馮宇 唐世強 胡俊
中交三公局第二工程有限公司 重慶交通大學土木工程學院
摘 要：基于國道G109線那曲至拉薩段控制性工程中的羊八井2号隧道工程執行個體，運用有限元分析方法對上跨聯絡風道的全斷面法及上下台階法開挖過程進行數值模拟，分析在上跨聯絡道開挖過程中隧道圍岩及下方主隧道支護體系變形和應力的響應規律，并對比分析了兩種開挖方式對主隧道的影響。結果表明：在上跨聯絡風道開挖過程中，特别是靠近上下兩隧道交叉的部分，對主隧道變形和受力影響較大；采用上下台階法時比采用全斷面法開挖時變形可減少32%,主隧道拱頂處拉應力可減少35%,主隧道拱腳處壓應力可減少72%,同時采用上下台階法施工時也可縮小對主隧道的影響範圍；上下台階法更能保證工程的安全，避免對下方主隧道産生過大的擾動。
關鍵詞：交叉隧道;上跨聯絡風道;開挖方式;數值模拟;
在特長隧道設計時，為滿足工期、隧道通風等需求，需設定施工斜井或通風斜井，用于加快隧道施工進度，同時滿足隧道營運時通風需求[1]。随着城市地下交通的大量建設，出現了更多的交叉隧道工程，相關數值模拟分析也越來越多。龔建伍等[2]基于某三車道超近接公路隧道，建立三維有限元模型研究了隧道施工過程的時空力學特性，數值分析結果表明隧道開挖過程中近接隧道施工工作面的距離可取1.5倍左右隧道開挖跨度。孟棟等[3]通過建立不同交叉角度、淨距和圍岩條件的試驗工況，對交叉段建立隧道施工爆破地震波引起的既有隧道襯砌的峰值速度進行分析，探讨了不同因素作用下立體交叉隧道施工爆破的動力響應。羅志翔等[4]結合重慶市照母山隧道工程，根據施工現場爆破監測資料和數值模拟結果對建立隧道爆破施工時臨近及相交隧道的穩定性和安全性進行研究，探讨隧道間距對鄰近及相交隧道襯砌結構振動的影響。劉新榮等[5]以重慶兩江隧道交錯近接段為依托工程，建立交錯近接隧道相應的數值模型，研究了建立隧道開挖過程中，既有隧道的存在及交錯間距變化對建立近接隧道圍岩形變量的影響。
本文結合國道G109線那曲至拉薩段控制性工程中的羊八井2号隧道斜井送排風聯絡道上跨主洞施工工藝，針對兩個隧道上下交叉施工中存在的問題，采用數值模拟方法，針對上跨聯絡風道的施工對主隧道的影響進行了分析，研究了不同開挖方式對下方主隧道的影響，得出工程适用的開挖方式。
1 工程概況
1.1地理位置及交通概況
羊八井2号隧道地表井口位于山坡坡腳及109國道之間，隧道長約6 275 m, 屬特長隧道。隧道為雙洞四車道斷面，其中1号斜井轉主洞埋深390 m, 最大埋深730 m。隧址區兩端洞口附近有G109、青藏鐵路等交通幹道通過，通行條件良好；但隧址區屬于高山剝蝕工程地質區(Ⅱ),為塊狀結構侵入岩類工程地質亞區(Ⅱ4),地形起伏較大。隧址區路線區海拔高達4 300 m, 氣候分界較為明顯，屬于高原寒溫帶半幹旱季風氣候區。
1.2上跨聯絡風道施工技術
根據斜井風機房運輸通道斷面尺寸、交叉及縱坡坡度等情況，具體施工技術：首先風機房的開挖支護施工，為轉入羊八井2号隧道主洞、風機房各運輸通道施工提供供電、裝置保障；然後按照右線排風聯絡道、左線送風聯絡道、左線排風聯絡道的施工順序施工上述通道。 羊八井2号隧道1号斜井總體平面布置如圖1所示。
在通風斜井設計時，為滿足主線左右洞的送排風需求，其中一個洞的送排風道需上跨另一個主洞，其中聯絡風道為送排風口和斜井的聯絡通道，上跨聯絡風道段落将産生較大的縱坡，上跨位置豎向淨距為6～8 m。本文選取羊八井2号隧道1号斜井中的聯絡通道進行研究分析，斜井剖面圖如圖2所示。
圖1 羊八井2号隧道1号斜井總體平面布置示意 下載下傳原圖
圖2 羊八井2号隧道1号斜井交叉部位剖面 下載下傳原圖
