李世麟， 張志強

(西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室，四川成都 610031)

眾所周知，在山區(qū)修建的公路交叉隧道越來越多[1]，由于受交通安全的要求和地形條件的限制，通常需要在隧道交叉的位置，擴大主隧道斷面，設置緊急停車帶，用以確保隧道內公路交通的安全與暢通，并防范交通事故發(fā)生時，引離故障車輛于干道。在建設公路交叉隧道時，設計、施工合理的緊急停車帶擴大斷面，對于后期沿橫向安全開挖支洞，形成結構穩(wěn)定、受力合理在的空間交叉隧道支護體系是十分重要的[2-4]。

“長河壩水電站交通工程”金康隧道，全長4 530 m，主要承擔電站施工期間場內交通運輸任務，為此，在金康隧道內設置了4處緊急停車帶擴大斷面，分別與3-1#隧道(13.5 m)、3-2#隧道(13.5 m)以及壩體填筑(高程1 580 m)隧道(13.5 m)相交。長河壩水電站交通工程金康隧道交叉隧道段在3-1#隧道匯入正洞的交叉口，隧道的跨度達到22.61 m，而橫向支洞—3-1#隧道自身的開挖寬度也達到13.5 m，其交叉角度近60°。由于金康主隧道在緊急停車帶處形成了超大斷面(斷面積大于200 m2)，屬于超大跨、扁平、特大斷面的地下工程，并且與雙向行車的橫向支洞—3-1#隧道近60°空間斜交，因此，所形成的交叉部結構的受力十分復雜，施工難度顯著增大[5-6]。

本次計算主要包括以下內容：基于現(xiàn)場的施工條件，建立空間有限元力學模型，進行三維有限元數(shù)值模擬分析；研究III級圍巖下，緊急停車帶擴大斷面開挖及支護后隧道交叉口處圍巖的空間應力狀態(tài)，并進行有關變形、應力分析；通過有限元三維數(shù)值模擬，研究III級圍巖下，隧道襯砌完成后交叉結構的變形狀態(tài)及其應力分布。

1　模型建立

1.1　計算模型本構關系的選擇

由于本次計算分析模擬的實體較多(如圍巖、初期支護等)，基于分析的重點的不同對不同的實體采用了不同的本構關系。圍巖采用理想彈塑性本構關系，噴混凝土采用彈性本構關系。

在三維靜力分析中圍巖體選用理想彈塑性本構關系，其屈服準則采用Drucke-Prager屈服準則(簡稱D-P準則)。所謂的D-P準則是把對巖土屈服有重要影響的靜水應力因素加入了mises準則中去，來模擬巖土的塑性屈服。

1.2　模型參數(shù)的選擇

依托工程涉及到V級圍巖物性指標，因此計算圍巖參數(shù)按V級圍巖選?。簠⒖棘F(xiàn)行的JIG D70-2004《公路隧道設計規(guī)范》。結果如表1所示。

表1　計算物理力學指標

2　三維有限元靜力計算及分析

根據(jù)依托工程的實際情況，選取地層最不利埋深H=98.0 m，進行模擬分析。

考慮模型的邊界效應，因此模型在金康隧道主洞橫斷面方向(X向)取103 m，支洞縱向長度為47 m(投影長度為40 m)；主洞縱向(Z向)取110 m；隧道垂直方向(Y向)取128 m；左右邊界約束水平位移，下邊界約束豎直位移，上邊界為自由邊界。

2.1　模型構建

考慮上述因素以后，隧道分析基本網(wǎng)格圖1、圖2。

圖1　模型網(wǎng)格

圖2　隧道網(wǎng)格

2.2　計算結果對比分析

2.2.1隧道變形

金康主隧道扁平率為0.48(或0.52)，屬超常扁平大跨隧道，研究支隧道開挖及支護施工過程中的主、支隧道的圍巖及支護的變形特征顯得尤其重要。變形總是最直觀的，也是最基本的；因此，研究本隧道交叉結構時，首先應對圍巖及支護結構的變形進行分析。而對于扁平大跨斷面隧道結構而言，拱頂位移是其穩(wěn)定性評價的關鍵指標。

2.2.1.1拱頂沉降

分析表2和圖3、圖4知，支隧道施工對主隧道變形有明顯的影響，主隧道拱頂呈現(xiàn)如下變形規(guī)律。

表2　隧道交叉口處拱頂位移隨施工過程變化　mm

圖3　扁平率0.48隧道拱頂位移隨典型施工過程變化

圖4　扁平率0.52隧道拱頂位移隨典型施工過程變化

在支洞開挖前，主洞拱頂位移沿主隧道縱向基本相同，扁平率為0.48的隧道的拱頂位移為18.0 mm左右，扁平率為0.52的隧道為17.4 mm左右。

在支洞開挖后，與支洞交叉處其拱頂位移較其他處大，這是由于此處襯砌在支洞一側被截斷，導致靠近此處結構的剛性降低。在支洞開挖6 m以后，這種剛度降低的效果非常明顯了，扁平率為0.48的隧道為19.7，扁平率為0.52的隧道在交叉口處的拱頂位移為18.1。隨著拱頂觀測點斷面遠離支隧道洞口，拱頂位移逐漸變小。

