竖井-隧道交界处结构稳定性分析

竖井-隧道交界处结构稳定性分析

翟鹏云

内蒙古轻纺工业设计研究院有限责任公司 内蒙古呼和浩特市 010010

摘要：竖井-隧道交界处的变形和应力分布比普通隧道复杂，关于隧道在该区域的结构稳定性分析的研究有限。依托某特长运营隧道，采用数值模拟方法对通风竖井与隧道交界处竖向变形、水平收敛以及最大应力进行分析；综合允许变形量以及安全系数两个评价指标对通风竖井与隧道交界处初期支护与围岩稳定性进行研究。研究成果表明初期支护采用设计值24 cm计算得到最大竖向变形量小于5 mm，水平收敛小于2 mm，左右连接口的最大拉应力分别为71.3%和69.0%抗拉强度，初支强度得到较好的发挥，且结构仍较为安全。研究结果可为今后通风竖井与隧道交界处结构设计与施工提供借鉴。

关键词：通风竖井；隧道；交界处；数值模拟；稳定性；安全系数；

引言

近年来，经济高速发展以及大力推进西部基础建设开发促进了我国西部地区隧道建设的长度越来越长，规模越来越大，超过6 km的超特长隧道成为新常态[1]。在特长隧道中，由于采用竖井通风具有工期短、效率高、技术成熟、运营维护费用低等优势，一般采用竖井的方式改善隧道内部的通风条件[2]。现有的针对通风竖井的研究主要从竖井开挖技术、竖井设计技术、通风烟气特性及临界竖井长度等方面[3, 4]展开，针对通风竖井与隧道交界区域的安全稳定性研究并不多。因此，依托某特长运营隧道，采用数值模拟方法对通风竖井与隧道交界处竖向变形、水平收敛以及最大应力进行分析，研究成果可为今后通风竖井与隧道交界处结构稳定性设计与施工提供借鉴。

1  项目概况

某隧道为分离式特长隧道，左线长7285 m，右线长7310 m，隧道最大埋深约650 m。隧道围岩主要为泥岩，Ⅲ、Ⅳ为主，局部为Ⅴ级。隧道左右线均采用分段送排式通风方案。在出口端设置一处竖井将左右线均分为三段进行送排式机械通风，竖井深度约258 m，竖井4条联络风道总长约187 m。4条联络风道命名如下：左1、左2分别表示联络通道与左隧道小里程、大里程处连接口初支位置；右1、右2分别表示联络通道与右隧道小里程、大里程处连接口初支位置。竖井4条联络风道与隧道交界处只采用了初期支护，需要通过分析计算初期支护与围岩稳定性。

2 数值模型的建立

2.1 计算模型及基本假定

由于模型对称，为提高计算效率，可建立一半模型。模型边界与隧道距离约取4倍隧道洞径，模型底部距离隧道底30 m，顶部距离竖井联络风道与竖井接口处4倍隧道洞径左右，顶部施加与上方山体自重等量的荷载模拟实际受荷情况，对模型上表面施加5.61 MPa的均布力，最终建立的数值计算模型尺寸为165.4 m×74 m×102 m，如图1所示。

（a）整体模型图

（b）竖井及联络通道

图1 数值计算模型

模型共83202个节点，175009个单元。模型四周约束法向变形，模型底部约束三个方向的变形，模型顶部为自由面，施加大小为5.61 MPa的均布力模拟模型上部山体自重。图6c为联络通道连接口计算模型，可以看到，在连接口处初支按照设计要求进行了施工，在靠近联络通道处从隧道边界朝向竖井方向有大概6 m范围内未设置二衬。

