隧道复杂交叉结构围岩稳定性及结构安全性分析

管连永， 刘复洪， 吴青松, 张秋实

(1. 四川路航建设工程有限责任公司，四川成都 610081； 2. 西华大学土木建筑与环境学院，四川成都 610039)

公路隧道为了满足修建、运营和防灾救援等功能的需求，通常会设置横通道(人行和车行)、斜井、竖井和地下风机房等地下结构，此类地下结构均与隧道主洞以不同角度相交，形成复杂的空间交叉结构[1-2]。在隧道施工迫近或施工至隧道交叉结构段时，开挖引起围岩的动态变化以及对交叉段支护结构内力分布变化的影响极为复杂，空间效应十分显著，与交叉部周围的围岩特性、开挖顺序以及开挖施工方法等因素密切相关，隧道工程地下复杂交叉结构的施工问题，一直以来是困扰隧道施工、影响施工安全的重要难题[3-4]。

针对隧道工程复杂交叉结构围岩稳定性和结构安全问题，研究和技术人员已经开展了一系列研究。王绪等[5]针对小净距隧道横通道施工过程，采用数值模拟方法对比分析了横通道段和正常段施工过程中的洞室围岩位移、围岩应力集中度、塑性区分布、地表沉降。许东[6]依托于棋盘关隧道斜井工程，基于围岩和支护结构的力学状态，提出了合理设计参数，包括初期支护和二衬的厚度。张志强等[7]基于现场实测和数值计算等手段，意图与主隧道与车行横通道空间交叉结构，研究了交叉结构施工力学行为，明确了交叉角度对结构受力状况的影响。李光京等[8]结合厦门翔安隧道与横通道交叉结构工程实际，通过数值模拟研究得到交叉结构变形、围岩应力及支护受力特征。王龙[9]以石家庄地铁1号线盾构隧道与联络通道交叉段为工程依托，通过理论分析和数值模拟研究，分析了交叉结构的受力状态，提出了围岩的加固方法。上述研究成果虽然明确了交叉段的围岩和支护结构的受力特征，但是仍存在不足，隧道复杂交叉段围岩的扰动范围直接取决于开挖方法，因此，选择合理的开挖方法是确保隧道交叉结构施工安全的重要环节。

本文依托峨眉至汉源高速公路豹狸岗隧道主隧道与车行横洞交叉结构，对不同开挖方法条件下隧道复杂交叉结构围岩稳定性及结构安全性进行研究，以掌握隧道交叉结构的围岩稳定性和结构安全性，保障隧道交叉结构段安全施工。

1 模型建立与分析

1.1 数值模型及施工模拟

结合豹狸岗隧道主隧道与车行横洞交叉段实际情况，建立三维有限元计算模型。考虑模型的边界效应，模型在豹狸岗隧道主隧道横断面方向(X向)取60 m，主隧道纵向(Z向)取60 m，隧道垂直方向(Y向)取90 m。模型左右边界约束为水平位移，下边界约束竖直位移，上边界为隧道以上50 m，根据实际埋深换算上覆土荷载，在上部边界施加应力边界条件。整个模型共计122 304个单元，129 709个节点。模型基本网格如图1所示。

图1 主隧道与车行横洞交叉段模型

主隧道的施工方法分别采用台阶法、预留核心土法及CRD法，车行横洞采用全断面开挖，为了兼顾计算效率和计算精确性，主洞循环开挖进尺定为2.5 m，车行横洞循环进尺定位4 m，开挖后及时施做初期支护。当开挖至主隧道与车行横洞交叉部位时，同时开挖车行横洞及主隧道，其中CRD法在隧道全部开挖完毕后，进行逐步拆除临时中隔墙，每次拆撑长度不超过15 m。台阶法、预留核心土法及CRD法施工过程模型图，如图2所示。

图2 各工法施工过程模型

1.2 工况设置及计算参数

计算模型中，采用V级围岩，加固段长度为5 m，计算工况设置如表1所示。

表1 车行横洞与主隧道交叉模型计算工况

围岩服从Drucker-Prager屈服准则，考虑其塑性变形，初期支护材料采用弹性材料参数，忽略其塑性变形，计算中将二次衬砌视为安全储备，不考虑其支护效应。具体的围岩及支护结构的物理力学参数如表2所示。

表2 围岩及支护物理力学参数

2 计算结果分析

2.1 围岩沉降位移分析

各工况围岩位移沉降云图如图3所示。

图3 各工况围岩沉降位移

由图3可知，隧道三维交叉结构的沉降位移具有以下规律：

沉降最大值均发生在主隧道与车行横洞交叉部的拱顶处，同时由于侧向车行横洞的开挖，洞周围岩变形并不对称，最大的变形出现在偏向车行横洞一侧，说明车行横洞开挖对洞周围岩形成二次扰动，围岩变形出现不对称偏转现象；

采用不同施工方法开挖对围岩的扰动程度不同，采用CRD法由于采用了中隔墙等临时加固措施对围岩扰动最小，预留核心土法影响次之，台阶法影响最大，同时围岩条件越好，不同施工方法对围岩扰动程度差异越小，因此根据计算结果，当围岩条件较好时建议采用施工灵活方便的台阶法，当围岩条件较差且对围岩变形有较高控制标准时，建议采用对围岩扰动较小的CRD法。