支隧道與主隧道為斜交60°，主隧道拱頂位移在主隧道縱向并不對稱，而在銳角一側拱頂位移較對稱位置的拱頂位移更大，說明該側受支洞施工影響更為明顯。隨著支隧道開挖掌子面不斷向前推移,支隧道開挖所引起的主隧道的位移量逐漸減小，扁平率為0.48和0.52的隧道表現(xiàn)出相同的規(guī)律。當支洞開挖到10 m以后，主洞拱頂位移以達到最終位移值的93 %以上；當支洞開挖到20 m以后，主洞拱頂位移以達到最終位移值的95 %以上；當支洞開挖到30 m以后，主洞拱頂位移以達到最終位移值的97 %以上。

以支洞離主洞56.44 m處(即交叉口)拱頂位移為例，詳見表2，此處由于襯砌的被截斷，支洞施工對主洞影響最為嚴重，此處由于支洞施工引起的主洞拱頂位移為3.6 mm。在支洞施工6 m后，扁平率為0.48和0.52的隧道在此處主洞拱頂位移為19.7 mm和18.1 mm，支洞施工引起的主洞拱頂位移為1.7 mm和0.7 mm，約占總數(shù)的47 %和20 %；在支洞施工10 m后，扁平率為0.48和0.52的隧道此處主洞拱頂位移為20.2 mm和19.6 mm，支洞施工引起的主洞拱頂位移皆為2.2 mm，約占總數(shù)的61 %和62 %；在支洞施工20 m后，此處主洞拱頂位移為20.8 mm和20.0 mm，支洞施工引起的主洞拱頂位移為2.8 mm和2.6 mm，約占總數(shù)的78 %和73 %；在支洞施工30 m后，此處主洞拱頂位移為21.2 mm和20.4 mm，支洞施工引起的主洞拱頂位移為3.2 mm和3.0 mm，約占總數(shù)的89 %和83 %；這說明，在支洞20 m以后的施工對主洞的開挖的影響已經(jīng)很小了。且扁平率為0.48的隧道交叉處由于支洞開挖而導致的此處結構的剛性降低，相比扁平率為0.52的隧道，要更為劇烈。

2.2.1.2洞周水平收斂

分析表3可知，在支洞開挖前，在離交叉口一定距離處，其洞周位移為對稱變形；在交叉口，由于初期襯砌的被截斷，結構剛度不對稱，其洞周位移也從對稱變形變?yōu)椤捌蛑Ф匆粋取钡牟粚ΨQ變形。

支洞開挖完畢后，在離交叉口30 m處，鈍角一側斷面洞周位移基本呈對稱變形，但銳角一側斷面明顯受支洞施工影響更為嚴重，其洞周位移呈“偏向支洞一側”的不對稱變形，支洞一側比另一側在拱腳以下均大0.5 mm以上，扁平率為0.48的隧道的支洞一側的洞周水平收斂增大了0.8 mm，扁平率為0.52的隧道增大了0.7 mm；在離交叉口10 m，鈍角和銳角兩側斷面處都呈“偏向支洞一側”的不對稱變形，其中鈍角側斷面支洞一側比另一側在拱腳以下均大0.4 mm以上。

表3　洞周水平收斂示意　mm

可以看出，越靠近交叉口處，由支洞開挖導致洞周水平收斂就越大，且其中扁平率為0.52隧道洞周水平收斂相比于扁平率為0.48隧道要小一些。

2.2.2支護應力

由表4知,交叉部襯砌，由于拱形的支撐作用被切斷，在支洞一側襯砌剛度被削弱，在“環(huán)口”處出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象。在支洞開挖前，主隧道襯砌只是由于交叉口處襯砌的削弱而在“環(huán)口”處應力比其他部位要大。在“環(huán)口”附近主洞支護基本受拉，在墻角處受壓，此時，最大拉應力位于主洞銳角側邊墻處，最大值為1.80 MPa，最大壓應力位于靠近銳角側墻腳處，最大值為22.4 MPa。其應力云圖從支洞軸線方向看基本對稱，而從主洞軸線方向看，其應力云圖出現(xiàn)偏向“環(huán)口”側的彎曲。

在支洞施工完畢后，最大拉應力值達到5.10 MPa，仍然偏向銳角側，在主隧道“環(huán)口”墻腳處的壓應力繼續(xù)增大，靠近銳角側壓應力值達53.2 MPa，鈍角側壓應力值則為47.3 MPa；而支洞拱頂拉應力區(qū)也延伸至支洞洞口。

