冯宇 唐世强 胡俊
中交三公局第二工程有限公司 重庆交通大学土木工程学院
摘 要：基于国道G109线那曲至拉萨段控制性工程中的羊八井2号隧道工程实例，运用有限元分析方法对上跨联络风道的全断面法及上下台阶法开挖过程进行数值模拟，分析在上跨联络道开挖过程中隧道围岩及下方主隧道支护体系变形和应力的响应规律，并对比分析了两种开挖方式对主隧道的影响。结果表明：在上跨联络风道开挖过程中，特别是靠近上下两隧道交叉的部分，对主隧道变形和受力影响较大；采用上下台阶法时比采用全断面法开挖时变形可减少32%,主隧道拱顶处拉应力可减少35%,主隧道拱脚处压应力可减少72%,同时采用上下台阶法施工时也可缩小对主隧道的影响范围；上下台阶法更能保证工程的安全，避免对下方主隧道产生过大的扰动。
关键词：交叉隧道;上跨联络风道;开挖方式;数值模拟;
在特长隧道设计时，为满足工期、隧道通风等需求，需设置施工斜井或通风斜井，用于加快隧道施工进度，同时满足隧道运营时通风需求[1]。随着城市地下交通的大量建设，出现了更多的交叉隧道工程，相关数值模拟分析也越来越多。龚建伍等[2]基于某三车道超近接公路隧道，建立三维有限元模型研究了隧道施工过程的时空力学特性，数值分析结果表明隧道开挖过程中近接隧道施工工作面的距离可取1.5倍左右隧道开挖跨度。孟栋等[3]通过建立不同交叉角度、净距和围岩条件的试验工况，对交叉段新建隧道施工爆破地震波引起的既有隧道衬砌的峰值速度进行分析，探讨了不同因素作用下立体交叉隧道施工爆破的动力响应。罗志翔等[4]结合重庆市照母山隧道工程，根据施工现场爆破监测数据和数值模拟结果对新建隧道爆破施工时临近及相交隧道的稳定性和安全性进行研究，探讨隧道间距对邻近及相交隧道衬砌结构振动的影响。刘新荣等[5]以重庆两江隧道交错近接段为依托工程，建立交错近接隧道相应的数值模型，研究了新建隧道开挖过程中，既有隧道的存在及交错间距变化对新建近接隧道围岩形变量的影响。
本文结合国道G109线那曲至拉萨段控制性工程中的羊八井2号隧道斜井送排风联络道上跨主洞施工工艺，针对两个隧道上下交叉施工中存在的问题，采用数值模拟方法，针对上跨联络风道的施工对主隧道的影响进行了分析，研究了不同开挖方式对下方主隧道的影响，得出工程适用的开挖方式。
1 工程概况
1.1地理位置及交通概况
羊八井2号隧道地表井口位于山坡坡脚及109国道之间，隧道长约6 275 m, 属特长隧道。隧道为双洞四车道断面，其中1号斜井转主洞埋深390 m, 最大埋深730 m。隧址区两端洞口附近有G109、青藏铁路等交通干道通过，通行条件良好；但隧址区属于高山剥蚀工程地质区(Ⅱ),为块状结构侵入岩类工程地质亚区(Ⅱ4),地形起伏较大。隧址区路线区海拔高达4 300 m, 气候分界较为明显，属于高原寒温带半干旱季风气候区。
1.2上跨联络风道施工技术
根据斜井风机房运输通道断面尺寸、交叉及纵坡坡度等情况，具体施工技术：首先风机房的开挖支护施工，为转入羊八井2号隧道主洞、风机房各运输通道施工提供供电、设备保障；然后按照右线排风联络道、左线送风联络道、左线排风联络道的施工顺序施工上述通道。 羊八井2号隧道1号斜井总体平面布置如图1所示。
在通风斜井设计时，为满足主线左右洞的送排风需求，其中一个洞的送排风道需上跨另一个主洞，其中联络风道为送排风口和斜井的联络通道，上跨联络风道段落将产生较大的纵坡，上跨位置竖向净距为6～8 m。本文选取羊八井2号隧道1号斜井中的联络通道进行研究分析，斜井剖面图如图2所示。
图1 羊八井2号隧道1号斜井总体平面布置示意 下载原图
图2 羊八井2号隧道1号斜井交叉部位剖面 下载原图
