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特大斷面隧道平交段穩(wěn)定性分析及安全控制

文檔作者：王建黃鵬朱明明文檔來源：中國水電顧問集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年03月24日
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公路交通技術(shù)201 1年6月 第3期Technology of Highway and Transport Jun．201 1 No．3
特大斷面隧道平交段穩(wěn)定性分析及安全控制
王建，黃鵬，朱明明
(中國水電顧問集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，成都610072)
摘要：平面交叉段隧道結(jié)構(gòu)由于支隧道的存在，使得平交段結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，圍巖應(yīng)力集中程度高等，給施工增加了
很大難度。為了解特大斷面平交段隧道的穩(wěn)定情況以及施工中安全控制事項(xiàng)，以四川省某水電站場(chǎng)內(nèi)交通工程的
一處特大斷面隧道平交段進(jìn)行建模數(shù)值分析。結(jié)果表明，隧道平交口的施工是整個(gè)隧道施工過程中的關(guān)鍵；支隧道
開挖后對(duì)主隧道圍巖的影響主要在以平交口為中心的銳角側(cè)20 m及鈍角側(cè)12 m范圍內(nèi)；支隧道開挖后，平交段圍
巖和支護(hù)銳角側(cè)受支隧道開挖影響更為明顯；支隧道施工前后，都需加強(qiáng)對(duì)平交部的支護(hù)措施，以確保該部位的安
全。研究結(jié)論對(duì)公路隧道設(shè)計(jì)、施工支隧道，有一定的參考意義。
關(guān)鍵詞：主隧道；平面交叉；拱形支撐；應(yīng)力集中
文章編號(hào)：1009—6477(2011)03—0114—06 中圖分類號(hào)：U459．2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
Analysis of Stability and Safety Control of Level Crossing Sections of
Extra．-large Cross—．section Tunnels Super
W ANG Jian，HUANG Peng，ZHU Mingming
Abstract：The existence of branch tunnels in structure of tunnels with level crossing sections brings
complicated forces on structure of level crossing sections and high intensity of wall rock stress to increase
great difficulties for construction．In order to understand stability of extra—large cross-section tunnels with
level crossing sections and safety control issues in construction，this paper carries out numerical analysis for
one extra-large level crossing section in traffic project inside some hydropower station in Sichuan Province
by establishing models．Th e result shows that the construction of level intersections of tunnels are critical in
