车行横洞施工对隧道主洞变形的影响

第２５卷第２期　石家庄铁道大学学报（自然科学版）　Ｖｏ１．２５　Ｎ。．２　２０１２年６月ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＳＨＩＪＩＡＺＨＵＡＮＧ　ＴＩＥＤＡＯ　ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ（ＮＡＴＵＲＡＬ　ＳＣＩＥＮＣＥ）　Ｊ　ｎ．２０１２　车行横洞施工对隧道主洞变形的影响　孙志杰，董立山　（山西省交通科学研究院黄土地区公路建设与养护技术交通行业重点实验室，山西太原０３０００６）　摘要：针对隧道车行横洞施工对主洞结构产生影响，以运城一灵宝高速公路中条山隧道工程　为依托，采用现场试验和三维有限元仿真的方法，对车行横洞施工阶段主洞的变形规律进行了　研究。研究结果表明：车行横洞施工对主洞的影响，在时间上主要表现在交叉口初支拆除和横　洞的第１个开挖步，随着横洞开挖深度的增加，主洞结构的变形逐步趋于稳定；车行横洞施工对　隧道主洞围岩变形影响主要表现为主洞拱顶下沉量增加和开挖侧拱脚水平位移减小，主洞未开　挖侧拱脚水平位移影响不大。　关键词：车行横洞；试验；三维有限元；变形　中图分类号：Ｕ４５５文献标识码：Ａ文章编号：２０９５—０３７３（２０１２）０２—００３２—０５　０　引言　为确保分离式双洞长大隧道在发生交通事故和火灾时，能及时将人员和车辆疏散，一般在长大隧道　中要设置横通道，车行横通道的设置问距为最大不得超过１　０００　ｉｎ，人行通道的设置间距为最大不得超过　５００　ｉｎ¨　。可见横通道在长大隧道运营中的重要作用。目前对隧道｝同室内交叉段三维受力分析主要是通　过数值分析　４。。刘山洪等　采用数值方法对聚云山隧道主洞和横洞交叉口段稳定性进行了分析，得出　地应力和结构应力集中是导致交叉口失稳的主要原因。罗彦斌等　对田恒山隧道交叉口段进行了现场　试验。此外，马栋等　对隧道交叉口段的施工也进行了有益探索。但是，车行横洞施工对主洞结构变形　的影响目前研究的较少。因此，以中条山隧道为依托，采用三维数值模拟和现场试验的方法，研究隧道车　行横洞施工对主洞结构变形的影响。　１　工程概况及现场试验　１．１工程概况　依托工程运城一灵宝高速公路中条山隧道为上下行分离式隧道，上行线长为９　６７１　ｍ，下行线长为　９　６７０．９４２　ｍ。隧道最大埋深６８１　ｍ，属深埋特长公路隧道。　全洞共设置车行横洞１２处，人行横洞１６处。试验段选取车行横洞与主洞交叉点桩号为ＹＫ１３＋９４５。　研究段主要由下古生界寒武系下统馒头毛庄组、中统徐庄组下半段组成；馒头毛庄组主要为泥灰岩、　页岩、石英砂岩、灰岩、泥岩互层状组成，徐庄组为泥质、砂质页岩组成；岩层产状１６０。～２００。／１８。～２３。。　此段主要由软质、硬质岩互层状组成。　１．２现场试验　为研究车行横洞开挖对主洞初支结构的受力产生的影响，在主洞的初支结构中埋设测试传感器进行　监控量测。测在中条山隧道上行线车行通道两侧分别设置监测断面ＹＫ１３＋９５０和ＹＫ１３＋９３０。量测的　项目包括围岩拱顶下沉和净空收敛，量测断面布置如图１所示。　收稿日期：２０１２—０４—０５　作者简介：孙志杰　男　１９８３年出生工程师　基金项目：山两省交通建设科技项目（１０—２—１３）　第２期　孙志杰等：车行横洞施工对隧道主洞变形的影响　３３　２数值模拟　为分析横通道施工对主洞支护结构变形的影响，采用有限元软件进行三维动态模拟。　２．１模型的建立　模型以主洞和横洞交叉点为模型中心点，Ｙ方向为主洞方向，　方向为横洞方向。模型尺寸：主洞左　右边界距离为大于３倍开挖宽度，取６０　ｍ，主洞下边界为大于３倍开挖高度，取３０　ｍ；由于隧道属深埋隧　道，上边界取３０　ｍ并施加等效竖向荷载。主洞开挖长度选为６０　ｍ，横洞开挖长度为３０　ｍ。主洞与横洞交　叉口三维模型如图２所示。　图１量测断面布置图（单位：ｎ１）　图２主洞与横洞交叉口三维模型图　施工过程采用先开挖主｝同，主洞支护施作完毕后再开挖横洞，施作横洞支护，模型采用“激活”、“钝　化”相应单元来模拟围岩的开挖和支护结构的施加，施工步序如下：施工步１为自重计算，施工步２—２１　为主洞开挖，施工步３～２２为主洞支护。