摘要:隨著我國公路建設(shè)的快速發(fā)展,在修建隧道時(shí),往往會(huì)出現(xiàn)2條甚至多條隧道的平面交叉,形成公路主隧道和支隧道的交叉分岔段,因此掌握交叉部位結(jié)構(gòu)施工技術(shù)顯得十分重要。目前大跨度隧道設(shè)計(jì)、施工有較多關(guān)鍵技術(shù)尚待深入研究,尤其是大跨度隧道交叉結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為研究目前國內(nèi)尚為空白,故對(duì)此進(jìn)行深入研究具有深遠(yuǎn)的意義。
　　關(guān)鍵詞:公路隧道；施工方案；有限元計(jì)算
　　1引言
　　由于支隧道的存在,交叉段結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜,圍巖應(yīng)力高度集中,給施工帶來很大困難。為獲得交叉段合理施工方案,結(jié)果表明,每種方案中交叉段圍巖的豎向位移和應(yīng)力集中程度均較其他部位高20%以上;開挖后立即支護(hù)或分部份開挖,可明顯降低交叉部圍巖的應(yīng)力集中程度;對(duì)交叉部控制截面進(jìn)行線型優(yōu)化,可改善裸洞受力情況。研究結(jié)論對(duì)設(shè)計(jì)、施工交叉隧道有一定指導(dǎo)意義。
　　右岸高低干線公路包括右岸高線公路和右岸低線公路,2條公路均起于電站下游交通橋右岸橋頭,沿橋軸線方向經(jīng)過短暫明線過渡后直接進(jìn)入隧道,并很快在洞內(nèi)分開,形成平面交叉。隧道交叉部技術(shù)上的難點(diǎn)在于多次施工使得交叉段隧道圍巖應(yīng)力多次重分布,其受力特點(diǎn)復(fù)雜多變;另外,由于交叉部位主隧道的拱形支撐作用被切斷,結(jié)構(gòu)受力已不再是單一軸向受力,產(chǎn)生了部分彎曲受力的復(fù)雜受力狀況,圍巖應(yīng)力集中程度高,因此掌握交叉段結(jié)構(gòu)施工技術(shù)十分重要。鑒于隧道交叉分岔段施工的難度大,需對(duì)該隧道洞口交叉段標(biāo)準(zhǔn)斷面范圍以及標(biāo)準(zhǔn)斷面向小洞過渡區(qū)段進(jìn)行全三維開挖過程有限元分析。
　　2隧道施工方案研究
　　根據(jù)地質(zhì)報(bào)告和現(xiàn)場(chǎng)變形試驗(yàn),交叉部位工程地質(zhì)狀況較好,主要由Ⅲ級(jí)圍巖組成。隧道平交段計(jì)算,考慮到實(shí)際施工過程,采用多種方案模擬施工過程,以確定合適的開挖方案。
　　方案1:一次開挖后加15cm一次襯砌。
　　方案2:一次性全部開挖,不考慮襯砌。
　　方案3:先開挖3m高區(qū)域,然后立即加15cm一次襯砌,最后開挖剩余部分。
　　方案4:隧道交匯區(qū)洞室線型優(yōu)化后,全斷面開挖,不考慮襯砌。
　　方案5:隧道交匯區(qū)洞室線型優(yōu)化后,全斷面開挖,考慮15cm一次襯砌。施工方案1～3中的最小開挖圍巖方案19-19斷面襯砌線型,以及方案4～5中進(jìn)行隧道交匯區(qū)洞室19-19斷面襯砌線型優(yōu)化后的線型見圖1。
　　
　　圖119-19斷面襯砌示意
　　3有限元計(jì)算模型
　　3.1地應(yīng)力場(chǎng)模擬