上跨聯絡風道開挖采用光面爆破，分上、下兩個台階。上台階高度6.85 m, 下台階高度2 m。上下台階高度示意如圖3所示。上方聯絡通道總體工藝流程：超前支護→上台階爆破→上台階初支→下台階爆破→下台階初支(以上階段循環進行)→仰拱施工→二襯施工。
圖3 上下台階高度示意 下載下傳原圖
2 上跨聯絡風道開挖有限元模拟分析
2.1基本模型的建立
本文采用有限元數值計算軟體對隧道進行模組化，模拟的岩體、土體均采用摩爾-庫倫破壞準則，通過建立相應的三維隧道模型，總結出交叉隧道的一些特點和規律。
(1)模型尺寸。
理論研究表明，在隧道開挖中，由于圍岩荷載釋放引起的應力與位移變化，在5倍洞徑之外的影響小于1%,在3倍洞徑之外的影響小于5%,實際左、右邊界通常取模型跨度的3～5倍，上、下邊界通長取模型高度的3～5倍[6]。根據羊八井2号隧道斜井交叉口處的實際情況，右線主隧道寬12 m, 高9 m, 上跨聯絡風道寬5.8 m, 高7 m, 本模型x軸方向長84 m, 與上跨聯絡風道平行，y軸方向長66 m, 與主隧道右線平行，z軸方向高72 m, 據此隧道有限元模型如圖4所示。
圖4 有限元模型 下載下傳原圖
(2)模型邊界條件。
本研究的羊八井2号隧道交叉口處屬于深埋隧道，本模型已考慮其埋深，不用另行考慮上部覆寫岩土的自重。上邊界為自由表面，左右邊界及下邊界限制各自法向的位移，即相應節點的位移均設定為零[7]。
(3)單元類型。
本模型兩隧道上下交叉，結構複雜，采用有限元軟體的網格混合模拟。圍岩采用實體單元模拟，初期支護采用殼單元模拟，在開挖的核心土上進行析取。
因交叉段附近應力較複雜，模型中交叉段附近網格進行了加密處理，最終網格節點總數為185 024。
(4)材料參數。
結合現場地勘資料，羊八井隧道上跨聯絡風道交叉處的圍岩為Ⅳ級，圍岩參數主要參考地勘資料給出的實體力學參數；隧道支護結構的參數結合隧道設計圖，按相關規範給出的值選取。
2.2開挖和支護過程的模拟
在施工順序上，采用與實際工程相符的順序，即先進行右線主隧道的開挖，然後進行主隧道的支護，再進行上部聯絡風道的開挖，最後進行上部聯絡風道的支護。在ANSYS中，可以用殺死和激活單元來模拟材料的消去和添加，即利用單元的這種生死功能簡單有效地模拟隧道的開挖和支護過程。隧道開挖時可直接選擇将被開挖掉的單元殺死，即可實作開挖的模拟；施作支護時，首先将相應支護部分在開挖時被殺死的單元激活，然後改變其材料性質。是以使用單元的生死功能來模拟隧道的開挖和支護，比單純使用“空單元”模拟開挖和改變材料号來模拟支護更為準确，結果更為可靠[8]。
2.3計算斷面選取
根據上跨聯絡風道開挖過程，選取4個斷面：右上跨聯絡風道開挖4 m斷面，右上跨聯絡風道開挖至1/2斷面，右上跨開挖完斷面，上跨聯絡風道全部開挖完成斷面。各斷面如圖5所示。
2.4上跨聯絡風道施工計算結果分析
2.4.1主隧道初期支護變形分析
圖6為上跨聯絡風道采用全斷面法施工時各計算斷面主隧道初期支護變形，圖7為上跨聯絡風道采用上下台階法施工時各計算斷面主隧道初期支護變形。
(1)上跨聯絡風道的開挖對圍岩的擾動也會引起下方主隧道的初期支護變形，在上跨聯絡風道開挖過程中，主隧道的變形也跟随開挖部位向兩隧道交叉部位變化。是以，在上跨聯絡風道開挖過程中需要加強下方主隧道交叉部位的變形監測，防止出現較大變形。
圖5 隧道斷面選取 下載下傳原圖
圖6 全斷面法主隧道初期支護位移 下載下傳原圖
圖7 上下台階法主隧道初期支護位移 下載下傳原圖
(2)從施工方法方面，雖然由全斷面和上下台階法開挖引起的沉降值在幾個開挖區間變化都是向交叉部位集中，但采用全斷面法開挖時初期支護最大變形值為0.565 3 mm, 采用上下台階法開挖時初期支護最大變形值為0.382 51 mm, 采用上下台階法可減少32%的變形，這是由于上下台階法施工過程中分步開挖對下方主隧道初期支護變形起到較好的抑制作用。