施工步２３为主洞交叉口部位初支拆除。施工步２４～３１为横洞　开挖，施工步２５～３２为横洞支护。　２．２模型计算参数　计算模型围岩采用实体单元，主洞和横洞的初期支护喷射混凝土采用板单元，锚杆采用植入式桁架　单元，岩体本构模型为莫尔．库仑模型。材料的计算参数见表１。　表１模型材料计算参数　３结果及分析　为分析横洞施工对主洞结构的影响，选取距离交叉点不同距离的断面，对各断面关键节点的位移和　关键部位板单元的应力进行施工过程监测。　３．１主洞围岩变形分析　图３和图４为横洞开挖前后主洞在交叉口断面的竖向和横向位移云图。　横洞主洞和横洞交叉口处的初期支护拆除和横通道的开挖支护过程中，主洞围岩竖向变形大于水平　变形。竖直方向的变形主要表现为拱顶下沉和仰拱隆起。水平方向的变形主要表现为边墙向隧道净空　的收敛。　分别对距交叉断面不同距离的断面主洞拱顶竖向位移和左、右拱脚水平位移进行施工过程监测。图　５中０～ｌ８分别为监测断面距交叉口断面的距离　，单位为ｍ。主洞右侧为横洞开挖侧。　从图５（ａ）中可看出，施工步从１７～２２，主洞竖向位移趋于稳定，第２３施工步交叉口初支拆除，位移　突然增大，交叉口断面处（Ｌ＝０）增幅为１　ｍｉＤ＿。横洞第一次开挖位移增幅再次增大，交叉口断面处（Ｌ＝　第２期　孙志杰等：车行横洞施工对隧道主洞变形的影响　３５　不受横洞施工影响。从图５（ｃ）中可看出，在横洞第一次开挖前，左右拱脚水平位移的变化规律基本相同。　但之后右侧横洞开挖打破了右拱脚水平位移的稳定趋势，位移有减小趋势，且这种影响在距交叉１５　１５　ｍ　范围内比较明显。　对比图５（ａ）、（ｂ）、（Ｃ）可以看出，相比拱顶沉降和右侧拱脚，左拱脚水平位移受横洞施工的影响最　小。从图５（ｂ）中可看出，交叉口断面处（Ｌ＝０）横洞施工对主洞左拱脚水平位移影响最大，最大值发生　在交叉口主洞初支拆除时，大小为１２．３６　ｍｍ。　横洞开挖导致主洞围岩发生不对称变形，拱顶竖向位移和横洞开挖侧拱脚水平位移在主洞交叉口初　支拆除和横洞施工后打破原有稳定趋势，位移发生突变，到横洞开挖后期第二次趋于稳定，且拱顶竖向位　移为增大，拱脚水平位移为减小。另一侧拱脚受横洞开挖影响不大。　３．２试验结果　对主洞ＹＫ１３＋９５０，ＹＫ１３＋９３０断面的围岩拱顶下沉、拱脚收敛进行了现场量测，量测时段为２０１１　年８月４　Ｅｌ一２０１１年１０月７日，主洞拱顶下沉时程曲线如图６所示，２０１１年９月１９日开始开挖横洞。　从图６中可看出：车行横洞开挖前，监测断面拱顶受主洞掌子面施工影响产生沉降，初期沉降速率比　较大，到８月２７日以后，沉降趋于稳定。横洞开挖以后，沉降值由开始增加，并且距交叉口断面较近的　ＹＫ１３＋９５０断面沉降值增加幅度大于ＹＫ１３＋９３０断面。　ＹＫ１３＋９３０断面拱顶沉降受横洞开挖影响很小，该断面距交叉口断面１５　ｍ，这于数值模拟结果横洞　开挖影响范围１．５倍洞径一致。　边墙收敛时程曲线如图７所示。由图７可看出，主洞围岩的边墙部位在横洞施工前向隧道净空方向　的收敛，且初期速率较慢到９月１日以后逐渐趋于稳定，横洞开挖之后，交叉口处的受力结构发生变化，围　岩应力重新分布，边墙收敛也发生相应变化，横洞开挖初期，收敛增大，随着横洞掌子面距主洞距离的增　加，收敛值也趋于稳定。　日期　８—４　８一ｌｌ　８—１８　８．２５　９—１　９—８　９．１５　９．２２　９．２９　１０　６　Ｏ　ｇ一５　一１０　Ｌ‘．　一１５　制凰　２０　：　一　一—２５　１　图６主洞拱顶下沉时程曲线　图７主洞边墙收敛时程曲线　ＹＫ１３＋９５０处断面边墙收敛所受横洞开挖影响效果大于ＹＫ１３＋９３０处断面，这同拱顶下沉规律一　致。　４　结论　通过依托工程现场试验和对实体工程的有限元模型的施工过程模拟，综合分析了横洞施工对主洞围　岩变形产生的影响，得出以下结论：　（１）横洞施工对主洞的影响，在时间上主要表现在主洞交叉口初支拆除和横洞的第１个开挖步时，随　着横洞开挖深度的增加，主｝同结构的变形趋于稳定。　