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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：中國水電顧問集團成都勘測設(shè)計研究院		點擊數(shù)：	更新時間： 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
(中國水電顧問集團成都勘測設(shè)計研究院，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，以四川省某水電站場內(nèi)交通工程的
一處特大斷面隧道平交段進行建模數(shù)值分析。結(jié)果表明，隧道平交口的施工是整個隧道施工過程中的關(guān)鍵；支隧道
開挖后對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，都需加強對平交部的支護措施，以確保該部位的安
全。研究結(jié)論對公路隧道設(shè)計、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：1009—6477(2011)03—0114—06 中圖分類號：U459．2 文獻標(biāo)識碼：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位置作
為一條支隧道的起點，這樣就形成了公路主隧道和
支隧道的平面平交段(簡稱平交段)。隨著我國公
路建設(shè)的快速發(fā)展，修建隧道時，往往會形成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、施工技術(shù)顯得十分重要¨ 。
隧道平交段的難點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)計和施工中無規(guī)范可循，可供借鑒的施工經(jīng)驗也
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；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23．4 m，高11．2 in；支
隧道的開挖斷面跨度達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)合該隧道的工程實踐進行特大斷面隧道
平交段支隧道開挖影響效應(yīng)分析，對研究控制大斷
面隧道平交段圍巖的大變形及破壞控制，確保隧道
施工安全和運營安全，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)計要點
1．1 工程概況
根據(jù)實際工程隧道圍巖的地質(zhì)條件，隧道設(shè)計
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級圍巖段，并利用50 m長的緊
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
大型襯砌斷面Ⅲ 。
1．2 平交段設(shè)計要點
平交段隧道支護設(shè)計遵循以下原則：
1)工程實際圍巖劃分為Ⅲ級，整體穩(wěn)定性良
好，設(shè)置超前支護意義不大，且斷面開挖系由普通斷
面經(jīng)2次擴大過渡至平交段擴大斷面，在開挖輪廓
線以外施作超前支護困難。基于以上考慮，隧道不
設(shè)超前支護。
2)由于主隧道大斷面受小扁平率的影響，平交
段擴大斷面在斷面開挖后應(yīng)及時施作錨、掛網(wǎng)、噴、
鋼架支護以及時調(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)為增強支護的抗彎能力，應(yīng)設(shè)置鋼拱支撐。
型鋼拱支撐型號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)加強段支護參數(shù)按圍巖降級處理，采用Ⅳ型
設(shè)計支護參數(shù)。結(jié)合工程實際，考慮到通車等因素，
設(shè)計中初期支護應(yīng)基本保證圍巖穩(wěn)定，2次襯砌考
慮為安全儲備。
5)為了保證交叉人口處支護的整體穩(wěn)定性，應(yīng)
在支隧道頂部增設(shè)一個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連為一體，
并作為支隧道洞口的加固，以保證進洞安全。
除以上幾點外，設(shè)計參數(shù)還應(yīng)符合JTG D7O一
2004(公路隧道設(shè)計規(guī)范》 J，并盡量兼顧經(jīng)濟性及
現(xiàn)場操作?；谝陨戏治?，擬定了三維有限元模擬
計算參數(shù)，如表1所示。
2 三維有限元計算模型
2．1 地應(yīng)力場模擬
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，同時構(gòu)造地應(yīng)力的量測
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)
力場為重力場，并且對地下結(jié)構(gòu)而言，自重應(yīng)力場可
被認為是最不利的地應(yīng)力場。本文以平交段隧道最
不利埋深98．0 m產(chǎn)生的自重應(yīng)力場作為計算的初
始應(yīng)力場進行模擬分析。
2．2 有限元分析模型
本文用MIDAS／GTS【 對該實際工程的特大斷
面隧道平交段建立有限元模型并進行開挖模擬，部
分有限元模型如圖2所示。
根據(jù)圍巖與襯砌的性質(zhì)，三維計算中采用實體
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。本次計算采用非線性
D—P屈服準則分析 ，具體計算參數(shù)見表2。
表1 隧道初期支護計算參數(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，在
關(guān)鍵區(qū)域?qū)⒂邢拊Ｐ图用?，是為了更為準確地反
映此區(qū)段圍巖及其襯砌的位移、應(yīng)力變化，提高計算
精度 J。同時，為保證計算結(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圍巖作為隧道的計算范圍，進行有限元離散
