特长公路隧道主洞与配电室交叉结构稳定性分析

易志伟，张志强

(西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室， 四川成都 610031)

对于长大公路隧道，由于运营的需要，每隔一段距离需要设置一座通风井，风井与主洞连接处常常形成交叉结构。由于交叉段变截面、成坡施工等特点，在主隧道侧壁开挖交叉隧道后，易造成围岩侧壁约束作用削弱，支护结构拱形效应消失，进而改变隧道交叉段支护体系的原有应力分布，使得在施工过程中隧道交叉段结构安全性能降低，容易引起隧道发生过大变形，严重影响工程的安全和稳定性[1-4]。

本文以宝塔山隧道2#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]。

1 隧道工程概况

宝塔山隧道位于林深岩坚的太行山腹地，属平榆高速公路的关键控制性工程。宝塔山隧道2#风机房位于岩体较较完整，构造条件较为简单的单斜地层。采用喷射聚丙烯纤维混凝土作为单层衬砌，配电室通道单洞跨度8.00 m，高7.00 m，主洞单洞跨度11.80 m，高8.38 m，均设置仰拱。

2 数值模拟分析

2.1 数值计算模型建立

本文采用ADINA有限元模拟软件进行三维数值模拟分析[6-8]。三维数值模型尺寸为：埋深取53 m，沿y方向(主洞)模型取66 m，沿x方向(配电室)模型取82 m。围岩采用摩尔-库伦材料，支护采用聚丙烯纤维混凝土材料。整个模型共152 132个单元，143 269个节点。隧道局部交叉三维模型如图1所示。

图1 隧道局部交叉三维模型

2.2 模型参数与计算方案设置

模型隧道主洞开挖方式采用台阶法，配电通道开挖方式采用全断面法，所处地层为Ⅳ级围岩。围岩及支护材料计算力学参数如表1所示。

3 计算结果分析

本节主要研究Ⅳ级围岩下，隧道施工开挖对宝塔山隧道2#风机房的配电室与主洞交叉结构的围岩变形、接触应力和结构内力产生的影响。

表1 围岩及支护结构物理力学参数表

3.1 围岩变形分析

图2 主洞拱顶沿纵向的竖向变形曲线

图3 主洞仰拱沿纵向的竖向变形曲线

图4 配电室拱顶纵向的竖向变形曲线

图5 配电室底部纵向的竖向变形曲线

经过计算分析，分别得到主洞拱顶、仰拱沿纵向的竖向变形曲线和配电室拱顶、仰拱沿纵向的竖向变形曲线，具体如图2～图5所示。通过比较分析可知：

(1)从主洞纵向变形路径图来看，拱顶、仰拱的最大变形量在交叉部位，两侧变形量以隧道交叉部位的中心为原点对称分布。且在隧道交叉中心10 m范围内，变形量迅速增加，距离交叉部位越远，变形量逐渐减小，主洞远端受交叉口空间效应的影响有限，几乎没有影响，说明T交叉结构中，主隧道的变形影响区范围为10 m。

(2)从配电室纵向变形路径图来看，拱顶、仰拱的最大变形量出现在交叉段环口端部位置。在距离交叉端口15 m范围内，变形量迅速增加，距离交叉部位越远，变形量逐渐减小。配电远端受交叉口空间效应的影响有限，几乎没有影响，说明T形交叉结构中，配电室通道的变形影响区范围为15 m。

3.2 围岩与支护结构接触应力分析

在进行围岩与支护结构接触应力分析时，选取的研究横断面如图6所示。

图6 支护结构内力分析截面位置示意

经过计算分析，分别得到配电室通道洞周接触应力和主洞洞周接触应力，具体如图7～图8所示。

图7 配电室通道断面1洞周接触应力

图8 主洞断面2洞周接触应力

通过分析可知：

(1)从交叉段横断面上看，配电室通道、主洞支护结构与围岩洞周法向接触应力分布规律大致为：以仰拱为中心呈现波动式对称分布，拱顶、仰拱出现极小值，极大值出现在拱脚位置；切向接触应力的变化趋势与法向接触应力变化趋势大致相同。

(2)分析主洞洞周接触应力图可知，从横断面接触应力来看，左右拱脚围岩与支护结构之间的接触压力存在明显差异。相对于交叉开口环一侧，交叉节点对侧的接触应力值明显偏大，增大了80 %，说明不对称结构中存在偏压现象，偏压位置位于交叉节点对侧，即围岩侧向刚度较大一侧。

3.3 支护结构内力分析

通过将计算得到的应力进行分析，分别获得隧道主洞和配电室得到支护结构内力与安全系数，具体如图9、图10所示。受力最不利情况如表2所示。

图9 主洞支护结构内力与安全系数

图10 配电室支护内力与安全系数

内力Ⅳ级围岩配电室通道部位主洞部位轴力/kN1120拱脚1308拱脚弯矩/(kN·m)-3.85拱脚4.31拱脚最小安全系数3.99拱脚2.47拱脚

通过对比以上结构内力及安全系数情况可知：

(1)主洞、配电室通道轴力最大的位置出现洞室的拱腰附近，最小值出现在拱顶和仰拱处，配电室通道支护结构轴力最大值分别为：971 kN、1 120 kN；主洞支护结构最大轴力分 别为1179kN、1308kN。

(2)配电室通道拱顶及拱墙部位内侧(靠近隧道净侧)受拉，而拱脚部位外部(靠近围岩侧)受拉，配电室通道支护结构弯矩最大值出现在拱脚附近，分别为3.46 kN·m、3.85 kN·m；主洞支护结构由于开挖以及结构的不对称，导致支护结构存在一定的偏压现象。在靠近交叉环口一侧，拱脚的内侧受拉，在环口对侧，拱脚的外侧受拉。此外，拱顶和仰拱的内侧受拉，最大弯矩出现在拱脚附近，分别为3.91 kN·m、4.31 kN·m。

(3)在配电室和主洞的拱腰附近出现安全系数最小值。

4 结论

本文主要对特长公路隧道主洞与配电室典型交叉地下空间结构展开施工力学特征研究。通过分析交叉部围岩变形、支护结构与围岩接触应力、支护结构内力分布规律，得到如下结论：

(1)在隧道主洞与配电室交叉结构中，拱顶最大沉降量和仰拱最大鼓起量均出现在交叉中心偏向配电室的位置。

(2)隧道主洞、配电室通道的支护结构与围岩间的接触应力分布对称，接触应力分布比较均匀，但在隧道主洞处存在一定的接触应力集中现象。

(3)主洞、配电室通道轴力最大的位置出现洞室的拱腰附近，弯矩最大值出现在拱脚附近，主洞支护结构由于开挖以及结构的不对称，导致支护结构存在一定的偏压现象，交叉结构拱腰部位安全系数最小，最为危险。