（２）横洞开挖导致主洞围岩发生不对称变形，拱顶竖向位移和横洞开挖侧拱脚水平位移在主洞交叉　口初支拆除和横洞施工后打破原有稳定趋势，位移发生突变，到横洞开挖后期第二次趋于稳定，且拱顶竖　向位移为增大，拱脚水平位移为减小。另一侧拱脚受横洞开挖影响不大。　（３）车行横洞开挖导致交叉口附近一定范围内的主洞产生变形和应力集中，其影响范围在交叉口两　侧约为１．５倍洞径。　３６　石家庄铁道大学学报（自然科学版）　第２５卷　参　考　文　献　［１］中华人民共和国行业标准编写组．ＪＴＧ　Ｄ７０－－２００４公路隧道设计规范［ｓ］．北京：人民交通出版社，．２００４．　［２］朱永全，冯卫星，陈豪雄．北京地铁西单车站２　施工横通道交叉点部位结构有限元分析［Ｊ］石家庄铁道学院学报，　１９９３，６（３）：３９４３．　［３］张志强，苏江川，姜元俊．马王槽主隧道与横通道交叉部施工受力特征数值模拟分析［Ｊ］公路交通科技，２００７，２４（１）　．１０９．１１３．　［４］史彦文，曹校勇，韩常领．大断面公路隧道主洞与车行横洞交叉口数值模拟分析［Ｊ］．中外公路２００９，２９（４）：４０５４０９．　［５］刘山洪，陈寅春，李刚．车行横洞与隧道主洞交叉段局部失稳数值分析［Ｊ］．重庆交通大学学报：自然科学版２０１１，３０　，，（２）：２１７—２２０．　［６］罗彦斌，陈建勋，王梦恕．隧道斜交横通道施工对主隧道衬砌结构的影响研究［Ｊ］．岩石力学与工程学报２０１０，２９（ｓ２）：　，３７９２－３７９８．　［７］马栋，黄立新．铁路长大隧道斜井与正洞交叉段软弱层状围岩开挖支护施工方法浅析［Ｊ］．世界隧道１９９９（３）：２３．２７．　，Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　Ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ　Ａｄｉｔ　Ｔｕｎｎｅｌ　Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｏｎ　Ｍａｉｎ　Ｔｕｎｎｅｌ　Ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｓｕｎ　Ｚｈｉｊｉｅ，Ｄｏｎｇ　Ｌｉｓｈａｎ　（Ｋｅｙ　Ｌａｂ　ｏｆ　Ｈｉｇｈｗａｙ　Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ＆Ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｉｎ　Ｌｏｅｓｓ　Ｒｅｇｉｏｎ．　Ｓｈａｎｘｉ　Ｐｒｏｖｉｎｃｉａｌ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，Ｔａｉｙｕａｎ　０３０００６，Ｃｈｉｎａ）　．Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ　ａｄｉｔ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ｔｕｎｎｅ１　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｔｈｅ　Ｚｈｏｎｇｔｉａ０ｓ．　ｈａｎ　ｈｉｇｈｗａｙ　ｔｕｎｎｅｌ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｏｆ　Ｙｕｎｃｈｅｎｇ—Ｌｉｎｇｈａｏ　ｈｉｇｈｗａｙ　ｉｓ　ｔａｋｅｎ　ａｓ　ａｎ　ｅｘａｍｐｌｅＴｈｅ　ｆｉｅｌｄ　ｔｅｓｔ　ａｎｄ　３　Ｄ　ｆｉ．　．ｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ａｒｅ　ａｄｏｐｔｅｄ　ｔｏ　ｓｔｕｄｙ　ｔｈｅ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｒｅｇｕｌａｒｉｔｙ　ｏｆ　ｍａｉｎ　ｔｕｎｎｅｌ　ｄｕｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ｈｏｒｉｚｏｎｔａ１　ａｄｉｔ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｓｔａｇｅ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ａｒｅ　ｓｈｏｗｎ　ａｓ　ｆｏｌｌｏｗ：Ｔｈｅ　ｓｉｇｎｉｉｃａｎｔ　ｅｆｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｈｏｒｉｚｏｎｔａ１　ａｄｉｔ　ｔｕｎｎｅｌ　ｃ０ｎ．　