the whole construction process of tunnels；the influence on wall rocks of main tunnel after excavation of
branch tunnels concentrates on the range of 20 m on acute angle side and 1 2 m on obtuse angle side；and
the wall rocks and the acute angle side of supports in level crossing sections are more obviously impacted．
As a result，the supporting measures for level crossing parts should be strengthened before and after
construction of branch tunnels in order to ensure the safety of such parts．Th e research conclusions of the
paper present certain reference significance for design of highway tunnels and construction of branch
tunnels．
Key words：main tunnel；level crossing；arch support；stress concentration
隧道修建過程中，將主隧道中間的某個(gè)位置作
為一條支隧道的起點(diǎn)，這樣就形成了公路主隧道和
支隧道的平面平交段(簡(jiǎn)稱平交段)。隨著我國公
路建設(shè)的快速發(fā)展，修建隧道時(shí)，往往會(huì)形成2條甚
至多條隧道的平面交叉，因此，掌握平交部位結(jié)構(gòu)的
設(shè)計(jì)、施工技術(shù)顯得十分重要¨ 。
隧道平交段的難點(diǎn)在于多次開挖使得平交段隧
道圍巖應(yīng)力多次重分布，致使其受力特點(diǎn)復(fù)雜多變。
另外，由于平交段處主隧道的拱形支撐作用被切斷，
收稿日期：2010一ll一26
作者簡(jiǎn)介：王建(1985一)，男，福建省福安市人，碩士，助工
結(jié)構(gòu)受力已不再是單一軸向受力，因而產(chǎn)生了部分
彎曲受力的復(fù)雜受力狀況，圍巖應(yīng)力集中程度
高 -3]。日前國內(nèi)外有關(guān)平交隧道的研究還較少，
設(shè)計(jì)和施工中無規(guī)范可循，可供借鑒的施工經(jīng)驗(yàn)也
較少，相應(yīng)的施工技術(shù)和方法不完善，沒有一套完
整、適用的設(shè)計(jì)與施工方法及相應(yīng)的配套技術(shù)，因此
平交段隧道的設(shè)計(jì)和施工帶有一定的盲目性 。
圖l為目前在建的四川省某水電站場(chǎng)內(nèi)交通工
程的一處特大斷面隧道平交段結(jié)構(gòu)平面圖。該平交
2011年第3期 王建，等：特大斷面隧道平交段穩(wěn)定性分析及安全控制 115
注：1．JD為路線導(dǎo)線的交點(diǎn)；2．單位：m
圖1 平交隧道結(jié)構(gòu)平面
段主隧道的開挖斷面跨度達(dá)23．4 m，高11．2 in；支
隧道的開挖斷面跨度達(dá)14．8 m，交叉角度接近60。，
屬于扁平特大斷面的隧道平交結(jié)構(gòu)。
本文結(jié)合該隧道的工程實(shí)踐進(jìn)行特大斷面隧道
平交段支隧道開挖影響效應(yīng)分析，對(duì)研究控制大斷
面隧道平交段圍巖的大變形及破壞控制，確保隧道
施工安全和運(yùn)營(yíng)安全，具有非常重要的指導(dǎo)作用，且
非常必要和緊迫。
1 工程概況及設(shè)計(jì)要點(diǎn)
1．1 工程概況
根據(jù)實(shí)際工程隧道圍巖的地質(zhì)條件，隧道設(shè)計(jì)
采用新奧法施工。為節(jié)約投資、方便施工、保證安
全，平交段布置于Ⅲ級(jí)圍巖段，并利用50 m長(zhǎng)的緊
急停車帶的加寬滿足行車轉(zhuǎn)彎半徑要求，其中Ⅲ
