黄土浅埋隧道横通道开挖对隧道衬砌影响的分析

李晓娟

中铁第一勘察设计研究院兰州院（730000）

黄土浅埋隧道横通道开挖对隧道衬砌影响的分析

李晓娟

中铁第一勘察设计研究院兰州院（730000）

以华林坪隧道为例，采用三维数值模拟计算，对黄土隧道设置横通道进行研究分析，为实际工程中横通道设置提供设计依据，并为类似工程建设提供借鉴。

黄土隧道；横通道；交叉结构；高斯应力；数值模拟

0 引言

黄土隧道与一般隧道相比，黄土强度低，公路隧道跨度大，地质条件复杂，正洞开挖后隧道各点位移变形大。隧道加设横通道，将进一步加剧隧道变形及衬砌应力集中等现象。随着我国工程建设快速发展，黄土隧道修建主隧道与横通道交叉结构的情况越来越多，所以，掌握黄土隧道交叉部结构变形、受力特点显得十分重要。

1 工程概况

华林坪隧道为上下行分离的双管暗挖隧道，左线起迄里程NzK13+025～NzK13+752,全长727m;右线起迄里程NyK13+053～NyK13+770，全长729m。

该隧道Nzk13+350里程下穿一座6层框架楼。隧道左线掘进至NzK13+310处，为保证框架楼不发生较大的位移沉降，需对该楼进行加固处理。框架楼加固处理，影响正常施工进度。在NzK13+312处设置横通道，对右线掘进，缩短施工工期。平面设计如图1所示。

图1 施工横通道平面图

该段华林坪隧道左右线净距为25m,埋深约为18m。其地层结构较为简单，主要为填土、粉土等，地层岩性分述如下:

素填土（Q4ml）:褐黄色，粉土为主，夹碎石、角砾等，局部夹生活垃圾，人工堆填而成。局部表层为沥青路面，厚度2m左右，稍密，稍湿。

黄土状粉土（Q3al＋pl）:褐黄色～黄褐色，粉粒为主，土质较纯，具孔隙，含白色盐质斑点及钙质条纹，局部夹薄层砂，含个别角砾，厚度1～27.0m，稍密～中密，稍湿～湿。

2 数值模拟及计算分析

1）计算模型

计算采用三维有限元弹塑性分析，二衬单元采用实体单元模拟，初衬单元采用壳单元模拟。模型考虑了地表荷载和地下洞室上覆岩层及结构荷载。地应力场按初始应力场考虑，边界条件按位移边界考虑，即两侧面及底面均法向约束。锚杆与注浆加固洞周围岩，隧道加固范围2.5m，计算中考虑加固后围岩岩性略有提高。计算时周围土体采用Drucker-Prager材料模型，应用FullNewton-Raphson迭代算法。计算模型范围为100×36m,两隧道中线间距25m,纵向长度取80m,两侧土体均为3倍的洞径范围，共得到14032个单元，计算中通过杀死和激活单元模拟开挖过程,其有限元模型如图2所示。

图2 三维有限元模型

2）结构和材料参数

计算时围岩和衬砌结构的物理力学指标根据地质资料加以选取。左右线隧道衬砌厚度为55cm。具体参数如表1所示。

表1 物理力学参数

3）计算结果整理及分析

东北航线设定为摩尔曼斯克—白令海峡—宁波，北极—苏伊士航线设定为摩尔曼斯克—苏伊士运河—马六甲海峡—宁波。

隧道开挖工序直接影响施工中地应力的变化与地层位移变化规律，现通过三维仿真模拟横通道开挖过程，以期找到横通道开挖对隧道二衬位移和内力变化规律。本次计算主要考虑横洞施工对主洞结构的影响，因此左、右主洞一次性开挖并施作支护，车行横洞每次开挖1.0m并施作支护，最后一次开挖1.5m，共分12步施工。