表4　扁平率0.48的隧道支護應力　MPa

由表5知，在支洞開挖前，主隧道襯砌由于交叉口處襯砌削弱而在“環(huán)口”處應力比其他部位要大。在“環(huán)口”附近主洞襯砌基本受拉，在墻角處受壓，此時，最大拉應力位于主洞拱頂處，最大值為2.46 MPa，最大壓應力位于靠近銳角側邊墻處，最大值為22.6 MPa。

在支洞施工完后，在主隧道襯砌“環(huán)口”處出現(xiàn)“應力集中”趨于穩(wěn)定，此時最大拉應力值達到5.32 MPa，仍然偏向銳角側，在主隧道“環(huán)口”墻腳處壓應力繼續(xù)增大，靠近銳角側壓應力值達52.3 MPa，鈍角側壓應力值則為46.4 MPa；而支洞拱頂拉應力區(qū)也延伸至支洞洞口，第三主應力最大值為0.53 MPa，其應力云圖在離環(huán)口10 m之內仍然偏向銳角側，在離環(huán)口10 m后基本對稱，在離環(huán)口20 m后呈對稱分布；在支洞與主洞襯砌交接下部(邊墻)銳角側的第三主應力數(shù)值仍然大于鈍角側。

表5　扁平率0.52的隧道支護應力　MPa

由于主隧道原有應力以及主隧道造成的支隧道洞口多臨空面的存在，嚴重地危及到支隧道進洞過程及進洞后施工過程中支隧道洞口及洞口段的穩(wěn)定性。設計和施工時應充分考慮進洞施工的安全性，采取有效的加固措施，以防洞口及洞口段失穩(wěn)。

2.2.3支護內力

隧道交叉部支護內力見圖5～圖8。

圖5　扁平率0.48隧道交叉部支護軸力(單位:kN)

圖6　扁平率0.48隧道交叉部支護彎矩(單位:kN·m)

圖7　扁平率0.52隧道交叉部支護軸力(單位:kN)

圖8　扁平率0.52隧道交叉部支護彎矩(單位:kN·m)

因支洞施工，支護剛度降低，主隧道和支洞襯砌組成受力十分復雜交叉結構，因此，支護結構受力已不再是單一軸向受力，而產(chǎn)生部分彎曲受力的復雜應力狀態(tài)。但從整體上看，在主隧道施工期間，對隧道結構產(chǎn)生重大影響的是橫向內力及其變化。

支隧道開挖前，主隧道在離交叉口30 m處其內力基本呈對稱分布，但在離交叉口10 m處受支洞處襯砌截斷影響，靠近支洞側彎矩略大于另一側。

在支隧道的開挖及支護施工過程中，隨著支隧道開挖掌子面的向前推移，施工引起的主隧道同一斷面的軸力及彎矩均逐漸增大(開挖完畢后，扁平率為0.48和0.52的隧道交叉口處的最大軸力達到843 kN和811 kN，最大彎矩達到19.4 kN·m和17.3 kN·m)。位于交叉口兩側的斷面軸力和彎矩的增量并不對稱，其中銳角一側比鈍角一側增量更大。

由于主隧道交叉口處支護在支洞一側被截斷，故不再起拱的作用，而是板或者殼的作用。因而支隧道的施工必將對主隧道的支護結構的內力產(chǎn)生明顯的影響，使其內力形成了一種較復雜的分布情況，且這種影響在交叉口處更為明顯。因此應加強交叉口處及其附近的支護強度，在支隧道進洞前應對洞口采取有效的加固措施并有必要采用一定的超前預加固措施，以保證進洞安全。

3　結論

(1)由于主、支隧道相互影響，在支隧道施工過程中，主、支隧道的拱頂位移均表現(xiàn)為交叉口處最大，并隨著觀測斷面遠離交叉口，其拱頂位移也逐漸減小。且支隧道在進洞20 m范圍內的相互影響較為明顯。

在兩種扁平率情形下，主隧道扁平率為0.48時的主、支隧道的拱頂位移均比扁平率為0.52時的要大，說明扁平率越小，在施工過程中主、支隧道的相互影響越明顯。

施工過程中，交叉部圍巖受到反復擾動，地應力場多次重分布，并導致主隧道與支洞組成的交叉結構變形和受力十分復雜。

(2)由于主、支隧道相互影響，在支隧道施工過程中，主、支隧道的支護結構的內力分布為：兩種內力均表現(xiàn)為交叉口處最大，并隨著觀測斷面遠離交叉口，其拱頂位移也逐漸減小。且支隧道在進洞20 m范圍內的相互影響較為明顯。

(3)兩種扁平率情形下的交叉結構各有優(yōu)劣。其中主隧道扁平率為0.48時，在支隧道的支護內力和交叉部的圍巖應力集中程度兩方面比扁平率為0.52時略顯優(yōu)越，而在主隧道的內力及交叉部的支護應力集中兩方面，扁平率為0.48時比0.52時又略顯劣勢。因此就內力及應力分析而言，很難對兩種交叉結構方案進行取舍。