　　根據(jù)工程地質(zhì)勘察報(bào)告,右高線1#隧道和右低線1#隧道交叉范圍的隧道圍巖最大埋深約為70m,巖性主要為二疊系下統(tǒng)平川組(P1p)上段(P1p2)灰色厚層角礫狀生物碎屑灰?guī)r、含少量燧石及硅質(zhì)灰?guī)r團(tuán)塊;巖層與洞線近于平行加之地勢(shì)較陡,巖體風(fēng)化、卸荷強(qiáng)烈。推測(cè)隧道區(qū)構(gòu)造應(yīng)力殘存較小,因此地應(yīng)力場(chǎng)按自重應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行模擬。
　　3.2有限元計(jì)算模型
　　本文用ANSYS對(duì)建立有限元模型進(jìn)行開挖模擬,并根據(jù)圍巖與襯砌的性質(zhì),分別采用三維實(shí)體單元和三維殼單元計(jì)算。實(shí)體單元模擬圍巖,殼體單元模擬襯砌。對(duì)系統(tǒng)錨桿支護(hù),按整體錨桿加固圈方式考慮,通過提高錨固范圍內(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。具體計(jì)算參數(shù)見表1。
　　表1圍巖和襯砌計(jì)算參數(shù)

　　分析隧道結(jié)構(gòu)特點(diǎn),建立如圖2所示的坐標(biāo)系,將平交口段隧道沿洞身方向劃分為26個(gè)斷面,然后在每個(gè)斷面上建立節(jié)點(diǎn),依次連接前后斷面上的節(jié)點(diǎn),完成單元的劃分,從而建立三維有限元計(jì)算模型。

　　圖2隧道斷面分布
　　同時(shí)在關(guān)鍵控制斷面將有限元模型加密,以更準(zhǔn)確地反映此區(qū)段圍巖及其襯砌的位移、應(yīng)力變化,提高計(jì)算精度，為保證計(jì)算結(jié)果合理,按隧道力學(xué)理論和邊界理論,取洞室開挖直徑4倍范圍、上覆70m圍巖作為隧道的計(jì)算范圍,進(jìn)行有限元離散。整個(gè)三維結(jié)構(gòu)共劃分了7355個(gè)節(jié)點(diǎn),7307個(gè)單元。
　　4三維計(jì)算結(jié)果分析
　　根據(jù)圣文南原理,系統(tǒng)錨桿錨固范圍內(nèi)圍巖是巖體開挖應(yīng)力釋放最密切相關(guān)的巖體,是隧道開挖有限元計(jì)算的重點(diǎn)區(qū)域,故在每種方案下,均取對(duì)隧道發(fā)生主要作用的隧道外徑向6m(部分錨桿長)范圍內(nèi)圍巖為研究對(duì)象,以此分析各施工方案下隧道整體和特殊斷面的受力特點(diǎn)。
　　4.1各方案隧道圍巖變形比較
　　變形是最直觀的,也是最基本的。隧道在自重荷載作用下發(fā)生變形,在Z方向產(chǎn)生最大豎直位移。在不同的施工方案中,結(jié)構(gòu)的最大位移也不同。
　　1)隧道一次全斷面開挖不加襯砌與一次全斷面開挖加一次15cm厚襯砌相比,最大位移由3.97cm下降到2.36cm,降低約40%,可見開挖后立即加初期襯砌支護(hù),有利于降低圍巖結(jié)構(gòu)變形。
　　2)隧道分次開挖與全斷面開挖加一次襯砌相比,最大位移由2.36cm下降到2.14cm,降低約9%,說明分次開挖比全斷面開挖施工有利。
　　3)隧道交叉部位由于開挖面大,同時(shí)主隧道的拱形支撐作用被切斷,故計(jì)算控制斷面處為結(jié)構(gòu)的最大數(shù)值位移發(fā)生處。說明在支隧道施工前和施工后,都需要加強(qiáng)對(duì)交叉部的支護(hù)措施。
　　4.2各方案圍巖應(yīng)力集中效應(yīng)比較