型襯砌斷面通過加寬4．5 II1成為緊急停車帶斷面，
緊急停車帶斷面再加寬3．5 m，從而形成平交段擴(kuò)
大型襯砌斷面Ⅲ 。
1．2 平交段設(shè)計(jì)要點(diǎn)
平交段隧道支護(hù)設(shè)計(jì)遵循以下原則：
1)工程實(shí)際圍巖劃分為Ⅲ級(jí)，整體穩(wěn)定性良
好，設(shè)置超前支護(hù)意義不大，且斷面開挖系由普通斷
面經(jīng)2次擴(kuò)大過渡至平交段擴(kuò)大斷面，在開挖輪廓
線以外施作超前支護(hù)困難?；谝陨峡紤]，隧道不
設(shè)超前支護(hù)。
2)由于主隧道大斷面受小扁平率的影響，平交
段擴(kuò)大斷面在斷面開挖后應(yīng)及時(shí)施作錨、掛網(wǎng)、噴、
鋼架支護(hù)以及時(shí)調(diào)整和改善圍巖的2次應(yīng)力狀態(tài)，
確保圍巖的整體穩(wěn)定。
3)為增強(qiáng)支護(hù)的抗彎能力，應(yīng)設(shè)置鋼拱支撐。
型鋼拱支撐型號(hào)及布置采用工程類比法確定。主隧
道斷面設(shè)置工22a型鋼支撐，縱向間距0．5 rn。
4)加強(qiáng)段支護(hù)參數(shù)按圍巖降級(jí)處理，采用Ⅳ型
設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)。結(jié)合工程實(shí)際，考慮到通車等因素，
設(shè)計(jì)中初期支護(hù)應(yīng)基本保證圍巖穩(wěn)定，2次襯砌考
慮為安全儲(chǔ)備。
5)為了保證交叉人口處支護(hù)的整體穩(wěn)定性，應(yīng)
在支隧道頂部增設(shè)一個(gè)型鋼橫梁作為主隧道鋼架拱
腳的托梁。型鋼橫梁與主隧道鋼架拱腳采用鋼板螺
栓連接，使平交處主隧道與支隧道的支護(hù)連為一體，
并作為支隧道洞口的加固，以保證進(jìn)洞安全。
除以上幾點(diǎn)外，設(shè)計(jì)參數(shù)還應(yīng)符合JTG D7O一
2004(公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》 J，并盡量兼顧經(jīng)濟(jì)性及
現(xiàn)場(chǎng)操作?；谝陨戏治觯瑪M定了三維有限元模擬
計(jì)算參數(shù)，如表1所示。
2 三維有限元計(jì)算模型
2．1 地應(yīng)力場(chǎng)模擬
雖然地層中通常存在構(gòu)造地應(yīng)力，但由于隧道
所處地質(zhì)環(huán)境往往較復(fù)雜，同時(shí)構(gòu)造地應(yīng)力的量測(cè)
困難，且地應(yīng)力作為有限元分析的參數(shù)輸入困難l6j，
通常難以考慮構(gòu)造應(yīng)力影響，因此一般假定初始應(yīng)
力場(chǎng)為重力場(chǎng)，并且對(duì)地下結(jié)構(gòu)而言，自重應(yīng)力場(chǎng)可
被認(rèn)為是最不利的地應(yīng)力場(chǎng)。本文以平交段隧道最
不利埋深98．0 m產(chǎn)生的自重應(yīng)力場(chǎng)作為計(jì)算的初
始應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行模擬分析。
2．2 有限元分析模型
本文用MIDAS／GTS【 對(duì)該實(shí)際工程的特大斷
面隧道平交段建立有限元模型并進(jìn)行開挖模擬，部
分有限元模型如圖2所示。
根據(jù)圍巖與襯砌的性質(zhì)，三維計(jì)算中采用實(shí)體
單元模擬圍巖，采用板單元模擬隧道襯砌，采用植人
式桁架單元模擬系統(tǒng)錨桿。本次計(jì)算采用非線性
D—P屈服準(zhǔn)則分析 ，具體計(jì)算參數(shù)見表2。
表1 隧道初期支護(hù)計(jì)算參數(shù)
116 公路交通技術(shù) 2011年
MIDAS／GTS
y
(a1有限元整體模型
(b)初期支護(hù)網(wǎng)格 )J司邊關(guān)鍵巖體I 網(wǎng)格
圖2 有限元分析模型