上跨联络风道开挖采用光面爆破，分上、下两个台阶。上台阶高度6.85 m, 下台阶高度2 m。上下台阶高度示意如图3所示。上方联络通道总体工艺流程：超前支护→上台阶爆破→上台阶初支→下台阶爆破→下台阶初支(以上阶段循环进行)→仰拱施工→二衬施工。
图3 上下台阶高度示意 下载原图
2 上跨联络风道开挖有限元模拟分析
2.1基本模型的建立
本文采用有限元数值计算软件对隧道进行建模，模拟的岩体、土体均采用摩尔-库伦破坏准则，通过建立相应的三维隧道模型，总结出交叉隧道的一些特点和规律。
(1)模型尺寸。
理论研究表明，在隧道开挖中，由于围岩荷载释放引起的应力与位移变化，在5倍洞径之外的影响小于1%,在3倍洞径之外的影响小于5%,实际左、右边界通常取模型跨度的3～5倍，上、下边界通长取模型高度的3～5倍[6]。根据羊八井2号隧道斜井交叉口处的实际情况，右线主隧道宽12 m, 高9 m, 上跨联络风道宽5.8 m, 高7 m, 本模型x轴方向长84 m, 与上跨联络风道平行，y轴方向长66 m, 与主隧道右线平行，z轴方向高72 m, 据此隧道有限元模型如图4所示。
图4 有限元模型 下载原图
(2)模型边界条件。
本研究的羊八井2号隧道交叉口处属于深埋隧道，本模型已考虑其埋深，不用另行考虑上部覆盖岩土的自重。上边界为自由表面，左右边界及下边界约束各自法向的位移，即相应节点的位移均设置为零[7]。
(3)单元类型。
本模型两隧道上下交叉，结构复杂，采用有限元软件的网格混合模拟。围岩采用实体单元模拟，初期支护采用壳单元模拟，在开挖的核心土上进行析取。
因交叉段附近应力较复杂，模型中交叉段附近网格进行了加密处理，最终网格节点总数为185 024。
(4)材料参数。
结合现场地勘资料，羊八井隧道上跨联络风道交叉处的围岩为Ⅳ级，围岩参数主要参考地勘资料给出的物理力学参数；隧道支护结构的参数结合隧道设计图，按相关规范给出的值选取。
2.2开挖和支护过程的模拟
在施工顺序上，采用与实际工程相符的顺序，即先进行右线主隧道的开挖，然后进行主隧道的支护，再进行上部联络风道的开挖，最后进行上部联络风道的支护。在ANSYS中，可以用杀死和激活单元来模拟材料的消去和添加，即利用单元的这种生死功能简单有效地模拟隧道的开挖和支护过程。隧道开挖时可直接选择将被开挖掉的单元杀死，即可实现开挖的模拟；施作支护时，首先将相应支护部分在开挖时被杀死的单元激活，然后改变其材料性质。因此使用单元的生死功能来模拟隧道的开挖和支护，比单纯使用“空单元”模拟开挖和改变材料号来模拟支护更为准确，结果更为可靠[8]。
2.3计算断面选取
根据上跨联络风道开挖过程，选取4个断面：右上跨联络风道开挖4 m断面，右上跨联络风道开挖至1/2断面，右上跨开挖完断面，上跨联络风道全部开挖完成断面。各断面如图5所示。
2.4上跨联络风道施工计算结果分析
2.4.1主隧道初期支护变形分析
图6为上跨联络风道采用全断面法施工时各计算断面主隧道初期支护变形，图7为上跨联络风道采用上下台阶法施工时各计算断面主隧道初期支护变形。
(1)上跨联络风道的开挖对围岩的扰动也会引起下方主隧道的初期支护变形，在上跨联络风道开挖过程中，主隧道的变形也跟随开挖部位向两隧道交叉部位变化。因此，在上跨联络风道开挖过程中需要加强下方主隧道交叉部位的变形监测，防止出现较大变形。
图5 隧道断面选取 下载原图
图6 全断面法主隧道初期支护位移 下载原图
图7 上下台阶法主隧道初期支护位移 下载原图
(2)从施工方法方面，虽然由全断面和上下台阶法开挖引起的沉降值在几个开挖区间变化都是向交叉部位集中，但采用全断面法开挖时初期支护最大变形值为0.565 3 mm, 采用上下台阶法开挖时初期支护最大变形值为0.382 51 mm, 采用上下台阶法可减少32%的变形，这是由于上下台阶法施工过程中分步开挖对下方主隧道初期支护变形起到较好的抑制作用。