2.2 围岩塑性区范围

各工况围岩塑性区云图如图4所示。

图4 各工况岩塑性区云图

根据图4，沿主隧道轴向及车行横洞轴线方向均出现不同程度的围岩塑性区，塑性区主要分布在主隧道拱腰区域，塑性区最大值区域同样出现在主隧道与车行横通道交叉部位。

2.3 衬砌结构应力分析

各工况衬砌结构第一主应力云图，如图5所示。

图5 各工况衬砌第一主应力云图

根据图5可知，各工况衬砌结构第一主应力分布基本相似，具有以下特征：

采用不同施工方法开挖时，隧道衬砌结构第一主应力值有较大差异，从数值上看，CRD法>预留核心土法>台阶法，这是因为台阶法在施工过程中对围岩扰动较大，释放了部分应力，因此直接作用于衬砌结构上的围岩荷载相对较小。交叉部位衬砌结构第一主应力超过混凝土极限拉应力，这是由于计算模型对衬砌结构采用弹性模型未考虑混凝土结构的损失破坏，该处第一主应力值超过抗拉极限强度，因此洞周衬砌会出现开裂情况，建议在交叉部位合理加大衬砌结构配筋率，保障结构安全稳定。

2.4 衬砌结构变形分析

提取主隧道与车行横洞交叉部位主隧道衬砌拱顶、横洞侧拱腰(横洞拱顶上方)、横洞相对侧拱腰变形量在整个开挖过程中的变化规律，通过分析主隧道衬砌关键部位变形量的时程变化规律，得到空间交叉部位受多次扰动下的力学行为(图6)。

图6 各工况衬砌结构变形

根据图6可知，衬砌结构拱顶变形量较大，两侧拱墙洞内收敛变形较小；对拱顶而言，当开挖至交叉部位时，变形量陡增，增幅达到174 %～261 %，当掌子面距离交叉部位约20 m后，变形量逐渐趋于稳定，由于采用车行横通道与主隧道同时开挖，因此引起交叉断面处拱顶变形的影响区域较大；两侧拱墙洞内收敛变形也在掌子面到达交叉部位发生剧烈变化，而后掌子面远离交叉部位5 m，后变形趋于稳定，而车行横洞一侧拱墙变形明显大于相对侧，这是由于横通道开挖引起二次扰动，进一步造成该侧已有衬砌结构向洞内收敛变形。

2.5 衬砌结构内力及安全性分析

提取交叉部位中心处断面的轴力及弯矩，如图7和图8所示。

图7 交叉部位中心处断面的轴力(单位：kN)

图8 交叉部位中心处断面弯矩(单位：kN·m)

根据图7和图8可知，由于车行横洞的开挖，在交叉部位中心处断面存在明显偏压现象。支护结构的受力会因横洞的开挖发生转移，主隧道靠近横洞一侧的支护轴力值减小，相对侧的支护轴力增大。由于主隧道交叉口处的支护结构在横洞一侧被截断，所以支护结构无法再起到“拱”类似作用，取而代之的是“板壳”作用。因此，横洞开挖对支护结构的受力情况产生了较为明显的影响，使其内力形成了一种较复杂的分布情况，在交叉口处产生了应力集中效应。因此应加强交叉口处及其附近的支护强度，在横洞进洞前应对洞口采取有效的加固措施并有必要采用一定的超前预加固措施，以保证进洞安全。

根据现行JTGD 70-2004《公路隧道设计规范》验算计算断面处各截面安全系数，如表3所示。

由表3可知，各开挖方法的各个截面均满足规范要求，而最不利断面出现在横向车行道对侧拱脚处，从安全性角度使用预留核心土法开挖最为有利，当采用台阶法及CRD法时，需要注意对横向车行道对侧拱脚的加固，防止结构破坏。

4 结论

采用ANSYS软件，针对峨眉至汉源高速公路豹狸岗隧道车行横洞与主隧道结构形成的三维空间交叉结构进行数值仿真计算分析，得出以下结论：

(1)在围岩沉降方面，由于CRD法采用了中隔墙等临时加固措施对围岩扰动最小，预留核心土法影响次之，台阶法影响最大。

表3 各工况主要截面安全系数

(2)在围岩塑性区方面，CRD法形成的塑性区最小。三种施工方法造成的围岩塑性区主要分布在主隧道拱腰区域，塑性区最大值区域同样出现在主隧道与车行横通道交叉部位。

(3)隧道衬砌结构第一主应力值有较大差异，CRD法>预留核心土法>台阶法，台阶法在施工过程中围岩扰动较大，释放了部分应力，直接作用于衬砌结构上的荷载相对较小。

(4)在衬砌结构内力方面，三种施工方法都存在明显偏压现象，横洞一经开挖，主隧道靠近横洞一侧的支护轴力值减小，横洞对侧的支护轴力增大，支护受力发生转移。

(5)在V级围岩条件下施工时，对围岩变形有较高控制标准时，建议采用对围岩扰动较小的CRD法，同时建议采用带仰供的横洞形式。