在有限元分析中，根據(jù)分析的隧道結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在
關(guān)鍵區(qū)域?qū)⒂邢拊Ｐ图用?，是為了更為?zhǔn)確地反
映此區(qū)段圍巖及其襯砌的位移、應(yīng)力變化，提高計(jì)算
精度 J。同時(shí)，為保證計(jì)算結(jié)果合理，按隧道力學(xué)理
論和邊界理論，取洞室開挖直徑4倍以上范圍；上覆
98 In圍巖作為隧道的計(jì)算范圍，進(jìn)行有限元離散
后，模型劃分單元236 686，節(jié)點(diǎn)562 269。對(duì)模型的
約束 叫條件如下：模型邊界X、Y方向位移面約束，z
負(fù)方向底部邊界位移面約束。
3 平交段有限元計(jì)算結(jié)果分析
根據(jù)圣文南原理 j，系統(tǒng)錨桿錨固范圍內(nèi)圍巖
是巖體開挖應(yīng)力釋放最密切相關(guān)的巖體，故以主、支
隧道外徑向一定區(qū)域內(nèi)圍巖為主要研究對(duì)象進(jìn)行分
析。
3．1 平交段圍巖位移和應(yīng)力場(chǎng)分布
圖3、圖4為平交段關(guān)鍵區(qū)域圍巖在支隧道完
畢時(shí)的豎直位移和最大主應(yīng)力云圖。本文采用這2
項(xiàng)指標(biāo)確定支隧道開挖中起主導(dǎo)作用的開挖距離。
由圖3、圖4可看出，支隧道開挖后，平交口主
隧道拱頂下沉嚴(yán)重，出現(xiàn)一個(gè)沉降明顯大于遠(yuǎn)端斷
面的區(qū)域，下沉位移最大為20．7 mm；同時(shí)，平交口
附近拱腳壓應(yīng)力集中現(xiàn)象嚴(yán)重，最大壓應(yīng)力值為
14．4 MPa；最大主應(yīng)力云圖向支隧道方向凸起并偏
向銳角側(cè)。
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圖3 支隧道施工后關(guān)鍵區(qū)圍巖z方向位移云圖
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圖4 支隧道施工后關(guān)鍵圍巖最大主應(yīng)力云圖
圖5為平交口附近主隧道斷面拱腳最大主應(yīng)力
和支隧道典型施工過程的關(guān)系曲線。與支隧道開挖
對(duì)主隧道位移的影響相似，前20 121開挖導(dǎo)致的應(yīng)力
變化占整個(gè)過程的70％ 以上，其后主應(yīng)力增長(zhǎng)幅度
較平緩。因此，隧道平交口的施工是整個(gè)隧道施工
過程中的關(guān)鍵，開挖前需對(duì)洞口位置進(jìn)行加固，并對(duì)
進(jìn)入支隧道的方法進(jìn)行詳細(xì)研究，確保開挖安全。
0 lo 20 30 40 完畢
支隧道開挖進(jìn)尺，m
圖5 主隧道拱腳最大主應(yīng)力隨支隧道
施工過程變化曲線
2011年 第3期 王建，等：特大斷面隧道平交段穩(wěn)定性分析及安全控制 117
3．2 主隧道受支隧道施工影響范圍
支隧道的施工使平交部一定范圍成為結(jié)構(gòu)的最
薄弱部位。本文根據(jù)支隧道施工前后主隧道圍巖拱
頂豎直位移和拱腳最大主應(yīng)力的變化情況來確定受
影響范圍。分析路徑為沿主隧道軸線(Y軸)，開挖
模擬長(zhǎng)度共180 m，Y坐標(biāo)為一100 m處為主隧道的
開挖端。
圖6為支隧道開挖前后的拱頂位移曲線。
觀測(cè)點(diǎn)距平交口中心距離，n1
- 16
l —l7
一18
釜一19
- 20
圖6 支隧道開挖前后主隧道拱頂豎直位移變化曲線
從圖6可看出：
1)隨著拱項(xiàng)觀測(cè)點(diǎn)靠近支隧道洞口，拱項(xiàng)垂直
位移逐漸增大，在遠(yuǎn)端只有l(wèi)7．65 mm，在平交口中
心位置達(dá)到l9．95 mm。
2)主隧道受支隧道開挖的影響主要集中在
一20～12 m，當(dāng)離“環(huán)口”足夠距離后(一100～
一40 m、20～80 m)，位移和支隧道開挖前狀態(tài)相差
不大，支隧道開挖前后間相差大約保持為0．7 mm，
2條曲線近乎平行。
3)支隧道與主隧道為斜交6O。，主隧道拱頂垂
