深埋交叉隧道施工力學(xué)研究

肖海波

(廣東省公路建設(shè)有限公司，廣東廣州510000)

近年來(lái)，隨著科技與經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，隧道交叉現(xiàn)象越來(lái)越多，比如車行橫通道、人行橫通道、地鐵聯(lián)絡(luò)橫通道、通風(fēng)豎井、大型地下廠房、公路分岔隧道等等。在隧道交叉處，圍巖再一次引起擾動(dòng)，形成一力學(xué)行為復(fù)雜的區(qū)域。因此，了解交叉段圍巖應(yīng)力狀態(tài)以及變形機(jī)制，對(duì)于交叉隧道的設(shè)計(jì)與施工具有重大的意義。鑒于早期計(jì)算機(jī)技術(shù)的限制，研究相對(duì)較少。近年來(lái)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)交叉隧道動(dòng)態(tài)施工力學(xué)行為展開了一系列的研究[1]～[5]。F·Y·Hsiao 就不同巖體等級(jí)、不同主應(yīng)力大小和方向、埋深、交叉角度和不同的支護(hù)方式對(duì)襯砌應(yīng)力的影響及隧道交叉段破壞區(qū)位等進(jìn)行了75個(gè)例子的計(jì)算研究[5]。本文針對(duì)錦屏二級(jí)水電站4#引水隧洞與2#施工支洞相交情況，進(jìn)行了數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)研究，為深埋交叉隧道設(shè)計(jì)與施工提供科學(xué)依據(jù)。

1 工程概況

錦屏二級(jí)水電站利用雅礱江下游河段150 km長(zhǎng)大河彎的天然落差，通過(guò)長(zhǎng)約16.67 km的引水隧洞，裁彎取直，獲得落差約310 m。電站總裝機(jī)容量4 800 MW，單機(jī)容量600 MW。工程樞紐主要由首部攔河閘、引水系統(tǒng)、尾部地下廠房三大部分組成，為一低閘、長(zhǎng)隧洞、大容量引水式電站。錦屏二級(jí)水電站引水隧洞貫穿錦屏山，具有埋深大、洞線長(zhǎng)、洞徑大的特點(diǎn)，是錦屏二級(jí)水電站樞紐最重要的組成部分。根據(jù)前期的試驗(yàn)探洞資料分析，在引水隧洞施工過(guò)程中，可能遇到的工程地質(zhì)問(wèn)題有:涌突水、強(qiáng)～劇烈?guī)r爆和其他地質(zhì)災(zāi)害等。其中，高地應(yīng)力和高地下水是影響引水隧洞圍巖穩(wěn)定性及襯砌結(jié)構(gòu)安全性的主要因素，如何保證圍巖穩(wěn)定及支護(hù)結(jié)構(gòu)在“雙高”作用下的安全性是錦屏二級(jí)水電站引水隧洞能否成立所必須回答的問(wèn)題，也是隧洞設(shè)計(jì)參數(shù)確定的基本前提。本研究段位于4#引水隧洞樁號(hào)K16+201.289到K16+633.175之間的與東引2#施工支洞之間的隧道交叉部分，隧道所處圍巖大部分為Ty62中薄層泥質(zhì)灰?guī)r或黑色細(xì)晶大理巖，巖性相對(duì)較好，圍巖級(jí)別為三級(jí)，存在高地應(yīng)力，有巖爆發(fā)生。兩隧道最小夾角40°，隧道埋深1 100 m，處于深埋隧道。洞室分布如圖1所示。

圖1 隧道分布

2 計(jì)算模型

2.1 建立模型

本計(jì)算模型模擬4#引水隧洞與東引2#施工支洞的交叉部分，兩隧道交叉處的樁號(hào)K16+401.68，兩邊各取80 m，隧道總長(zhǎng)為160 m，進(jìn)行三維模擬，根據(jù)隧道影響范圍，按隧道力學(xué)理論和邊界理論[6]，橫向兩邊各取40.5 m，總寬80 m，豎向洞頂上部取33.5 m，洞頂下部取值34.5 m，總長(zhǎng)80 m。圍巖用實(shí)體單元SOLID45模擬，支護(hù)用殼單元SHELL63模擬，對(duì)系統(tǒng)錨桿支護(hù)，按整體錨桿加固圈方式考慮，通過(guò)提高錨固范圍內(nèi)圍巖參數(shù)(提高10%材料參數(shù))，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)錨桿支護(hù)的模擬，進(jìn)行彈塑性分析。共22 160個(gè)單元，231 653個(gè)節(jié)點(diǎn)。計(jì)算模型如圖2所示。

2.2 材料參數(shù)及開挖方式

依據(jù)錦屏二級(jí)水電站地質(zhì)勘察報(bào)告，交叉部隧道為Ⅲ級(jí)圍巖，4#引水隧洞襯砌采用15 cm厚C25混凝土，東引2#施工支洞為19 cm厚的C25混凝土，對(duì)錨桿力學(xué)效果的模擬主要考慮施錨后，加固范圍內(nèi)圍巖彈性模量、粘聚力、內(nèi)摩擦角、抗壓強(qiáng)度等指標(biāo)的提高。開挖方式采用上下臺(tái)階法開挖。選取計(jì)算物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

圖2 整體模型

表1 計(jì)算物理力學(xué)指標(biāo)

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 交叉部圍巖應(yīng)力分析

隧道開挖后，交叉部圍巖應(yīng)力狀態(tài)如圖3～圖5所示。通過(guò)比較交叉段與遠(yuǎn)離交叉段部位分析發(fā)現(xiàn)，在交叉處明顯存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，如表2所示。

