横通道施工阶段主隧道衬砌结构变形规律和受力特性

横通道施工阶段主隧道衬砌结构的变形规律和受力特性摘要：公路隧道的建设规模随着交通运输业的迅猛发展而日益增加，出现了众多的长隧道以及特长隧道。而建设横通道可以发生通车事故时为人员及车辆提供安全保障，为此具有极强的使用价值。文章以某高速公路的隧道工程为例，通过三维有限元数值模拟的方法，重点的研究了横通道施工阶段主隧道衬砌结构的变形规律和受力特性。

关键词：横通道施工；主隧道；衬砌；变形规律；受力

中图分类号：u455文献标识码： a 文章编号：

横通道的建设施工主要分为车行横通道与人行横通道，而前者由于具有较大的开挖断面，同时和主隧道发生斜交，为此具有更为复杂的受力特征，所以一直以来是研究重点。但是长久以来的研究主要集中在横通道外部的设计以及施工，但是对于横通道施工对于主隧道的影响的相关研究还不深入。本文就这一问题，通过现场实际测量以及借助三位数值模拟的方法进行了详尽的论述。

1. 施工方案及现场量测

1.1施工概况

某高速公路隧道在设计上属于上下行分离隧道，上行线与下行线长度分别为1660m与1690m。为了保证隧道使用期间的安全性，在隧道内部设置了一处车行横通道以及4处人行横通道。其中车行横通道与主隧道斜交，夹角为60°，交叉电桩号为xk89+084.5，高度为8.01m。另外主隧道衬砌以及车行横通道衬砌的净空断面宽

度分别为12.12m与7.59m，下图1为主隧道与横通道交叉示意图：图1 横通道和主洞交叉示意图(单位：m)

1.2施工方案

针对于实际的施工要求及现场情况，同时考虑到交叉区域三维空间的复杂受力结构，初步确定了两套施工方案：第一种是首先开展主隧道施工，在进行过初期支护后进行横通道施工，在横通道初期支护完成后再进行主隧道与横通道衬砌施工；第二种方案是在完成了主隧道施工后进行横通道施工。这两种方案各有优势，但是要决定选择哪一种还要结合施工的具体环境。前者尤其适用于地质条件优良的环境，因为通过初期支护可以有效的释放一部分应力，从而使得衬砌结构的手里更加的合理；而对于地质条件较差的施工环境要选择第二种方案，以保证施工的安全性。

现场施工环境考察：隧道的穿越地层土质主要为黄褐色—黄色的可塑性、湿性粘土，含水量为16.63%—30.90%，天然密度为1890—2061。此外围岩结构单一，地质条件较差。鉴于以上的分析，这里选用第二种施工方案，同时为了减轻对于围岩的扰动而采用台阶施工方法。

1.3衬砌结构受力监测

在衬砌中埋设探测原件可以有效地对衬砌结构的受力以及变形进行监测，如下图2所示，在下行线车行通道的两边设置了监测断面xk89+086、xk89+076。测量包括钢筋应力、接触压力、净空收敛、衬砌混凝土应力以及拱顶下沉等。同时还在结构的适当位置埋设钢

筋应立计以及混凝土应变计、全站仪反光贴膜等。

图2 量测断面布置

2.数值模拟

这里主要通过分析软件midas/gts对通道的整个施工阶段继续拧三维动态模拟，从而获得横通道施工阶段主隧道衬砌结构的变形规律和受力特性。

（1）初始应力场模拟。由于方案2是在完成了主隧道后进行横通道的开挖，为此衬砌初期支护已经稳定，为此初始应力场要模拟横通道开挖前的状态，此时、衬砌不受力且隧道贯通。

（2）三维有限元模型建立。在计算目的以及要求的指导下对计算范围继续拧确定。x方向到两边边界的宽度要大于3倍的开挖宽度，这里各取37m；y方向选择xk89+046—116；z方向的上面边界到达地面，下边界大于3倍的开挖深度，这里取值为21.25m。斜交叉角度为60°，长度为30m。由此建立起来的模型如下图3：图3有限元计算模型

另外横通道以及主隧道的衬砌混凝土以及喷射混凝土均使用shell结构单元，衬砌网格如下图4所示。使用的破坏屈服准则为mohr-coulomb ，对加固圈与围岩采用实体单元。

图4主隧道和横通道的衬砌网格

（3）计算参数。根据现场土工试验结果以及经验对围岩参数进行确定，初期支护中衬砌钢筋以及钢拱架通过等效原理折算到支护体系中。其他的参数如下表1所示：

表1 材料计算参数

3.结果分析

3.1主隧道衬砌结构变形分析

由计算结果可以得到，在交叉口的初期支护拆除后以及横通道施工阶段的主隧道衬砌变形主要为竖直方向（如下图5），水平方向较小可以忽略。竖直位移主要体现在下部的隆起以及上不得下沉，而水平方向的下部及上部也有向着围岩方向以及净空方向的位移趋势。

图5 主隧道衬砌竖直及水平方向位移(单位：m)

经过对主隧道的边墙以及衬砌拱顶的监测，得到了衬砌不同部位的横向变形，如下表2所示，其中的开挖长度指的是交叉口与掌子面之间的距离。从以下的数据分析可得到：（1）横通道施工会对主隧道衬砌产生较大的变形；（20再进行横通道施工过程中会加剧主隧道的变形，但影响随着开挖深度的加深而减小；（3）横通道施工过程对主隧道产生的是不对称的变形，在锐角一侧明显的大于钝角一侧。

表2主隧道衬砌随横通道开挖的变形

3.2主隧道衬砌应力分析

横通道不仅会对主隧道的原有成拱效应带来一定的影响，同时在交叉口形成应力集中现象。下图6为隧道开挖到7m时的主隧道的最大应力。

图6 主隧道衬砌最大主应力

从图中可以清楚的看出，衬砌交叉口的应力沿着轴向方向呈现出蝴蝶桩分布，经过和交叉部分不受应力部分的比对得到了交叉部分衬砌应力集中程度。结果显示在锐角一侧与钝角一侧应力集中存在差异，前者要明显大于后者，尤其是在交叉口下方、上方有更明显的应力集中现象。

为了验证分析结果还通过现场量测进行了比对，结果发现净空收敛、衬砌拱顶下沉、混凝土应力以及钢筋应力和数值模拟的结果相差不多，变化规律一致。

结论：

本文通过有限元数值模拟方法对横通道施工对主隧道衬砌结构的影响进行了详尽的论述，得到的研究结论主要有：横通道施工会对主隧道交叉口的衬砌结构带来一定的应力集中以及变形；发生的衬砌变形主要变现为拱部下沉；主隧道衬砌结构的应力集中以及变形现象随着横通道施工的进展而减小；主隧道与横通道的交叉口两侧的衬砌结构的安全系数比设计值2.0大；交叉口锐角一侧的应力集中以及变形要比钝角一侧的严重，但是相应的安全系数小于钝角一侧。由以上结论可见，采用先进行主隧道施工后进行横通道施工可以保证主隧道的安全，但是也要注意施工中产生的应力集中、变形情况，尤其对交叉口锐角一侧予以特殊重视。

参考文献:

［1］张志强，许江，万晓燕．公路长隧道与横通道空间斜交结构施工力学研究［j］．岩土力学，2007，28（2）．