直位移在主隧道縱向并不對(duì)稱，銳角側(cè)拱頂垂直位
移較對(duì)稱位置拱頂垂直位移變化幅度稍大，說明該
側(cè)受支隧道的施工影響更為明顯。
支隧道開挖前后主隧道左右拱腳最大主應(yīng)力變
化如圖7所示。
從圖7中可看出：
1)支隧道開挖前，主隧道左拱腳最大主應(yīng)力主
要分布在一6．5 MPa左右；支隧道開挖后，變化范圍
在一6．52～ 一6．88 MPa之間。受支隧道開挖影響
嚴(yán)重的是一20～12 m的范圍，在銳角側(cè)一3 l'II處的
變化幅度最大，增大了約10％ 。
2)支隧道的開挖對(duì)主隧道右拱腳主應(yīng)力影響
遠(yuǎn)比左拱腳復(fù)雜，顯示出較強(qiáng)烈的震蕩特點(diǎn)，存在正
4000
0
面-4000
謄一8000
一12 000
- 16000
觀測(cè)點(diǎn)距平交口中心距離，m
— lo0 —80 —60 —4o一20 0 20 40 60 80
(a)主隧道左拱腳最大主應(yīng)力曲線
n 主隧道右拱腳最大主應(yīng)力曲線
圖7 支隧道開挖前后主隧道拱腳最大主應(yīng)力
變化曲線
負(fù)交錯(cuò)現(xiàn)象。影響較大的范圍同樣分布于一20一l2
m的范圍，峰值在一3 m和6 m處。在銳角側(cè)一3 m
處，支隧道開挖前第三主應(yīng)力 為6．72 MPa左右
的壓應(yīng)力；在鈍角側(cè)6 m處，支隧道開挖前 為
8．62 MPa左右的壓應(yīng)力。支隧道開挖后增大到
14．45 MPa，為原來壓應(yīng)力值的1．65倍。
3)在影響較大段一20～12 m后，支隧道的開
挖影響逐漸減小。當(dāng)離“環(huán)口”足夠距離后(一100一
一40 131、20～80 m)，拱腳應(yīng)力恢復(fù)常態(tài)，應(yīng)力曲線近
乎一條直線。
3．3 平交段噴射混凝土受力分析
平交部支護(hù)產(chǎn)生了部分彎曲受力的復(fù)雜受力狀
態(tài)，且由于支隧道與主隧道為斜交60。，這種影響在
鈍角側(cè)和銳角側(cè)也不相同。
現(xiàn)以主隧道橫向內(nèi)力為主要分析對(duì)象，分析支
隧道開挖對(duì)支護(hù)內(nèi)力帶來的影響。支隧道開挖前，
在均質(zhì)圍巖條件下主隧道鈍角側(cè)和銳角側(cè)斷面的左
右兩側(cè)軸力和彎矩基本呈對(duì)稱分布，且兩側(cè)值接近。
支隧道開挖后，支護(hù)左右拱腳的橫向軸力和彎矩如
圖8所示，隨著觀察斷面向平交口位置靠近，支隧道
開挖影響效應(yīng)越來越明顯，即數(shù)值越來越大，其中左
拱腳軸力受支隧道開挖影響最弱，接近于支隧道開
挖前數(shù)值。由此可看出，其他內(nèi)力在平交口銳角一
枷 ㈣ 珊
E} 三E 赫星
118 公路交通技術(shù) 2011血
Z
迥
-R
暴
觀測(cè)點(diǎn)距平交口中心距離／m
(a1與平交口不同距離支護(hù)軸力變化曲線
9 2
之8．8
8．4
鬟80
靜7
．6
7-2
-60 —45 —30 -15 0 15 45 60
觀測(cè)點(diǎn)距平交151中心距離／m
㈣與平交口不同距離支護(hù)彎矩變化曲線
圖8 主隧道各斷面內(nèi)力變化
側(cè)比鈍角一側(cè)增量更大，離平交口10 m處，銳角側(cè)
最大軸力是鈍角側(cè)的1．5倍，彎矩最大值是鈍角側(cè)
的1．65倍。
圖8(b)明顯偏向負(fù)坐標(biāo)(即銳角)一側(cè)，因此
在彎矩上銳角、鈍角側(cè)的差異表現(xiàn)更為明顯，且該圖
中左右拱腳彎矩的差值同樣可以說明銳角側(cè)左拱腳
受支隧道開挖影響大于鈍角側(cè)左拱腳。
3．4 平交段應(yīng)力集中效應(yīng)分析
表3為平交口位置圍巖與主隧道遠(yuǎn)端未受影響
斷面的最大主應(yīng)力隨支隧道典型施工進(jìn)程的變化情
況。
表3 平交部圍巖和支護(hù)應(yīng)力集中效應(yīng)分析kPa
注： 代表支隧道開挖后第三主應(yīng)力最大值； 代表
支隧道開挖前第三主應(yīng)力最大值；k代表應(yīng)力集中