表2 交叉部圍巖應(yīng)力集中效應(yīng)分析(單位MPa)

圖3 遠(yuǎn)離交叉段圍巖應(yīng)力

歸納起來(lái)可以得到以下結(jié)論。

(1)交叉部圍巖應(yīng)力局部增大，發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，因此從施工安全考慮，在隧道施工前，對(duì)交叉部拱部范圍采用超前錨桿等預(yù)加固支護(hù)措施是十分必要的。

圖4 銳角圍巖應(yīng)力

圖5 鈍角圍巖應(yīng)力

(2)交叉部圍巖應(yīng)力集中程度，通過(guò)對(duì)比分析，大致上是當(dāng)交叉角為50°時(shí)，為1.6倍，當(dāng)交叉角為40°時(shí)，為2.0倍，交叉角越小，應(yīng)力集中程度越高[1]。

(3)從圍巖應(yīng)力影響范圍來(lái)看，以主隧道洞徑D計(jì)算，大體上是:交叉部銳角一側(cè)40°時(shí)為2倍洞徑D，鈍角一側(cè)50°時(shí)為1.5倍洞徑D。

3.2 交叉部圍巖拉應(yīng)力分析

在主隧道拱頂以及拱腰部位取幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，得到最大主應(yīng)力隨開挖步變化曲線，如圖6、圖7所示。

圖6 拱頂S1變化圖

通過(guò)應(yīng)力變化時(shí)程圖以及應(yīng)力云圖發(fā)現(xiàn)，隧道開挖后，在隧道拱頂和仰拱部位產(chǎn)生了平均0.15 MPa的拉應(yīng)力區(qū)域，尤其是在兩隧道交叉的拱頂部位，達(dá)到0.4 MPa的拉應(yīng)力，成為整個(gè)隧道的薄弱區(qū)域。因此在隧道開挖過(guò)程中，需遵循新奧法開挖原則，及時(shí)加強(qiáng)支護(hù)，防止圍巖坍塌。

圖7 拱腰S1變化圖

3.3 交叉部圍巖位移分析

在主隧道拱頂以及拱腰部位取幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，分析位移隨開挖步的影響，得到時(shí)程曲線圖8、圖9。

歸納起來(lái)可以得到以下結(jié)論:

(1)隧道開挖后，整體水平位移較小，隧道拱腰處變形趨向洞內(nèi)，洞徑縮小，但在隧道交叉段水平位移最大，達(dá)到4.45 mm。

(2)從豎向位移來(lái)看，整個(gè)隧道變形以垂直位移為主，并且在兩隧道交叉的拱頂部位位移最大，最大值為11.5 mm。因此，在隧道施工過(guò)程中，需加強(qiáng)對(duì)該部位的支護(hù)，并加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)。

圖8 拱腰水平位移

圖9 拱頂豎向位移

3.4 交叉部襯砌應(yīng)力分析

隧道開挖后，交叉部襯砌應(yīng)力狀態(tài)如圖10所示。通過(guò)應(yīng)力圖形分析，發(fā)現(xiàn)隧道開挖后，在襯砌的拱頂部位產(chǎn)生少許有不超過(guò)0.4 MPa的拉應(yīng)力。而在兩隧道的交叉部位，拉應(yīng)力增大，并且在銳角交叉處，達(dá)到最大值為2.77 MPa。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)交叉節(jié)點(diǎn)三維彈塑性有限元數(shù)值模擬分析，可以得到下列結(jié)論。

(1)隧道開挖后，在隧道交叉部位的拱腳部位出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，在拱頂部位出現(xiàn)拉應(yīng)力，拉應(yīng)力最大值為0.4 MPa，因此在隧道施工過(guò)程中，需加強(qiáng)對(duì)這兩部位的支護(hù)和監(jiān)控量測(cè)，防止圍巖破壞。

(2)從圍巖應(yīng)力集中度來(lái)看，大致上是當(dāng)交叉角為50°時(shí)，為1.6倍;當(dāng)交叉角為40°時(shí)，為2.0倍。并且交叉角越小，應(yīng)力集中程度越高，因此在隧道設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)盡量形成直角相交。

圖10 襯砌應(yīng)力

(3)從圍巖變形來(lái)看，隧道開挖后，洞室收縮，并且在拱腰處水平位移最大，拱頂下沉，在兩隧道的交叉部位，沉降量最大，達(dá)到11.5 mm。因此需加強(qiáng)對(duì)該部位的支護(hù)和監(jiān)控量測(cè)。

(4)從襯砌受力情況來(lái)看，在襯砌的頂部有少許拉應(yīng)力出現(xiàn)，而在兩隧道的交叉部位，拉應(yīng)力增大，并且在銳角交叉處，達(dá)到最大值為2.77 MPa。

(5)從整個(gè)數(shù)值模擬結(jié)果來(lái)看，隧道薄弱環(huán)節(jié)在兩隧道交叉部位的拱頂和拱腳部位，因此建議在隧道施工過(guò)程中，對(duì)這兩部位打長(zhǎng)錨桿，鋼支撐，或預(yù)注漿，加強(qiáng)支護(hù)效果，并進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)，觀測(cè)圍巖破壞情況。

[1]張志強(qiáng)，許江，萬(wàn)曉燕.公路長(zhǎng)隧道與橫通道空間斜交結(jié)構(gòu)施工力學(xué)研究[J].巖土力學(xué)，2007，28(2):247－252

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