隧道围岩位移增大，但相比于主隧道开挖的影响较小。车行横通道与主隧道相交角度越小，主隧道上的开口面积就越大，对围岩的扰动越大，从而使得结构的位移增大。

3.1.2.2 初支应力

由图5可知，在施工过程模拟中，当横通道与主隧道呈90°、60°和30°相交时，主洞初支最大拉应力分别为129.952kPa、429.348kPa和1547.14kPa，位于横通道与主隧道交叉口钝角侧侧壁；最大压应力分别为-10 992.8kPa、-11 641.1kPa和14 925.4kPa，位于横通道与主隧道交叉口锐角侧壁。通过对比可知，横通道与主隧道相交的角度越小，横通道开挖对于主隧道围岩扰动越大，主隧道交叉处应力集中越明显。

图5 横通道与主隧道相交处主动初支应力云图

3.2 不同紧急停车带位置下隧道车行横通道的力学性能

3.2.1 紧急停车带与车行横通道的相对位置关系

为了方便车辆在隧道中可能出现的掉头情况，在横通道附近均会设置紧急停车带。紧急停车带相对于主隧道截面增大，在整体结构上看属于结构形式变化的关键点，车行横通道亦然。结合实际情况，对以下两种情况进行分别考虑：(1)紧急停车带与车行横通道相对；(2)紧急停车带与车行横通道相邻。如图6所示。

图6 不同布置角度的车行横通道

3.2.2 计算结果及分析

3.2.2.1 围岩位移

根据数值软件模拟，在整个施工过程中，拱脚水平位移整体变化较小，提取交叉口横截面处主隧道拱顶、拱底和横通道洞顶处的竖向位移，如表4所示。

表4 交叉口断面的竖向位移 (单位：mm)

由表4可知，在车行横通道支护完成之后，在紧急停车带与横通道相对的条件下，主隧道拱顶和横通道洞顶位移分别为-8.98mm和-7.79mm。在紧急停车带与横通道相邻的条件下，主隧道拱顶和横通道洞顶位移分别为-7.87mm和-7.31mm。紧急停车带与横通道相对时，交叉口隧道横截面由于紧急停车带而增大，故横通道开挖引起的主隧道拱顶沉降较大，且主隧道拱顶和横通道洞顶沉降总变形较大。

3.2.2.2 初支应力

在施工过程模拟中，在紧急停车带与横通道相对的情况下，横通道与主隧道交叉口侧壁的最大拉应力为732.984kPa，最大压应力为-12 593.95kPa；在紧急停车带与横通道相邻的情况下，横通道与主隧道交叉口侧壁的最大拉应力为429.348kPa，最大压应力为-11 641.1kPa。通过比较可知，当紧急停车带与横通道相对时，横通道施工所产生的附加应力较大，应力集中更为明显。

4 现场试验结果分析

综合考虑隧道车行横通道布置的力学性能和交通疏散组织，特别是大型车辆的转向性能，依托工程车行横通道与主隧道60°相交，紧急停车带与车行横通道相邻布置。

试验对联络通道1(K195+524)与主洞的相交处断面的围岩拱顶下沉和拱脚收敛进行了现场量测，量测时间为2018年2月17日至2018年3月29日。主隧道拱顶沉降曲线如图7所示，2018年3月17日开始开挖横洞。

图7 主隧道拱顶沉降时程曲线

从图7可以看出，在车行横通道开挖前，监测断面拱顶受主洞掌子面施工开挖影响产生沉降，其拱顶沉降增长速率较大。随着主隧道掌子面的远离和初期支护作用，沉降增长速率逐渐降低，到3月3日后，拱顶沉降趋于稳定。横通道开始施工后，沉降值迅速增加，随着横通道掌子面逐渐远离，拱顶沉降再度稳定。从总体上看，主隧道的拱顶沉降满足规范要求(0.2%D)，车行横通道开挖将会引起主隧道的拱顶沉降增大，但相对于主隧道施工的影响较小。

图8 主隧道横向收敛时程曲线

横向收敛时程位移曲线如图8所示。由图8可以看出，主隧道横向收敛在车行横通道施工之前由于主隧道开挖的影响呈现波动上升的趋势，且在3月4日以后逐渐趋于稳定。车行横通道开挖之后，交叉口处围岩应力发生重分布，主隧道横向收敛位移波动增大。在横通道开挖初期，横向收敛位移急剧增大，随着横通道掌子面距主遂道距离的增大，横向收敛位移重新趋于稳定。

5 结论

通过依托工程现场试验和对隧道车行横通道力学效应的有限元分析，可以得到以下结论：

(1)车行横通道施工将会导致主隧道围岩位移增大，主要表现在交叉口的初支拆除和施工初期阶段，之后变形趋于稳定。从总体上看，车行横通道开挖引起的围岩变形相比于主隧道施工较小。

(2)车行横通道与主隧道的交叉角度越小，主隧道上的开口面积越大，对围岩的扰动就越大，从而使得施工引起的变形就越小，交叉口左右两侧产生的应力集中也越明显。

(3)当紧急停车带与横通道相对时，交叉口隧道横截面由于紧急停车带而增大，横通道开挖引起的主隧道拱顶沉降较大，且主隧道拱顶和横通道洞顶沉降总变形较大。

(4)综合考虑车行横通道布置的力学性能和交通疏散组织，特别是大型车辆的转向性能，依托工程采用车行横通道与主隧道60°相交，紧急停车带与车行横通道相邻布置。通过现场试验表明，该方案的围岩变形满足规范要求，施工安全，结构稳定。