系數(shù)。
對(duì)表中數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，可得到如下認(rèn)識(shí)：
1)平交部圍巖應(yīng)力局部增大十分嚴(yán)重。從施
工安全考慮，支隧道施工前，應(yīng)對(duì)洞口采取有效加固
措施，對(duì)因主隧道的存在造成的多臨空面進(jìn)行約束
等預(yù)加固支護(hù)十分必要。
2)平交部圍巖應(yīng)力集中程度與支隧道開挖進(jìn)
程密切相關(guān)，支隧道施工影響主要在前20 m，其后
續(xù)開挖對(duì)平交部位影響較小。
3)平交部圍巖應(yīng)力的集中程度與一般部位相
比較，大致為2．0倍；支護(hù)應(yīng)力的集中程度與一般部
位相比，大致為4．0倍。
3．5 平交段施工安全控制措施
由于主隧道交叉口處支護(hù)在支隧道一側(cè)被截
斷，故不再起拱的作用，而是板或殼的作用。因此，
隨著支隧道開挖的進(jìn)行，平交段變形特征主要表現(xiàn)
為交叉部“環(huán)口”顯著變形(受應(yīng)力集中影響)。平
交段受力特征主要表現(xiàn)為支護(hù)受力十分復(fù)雜，應(yīng)力
集中現(xiàn)象嚴(yán)重。
綜上所述，在設(shè)計(jì)和施工此類隧道平交結(jié)構(gòu)時(shí)，
應(yīng)采取如下措施，以保證安全。
1)加強(qiáng)交叉口處及其附近的支護(hù)強(qiáng)度，確保在
支隧道施工過程中主隧道支護(hù)的穩(wěn)定性。
2)支隧道進(jìn)洞前應(yīng)對(duì)洞口采取有效的加固措
施，對(duì)因主隧道的存在造成的多臨空面進(jìn)行約束，并
在洞口段(一20～12 m)采用一定的超前預(yù)加固措
施，提高洞口的穩(wěn)定，保證進(jìn)洞的安全。
3)施工過程中，應(yīng)始終保持主、支隧道支護(hù)的
統(tǒng)一性和完整性，使主、支隧道支護(hù)共同發(fā)揮效用，
把主、支隧道的相互影響程度抑制在最小范圍。
4)詳細(xì)研究支隧道進(jìn)洞及洞口段的施工工法，
采取合理的施工方法，將施工對(duì)交叉結(jié)構(gòu)多臨空面
圍巖體的擾動(dòng)抑制在最小范圍內(nèi)。
4 結(jié)論
通過對(duì)此特大斷面平交隧道段工程實(shí)例的三維
數(shù)值分析，可以得到以下結(jié)論：
1)平交口施工是整個(gè)施工過程的關(guān)鍵。支隧
道開挖后，前20 m開挖造成的影響最大，對(duì)圍巖和
支護(hù)受力的影響占支隧道整體開挖的70％ 以上。
2)平交部圍巖和支護(hù)應(yīng)力局部增大十分嚴(yán)重，
與遠(yuǎn)端隧道斷面相比，圍巖應(yīng)力集中系數(shù)為2．0；支
護(hù)集中系數(shù)為4．0。
3)支隧道開挖后，對(duì)圍巖穩(wěn)定和支護(hù)受力主要
影響在以平交口為中心的銳角側(cè)20 m及鈍角側(cè)12
m范圍內(nèi)，該范圍往外支隧道影響效應(yīng)逐漸減?。恢?
(下轉(zhuǎn)第124頁)
左一右一 ＼一1 一瑚
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(上接第118頁)
隧道開挖過程中，銳角側(cè)受支隧道影響更為明顯。
4)隧道平交口為整個(gè)結(jié)構(gòu)的最薄弱部位，無論
采用何種施工方案，在支隧道施工前后，都需加強(qiáng)平
交部的支護(hù)措施，以確保該部位的安全。
5)平交口位置由于支隧道的存在必將對(duì)主隧道
圍巖穩(wěn)定和支護(hù)受力產(chǎn)生影響，且這種影響在平交口
處更為明顯。因此，在設(shè)計(jì)和施工特大斷面隧道平交
結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)采取嚴(yán)密措施，以保證施工及運(yùn)輸安全。
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