ｓｔｕｃｔｉｒｏｎ　ｏｎ　ｍａｉｎ　ｔｕｎｎｅｌ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｍａｉｎｌｙ　ｏｃｃｕｒｓ　ｗｈｅｎ　ｄｅｍｏｌｉｓｈｉｎｇ　ｉｎｉｔｉａｌ　ｓｕｐｐｏｒｔ　ｉｎ　ｉｎｔｅｒｓｅｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｄｕｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ｆｉｒｓｔ　ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ　ｓｔｅｐ．Ｔｈｅ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｍａｉｎ　ｔｕｎｎｅｌ　ｉｓ　ｓｔａｂｌｅ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｉｎｃｒｅａｓｅ　ｏｆ　ｅｘｅａｖａｔｉｏｎ　ｄｅＤｔｈ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ　ａｄｉｔ．Ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ　ａｄｉｔ　ｔｕｎｎｅｌ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｏｎ　ｍａｉｎ　ｔｕｎｎｅｌ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｉｓ　ｍａｉｎ１ｖ　ｔｈｅ　ｉｎｃＩ℃ａｓ．　ｉｎｇ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｖａｕｌｔ　ｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ｔｕｎｎｅｌ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｄｅｃｒｅａｓｉｎｇ　ｏｆ　ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ　ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ａｒｃｈ　ｓｐｒｉｎｇｉｎｇ　ｉｎ　ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ　ｓｉｄｅ．Ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔ　Ｏｉｌ　ｔｈｅ　ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ　ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ａｒｃｈ　ｓｐｒｉｎｇｉｎｇ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｏｔｈｅｒ　ｓｉｄｅ　ｉｓ　ｓｍａｌ１．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ　ａｄｉｔ；ｆｉｅｌｄ　ｔｅｓｔ；３　Ｄ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ：ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　（责任编辑刘宪福）