(3)在开挖至右上跨1/2断面时，上下台阶法所产生的变形远小于全断面法开挖所产生的变形，说明的上下台阶法开挖对主隧道初期支护变形影响范围更小。因此，在上跨联络风道施工时采用上下台阶法施工较为合适，且变形易于控制。
2.4.2主隧道初期支护受力分析
图8为上跨联络风道采用全断面法施工时各计算断面主隧道初期支护应力云图。图9为上跨联络风道采用上下台阶法施工时各计算断面主隧道初期支护应力云图。
图8 全断面法主隧道支护应力云图 下载原图
(1)主隧道在上部联络风道开挖过程中等效应力不断地增大，且集中在与上跨联络风道交叉的部位的拱顶位置。对于上跨联络风道开挖完成之后主隧道初期支护的受力情况，不同于主隧道单独开挖后的情况，由于上跨联络风道的存在，主隧道拱顶处受到向上的拉应力，且集中在上跨联络道与主隧道交叉部位。在隧道施工过程中，要特别注意主隧道与上跨联络风道交叉口处应力及变形的变化，保证施工安全。
(2)从施工方法上来看，采用全断面法全部开挖完成时在主隧道拱顶产生的最大拉应力为0.463 37 MPa, 在主隧道拱脚处产生的最大压应力-0.103 8 MPa; 而采用上下台阶法全部开挖完成时在主隧道拱顶产生最大拉应力0.269 05 MPa, 在主隧道拱脚处产生最大压应力-0.028 261 MPa。可见上跨联络风道采用上下台阶法施工时有显著的效果，产生拉应力可减少35%,压应力可减少72%,这是由于上台阶开挖时增大了两个隧道之间的竖向净距，下台阶开挖时利用上台阶开挖后的临空面，减小对主洞的扰动，故对于上跨联络风道开挖采用上下台阶法较为合适。
图9 上下台阶法主隧道支护应力云图 下载原图
3 结语
针对上述两个隧道上下交叉、上跨联络风道施工中存在的问题以及交叉口处应力集中、上跨联络风道坡度较大等特有问题，为了保证施工过程安全状态，从上跨联络风道全断面法及上下台阶法施工对主隧道初期支护影响进行对比，得出以下结论。
(1)对上跨联络风道开挖过程的模拟结果表明，下部主隧道的受力及变形会受上部联络风道施工的影响，尤其是上部联络风道与下部右线主隧道交叉的部位，变形及受力比较明显，施工过程中应该加以考虑。
(2)对比分析采用全断面开挖与上下台阶法开挖两种施工方法下右线主隧道初期支护的位移及受力情况，相关结果表明，采用上下台阶法时变形可减少32%,主隧道拱顶处拉应力可减少35%,主隧道拱脚处压应力可减少72%。因此，上跨联络风道采用上下台阶法开挖较为合适，便于施工过程中及时
参考文献
[1] 李玉峰，彭立敏，雷明锋.交叉隧道工程设计施工技术研究进展[J].铁道科学与工程学报，2014,11(1):67-73.
[2] 龚建伍，齐培林.三车道超近接隧道开挖时空力学特性研究[J].公路，2016,(8):217-221.
[3] 孟栋，刘强，彭立敏，等.铁路立交隧道施工爆破振动响应研究[J].合肥工业大学学报：自然科学版，2015,(3):363-368.
[4] 罗志翔，张敏超，钟祖良.空间交叉隧道爆破施工对邻近隧道结构影响研究[J].地下空间与工程学报，2018,(S1):205-213.
[5] 刘新荣，王吉明，李栋梁，等.交错近接新建隧道围岩变形三维模型试验研究[J].现代隧道技术，2017,54(5):171-179.
[6] 陈培煌.上下交叠隧道近接施工力学特性的监控量测与数值模拟分析[J].铁道建筑技术，2019,(2):97-101.
[7] 叶建忠，涂美吉，邱凡.地铁小净距叠交隧道近接施工影响的数值模拟分析[J].城市轨道交通研究，2016,19(12):27-31,35.
[8] 程邦富，程林.某软弱围岩公路隧道开挖工法数值模拟与监测数据对比分析[J].安徽建筑大学学报，2020,28(1):7-13.