　　眾所周知,修筑隧道時(shí)隧道的拱腳或拱腰處存在應(yīng)力集中現(xiàn)象。由于右低線1#隧道的施工,不僅破壞了原主隧道的成拱效應(yīng)荷載分布,而且影響交叉部圍巖應(yīng)力分布,使交叉部成為結(jié)構(gòu)的最薄弱部位。各方案交叉部圍巖壓應(yīng)力。可得到如下認(rèn)識(shí):
　　1)交叉部圍巖應(yīng)力局部增大,其集中程度比一般部位要大,因此從施工安全考慮,在支隧道施工前,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。
　　2)隧道分次開挖和全斷面開挖加一次襯砌的壓應(yīng)力極值均比一次全斷面開挖不加襯砌小30%以上,且明顯減小交叉部圍巖的應(yīng)力集中程度,故在施工時(shí)加一次襯砌或分次開挖十分必要。
　　3)隧道分次開挖時(shí)壓應(yīng)力極值發(fā)生在開挖邊界上,且應(yīng)力極值較方案2增大,說明在施工過程中應(yīng)充分考慮開挖邊界的處理。
　　4.3交叉部圍巖拉應(yīng)力分析
　　隧道交叉部計(jì)算控制斷面范圍是位移、應(yīng)力極值易出現(xiàn)范圍,也是結(jié)構(gòu)的薄弱部位。由分析數(shù)據(jù)可知計(jì)算控制斷面處隧道拱頂?shù)睦瓚?yīng)力最大。分析可知:
　　1)由于支隧道的開挖,交叉部拱頂出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力區(qū),需對(duì)拉應(yīng)力區(qū)分布范圍給予密切關(guān)注。特別是垂直裂隙發(fā)育時(shí),即使很小的拉應(yīng)力也使巖體產(chǎn)生張性裂隙,從而造成拱頂?shù)奶�落�?br /> 　　2)抬高高低線交匯區(qū)隧道的室高,對(duì)結(jié)構(gòu)拱頂軸線線型優(yōu)化后,拱頂?shù)淖畲罄瓚?yīng)力降低約38%;拱頂?shù)淖畲罄瓚?yīng)力降低約42%。因此對(duì)計(jì)算控制斷面襯砌線型進(jìn)行優(yōu)化,使其形成自然拱性結(jié)構(gòu),可改善裸洞自然成拱的能力,有利于降低拱頂?shù)睦瓚?yīng)力。
　　5結(jié)束語
　　1)隧道交叉部由于開挖面大,同時(shí)主隧道的拱形支撐作用被切斷,是結(jié)構(gòu)的最薄弱部位。無論采用何種施工方案,在支隧道施工前后,都需加強(qiáng)對(duì)交叉部的支護(hù)措施,以確保該部位的安全。
　　2)開挖后立即加支護(hù)或進(jìn)行分部開挖,有利于降低圍巖的變形量,且明顯減小交叉部圍巖的應(yīng)力集中程度,故在施工時(shí)加一次襯砌或分次開挖十分必要(特別是交叉部施工時(shí))。
　　3)交叉部隧道最小開挖土方方案未能形成自然壓力拱,需對(duì)計(jì)算控制斷面襯砌線型進(jìn)行優(yōu)化,使其形成自然拱性結(jié)構(gòu),從而改善裸洞自然成拱的能力,有利于降低拱頂?shù)睦瓚?yīng)力。
　　4)從理論、數(shù)值分析看,對(duì)交叉分岔段隧道的最安全施工方案為對(duì)隧道交匯區(qū)洞室線型優(yōu)化后進(jìn)行分部開挖,且施工后盡快實(shí)施初期支護(hù)。
　　參考文獻(xiàn)：
　　[1]張憲鑫.深埋交叉隧道開挖變形行為及襯砌應(yīng)力研究[D]；
　　[2]張志強(qiáng),許江,萬曉燕.公路長隧道與橫通道空間斜交結(jié)構(gòu)施工力學(xué)研究[J]；
　　[3]孫均.地下結(jié)構(gòu)有限元法解析[M]；