后，模型劃分單元236 686，節(jié)點562 269。對模型的
約束 叫條件如下：模型邊界X、Y方向位移面約束，z
負方向底部邊界位移面約束。
3 平交段有限元計算結(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)圍巖為主要研究對象進行分
析。
3．1 平交段圍巖位移和應(yīng)力場分布
圖3、圖4為平交段關(guān)鍵區(qū)域圍巖在支隧道完
畢時的豎直位移和最大主應(yīng)力云圖。本文采用這2
項指標(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
隧道拱頂下沉嚴重，出現(xiàn)一個沉降明顯大于遠端斷
面的區(qū)域，下沉位移最大為20．7 mm；同時，平交口
附近拱腳壓應(yīng)力集中現(xiàn)象嚴重，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
變化占整個過程的70％ 以上，其后主應(yīng)力增長幅度
較平緩。因此，隧道平交口的施工是整個隧道施工
過程中的關(guān)鍵，開挖前需對洞口位置進行加固，并對
進入支隧道的方法進行詳細研究，確保開挖安全。
0 lo 20 30 40 完畢
支隧道開挖進尺，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。
觀測點距平交口中心距離，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)隨著拱項觀測點靠近支隧道洞口，拱項垂直
位移逐漸增大，在遠端只有l(wèi)7．65 mm，在平交口中
心位置達到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稱，銳角側(cè)拱頂垂直位
移較對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)支隧道的開挖對主隧道右拱腳主應(yīng)力影響
遠比左拱腳復(fù)雜，顯示出較強烈的震蕩特點，存在正
4000
0
面-4000
謄一8000
一12 000
- 16000
觀測點距平交口中心距離，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
負交錯現(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)力為主要分析對象，分析支
隧道開挖對支護內(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稱分布，且兩側(cè)值接近。
支隧道開挖后，支護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
觀測點距平交口中心距離／m
(a1與平交口不同距離支護軸力變化曲線
9 2
之8．8
8．4
鬟80
靜7
．6
7-2
-60 —45 —30 -15 0 15 45 60
觀測點距平交151中心距離／m
㈣與平交口不同距離支護彎矩變化曲線
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端未受影響
斷面的最大主應(yīng)力隨支隧道典型施工進程的變化情
況。
表3 平交部圍巖和支護應(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)。
對表中數(shù)據(jù)進行對比分析，可得到如下認識：
1)平交部圍巖應(yīng)力局部增大十分嚴重。從施
工安全考慮，支隧道施工前，應(yīng)對洞口采取有效加固
措施，對因主隧道的存在造成的多臨空面進行約束
等預(yù)加固支護十分必要。
2)平交部圍巖應(yīng)力集中程度與支隧道開挖進
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)為支護受力十分復(fù)雜，應(yīng)力
集中現(xiàn)象嚴重。
綜上所述，在設(shè)計和施工此類隧道平交結(jié)構(gòu)時，
應(yīng)采取如下措施，以保證安全。
1)加強交叉口處及其附近的支護強度，確保在
支隧道施工過程中主隧道支護的穩(wěn)定性。
2)支隧道進洞前應(yīng)對洞口采取有效的加固措
施，對因主隧道的存在造成的多臨空面進行約束，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，保證進洞的安全。
3)施工過程中，應(yīng)始終保持主、支隧道支護的
統(tǒng)一性和完整性，使主、支隧道支護共同發(fā)揮效用，
把主、支隧道的相互影響程度抑制在最小范圍。
4)詳細研究支隧道進洞及洞口段的施工工法，
采取合理的施工方法，將施工對交叉結(jié)構(gòu)多臨空面
圍巖體的擾動抑制在最小范圍內(nèi)。
4 結(jié)論
通過對此特大斷面平交隧道段工程實例的三維
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，對圍巖和
支護受力的影響占支隧道整體開挖的70％ 以上。
2)平交部圍巖和支護應(yīng)力局部增大十分嚴重，
與遠端隧道斷面相比，圍巖應(yīng)力集中系數(shù)為2．0；支
護集中系數(shù)為4．0。
3)支隧道開挖后，對圍巖穩(wěn)定和支護受力主要
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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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，都需加強平
交部的支護措施，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主隧道
圍巖穩(wěn)定和支護受力產(chǎn)生影響，且這種影響在平交口
處更為明顯。因此，在設(shè)計和施工特大斷面隧道平交
結(jié)構(gòu)時應(yīng)采取嚴密措施，以保證施工及運輸安全。
[2]
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