(3)在開挖至右上跨1/2斷面時，上下台階法所産生的變形遠小于全斷面法開挖所産生的變形，說明的上下台階法開挖對主隧道初期支護變形影響範圍更小。是以，在上跨聯絡風道施工時采用上下台階法施工較為合适，且變形易于控制。
2.4.2主隧道初期支護受力分析
圖8為上跨聯絡風道采用全斷面法施工時各計算斷面主隧道初期支護應力雲圖。圖9為上跨聯絡風道采用上下台階法施工時各計算斷面主隧道初期支護應力雲圖。
圖8 全斷面法主隧道支護應力雲圖 下載下傳原圖
(1)主隧道在上部聯絡風道開挖過程中等效應力不斷地增大，且集中在與上跨聯絡風道交叉的部位的拱頂位置。對于上跨聯絡風道開挖完成之後主隧道初期支護的受力情況，不同于主隧道單獨開挖後的情況，由于上跨聯絡風道的存在，主隧道拱頂處受到向上的拉應力，且集中在上跨聯絡道與主隧道交叉部位。在隧道施工過程中，要特别注意主隧道與上跨聯絡風道交叉口處應力及變形的變化，保證施工安全。
(2)從施工方法上來看，采用全斷面法全部開挖完成時在主隧道拱頂産生的最大拉應力為0.463 37 MPa, 在主隧道拱腳處産生的最大壓應力-0.103 8 MPa; 而采用上下台階法全部開挖完成時在主隧道拱頂産生最大拉應力0.269 05 MPa, 在主隧道拱腳處産生最大壓應力-0.028 261 MPa。可見上跨聯絡風道采用上下台階法施工時有顯著的效果，産生拉應力可減少35%,壓應力可減少72%,這是由于上台階開挖時增大了兩個隧道之間的豎向淨距，下台階開挖時利用上台階開挖後的臨空面，減小對主洞的擾動，故對于上跨聯絡風道開挖采用上下台階法較為合适。
圖9 上下台階法主隧道支護應力雲圖 下載下傳原圖
3 結語
針對上述兩個隧道上下交叉、上跨聯絡風道施工中存在的問題以及交叉口處應力集中、上跨聯絡風道坡度較大等特有問題，為了保證施工過程安全狀态，從上跨聯絡風道全斷面法及上下台階法施工對主隧道初期支護影響進行對比，得出以下結論。
(1)對上跨聯絡風道開挖過程的模拟結果表明，下部主隧道的受力及變形會受上部聯絡風道施工的影響，尤其是上部聯絡風道與下部右線主隧道交叉的部位，變形及受力比較明顯，施工過程中應該加以考慮。
(2)對比分析采用全斷面開挖與上下台階法開挖兩種施工方法下右線主隧道初期支護的位移及受力情況，相關結果表明，采用上下台階法時變形可減少32%,主隧道拱頂處拉應力可減少35%,主隧道拱腳處壓應力可減少72%。是以，上跨聯絡風道采用上下台階法開挖較為合适，便于施工過程中及時
參考文獻
[1] 李玉峰，彭立敏，雷明鋒.交叉隧道工程設計施工技術研究進展[J].鐵道科學與工程學報，2014,11(1):67-73.
[2] 龔建伍，齊培林.三車道超近接隧道開挖時空力學特性研究[J].公路，2016,(8):217-221.
[3] 孟棟，劉強，彭立敏，等.鐵路立交隧道施工爆破振動響應研究[J].合肥工業大學學報：自然科學版，2015,(3):363-368.
[4] 羅志翔，張敏超，鐘祖良.空間交叉隧道爆破施工對鄰近隧道結構影響研究[J].地下空間與工程學報，2018,(S1):205-213.
[5] 劉新榮，王吉明，李棟梁，等.交錯近接建立隧道圍岩變形三維模型試驗研究[J].現代隧道技術，2017,54(5):171-179.
[6] 陳培煌.上下交疊隧道近接施工力學特性的監控量測與數值模拟分析[J].鐵道建築技術，2019,(2):97-101.
[7] 葉建忠，塗美吉，邱凡.地鐵小淨距疊交隧道近接施工影響的數值模拟分析[J].城市軌道交通研究，2016,19(12):27-31,35.
[8] 程邦富，程林.某軟弱圍岩公路隧道開挖工法數值模拟與監測資料對比分析[J].安徽建築大學學報，2020,28(1):7-13.