具体施工步骤为:形成自重地应力场→开挖左、右主洞→左、右主洞施作初期支护→左、右主洞施作二衬→开挖横洞第1步→横洞施作初期支护第1步→横洞施作二衬第1步……→开挖横洞第12步→车行横洞施作初期支护第12步→车行横洞施作二衬第12步。

4）主隧道与横通道交叉段变形分析

图3 隧道开挖完成后土体Z竖向位移等值线图

横通道开挖完毕后，隧道主洞二衬结构的变形量见表2。

表2 隧道主洞二衬结构的变形量

由表2可知，随着横洞的开挖，二衬拱顶、仰拱和内拱腰位置产生较大的变形，而二衬外侧位置的变形较小，说明车行横洞的施工对二衬的外侧影响较小。

横洞开始施工时,主洞各点位移变化较大。随横洞开挖断面距主洞距离变大，各点位移变形逐步增大，但变化速率逐步减小，有稳定趋势。横通道开挖完毕时，隧道二衬拱顶的位移量达18.2mm，二衬仰拱变形值已达23.1mm，仰拱位移量大于二衬其他位置的变形量。如果隧道正常开挖，隧道拱顶、仰拱最大位移分别为8.5mm和10.5mm，但随着横通道的开挖，隧道各点位移都增大，拱顶及仰拱位移变化最大。

综上所述,由于横通道开挖，破坏了隧道的拱环效应，隧道各点位移增加较大。其中，隧道二衬拱顶和仰拱的累积变形量较大。相比其他隧道，黄土隧道仰拱位移量最大。在设计时，可考虑设置横向支撑，特别是围岩较差段落，可将主洞钢架支撑于横向钢支撑。施工时应逐步开挖，加强监控量测，确保安全。

5）交叉部隧道二衬结构内力分析

因二衬采用实体单元模拟，MidasGTS中不能直接读取内力，采用三维有限元计算得到结构自重与围岩压力分别作用下各节点的位移、衬砌各单元高斯点上的应力。

根据衬砌各单元的高斯点应力，参照潘昌实的文献《隧道力学数值方法》，算出各高斯点所在截面上的法向应力，求得隧道各截面上的弯矩和轴力后，再进一步对隧道结构安全系数及配筋验算。

图4 右线二衬第一主应力等值线分布图

图5 右线二衬第三主应力等值线分布图

由图4和5可知，车行横洞开挖后，受拉区主要分布在主洞二衬的边墙和仰拱位置。该区域的结构最大拉应力已达到混凝土抗拉强度，且随着车行横洞开挖距离的增大而增大，而以拱顶、仰拱部位为最大，外拱腰次之，内拱腰变化量最小。

综上所述，横洞施工时，隧道主洞二衬拱顶和仰拱的累积最大主应力变化量最大，而且仰拱最大主应力变化没有趋于稳定的趋势，故在主洞拱顶、仰拱和外拱腰位置二衬易在应力过大的情况下发生裂缝破坏。

3 结论

黄土隧道设置横通道，除具其他隧道的一些特点外，还具有黄土隧道的特点。

1）横通道施工对主隧道变形的影响

横通道施工导致主隧道与横通道交叉部呈现出以下变形特征:隧道各点位移变形较大，并随开挖步骤的进行逐步加大，局部变形显著。交叉部主隧道两侧拱腰则表现外扩变形特征。比较来看，交叉部拱腰水平方向变形,明显低于相对交叉部另一侧拱腰，这是由于交叉部一侧拱腰较相对的另一侧拱腰，刚度降低更多更弱的缘故。

2）横通道施工对主隧道结构内力的影响

横通道与主隧道交叉破坏了主隧道拱形支撑作用,故不再起拱的作用，衬砌刚度降低,结构受力已不再是单一轴向受力，而出现部分弯曲受力的复杂受力状况。其中在拱顶，由横纵向正弯矩(内拉外压)以及横截面“整体受拉力”组成拱顶最不利受力情况。

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