2.2 计算参数

采用Midas-GTS NX 辅助建模，导入FLAC3D 5.0进行计算。模型范围内围岩以J1z、J1-2z泥岩为主，岩土体本构采用摩尔库伦本构模型。初支为C20喷射混凝土，二衬为C25钢筋混凝土，采用弹性本构模型。模型中，左线隧道、右线隧道和竖井联络风道均采用初支+二衬的支护形式，竖井采用0.3 m厚钢筋混凝土支护，在竖井联络风道和左右线隧道的连接口仅采用初期支护，为重点关注区域。为验算联络通道连接口处仅采用初期支护的安全性，同时对比不同支护参数下的支护效果，设置若干组计算工况进行对比研究。具体工况如表1所示。

表1 数值计算工况

2.3 计算步骤

计算步骤为：①初始地应力平衡；②位移清零，进行隧道的开挖与支护，采取一步开挖法，同时施加初支和二衬；③进行竖井的开挖与支护，采取一步开挖法，同时施加支护；④进行竖井联络风道的开挖与支护，采取一步开挖法，同时施加初支和二衬；⑤位移清零，进行联络风道连接口的开挖与支护，采取一步开挖法，同时施加初支和二衬。

3 计算结果及分析

3.1 连接口处竖向变形

图2为实际情况下（工况3）联络通道连接口处的最大竖向变形图。可以看到，竖向变形量均在5 mm以内，最大竖向变形出现在两隧道连接口未设置二衬处拱顶和拱底，拱顶处下沉而拱底处隆起。说明在连接口靠近联络通道处，未设置二衬对竖向变形有一定的影响。《铁路隧道施工规范》[5]规定Ⅳ级围岩中埋深300 m的隧道拱顶下沉量应控制在0.4% H以内（H为隧道断面高度），即24 mm，远远大于实际变形。因此，在该部分仅采用初支能满足竖向变形要求。

图2 联络通道连接口处最大竖向变形剖面

图3为不同工况下联络通道连接口处的最大拱顶沉降。可以看到，由于联络通道连接口断面尺寸不大，且整体开挖岩体体积不大，各工况下连接口拱顶沉降均小于允许值，但工况1（初支、二衬均无）条件下最大拱底沉降明显大于其他工况，达到11 mm，考虑到实际围岩可能存在节理裂隙，以及开挖过程中会对围岩有所扰动，仍然应该对其进行支护，至少应该采取工况2的支护条件，即设置0.12 m厚的初支。工况2~5的最大拱顶沉降相差不大，均在2~5 mm之间，实际工程仅采用0.24 m厚初支是安全的。

图3 不同工况下最大拱顶沉降

3.2 连接口处水平收敛

图4为实际情况下联络通道连接口处的水平收敛。可见，最大水平收敛约为1.2 mm，出现在两隧道连接口未设置二衬处拱肩，方向均朝隧道内。说明在连接口靠近联络通道处，未设置二衬对水平收敛有一定的影响。《铁路隧道施工规范》[5]规定Ⅳ级围岩中埋深300 m的隧道隧道拱肩水平收敛值应控制在0.96% D以内（D为隧道断面净距），即76.8 mm，远远大于实际变形。因此，在该部分仅采用初支能满足水平收敛要求。

（a）最大水平收敛剖面（左连接口）

（b）最大水平收敛剖面（右连接口）

图4联络通道连接口处水平收敛图

图5为不同工况下联络通道连接口处的左边墙最大水平收敛。

图5 不同工况下左边墙最大水平收敛

可见，由于联络通道连接口断面尺寸不大，且整体开挖岩体体积不大，各工况下连接口左边墙水平收敛均小于允许值，但工况1（初支二衬均无）条件下最大水平收敛明显大于其他工况，达到10 mm左右，考虑到实际围岩可能存在节理裂隙，以及开挖过程中会对围岩有所扰动，仍然应该对其进行支护。工况2~5的左边墙最大水平收敛相差不大，均在2 mm以内，施加衬砌之后水平收敛得到有效地控制，实际工程仅采用0.24 m厚初支是安全的。图6为不同工况下联络通道连接口处的右边墙最大水平收敛。

图6 不同工况下右边墙最大水平收敛

由于联络通道连接口断面尺寸不大，且整体开挖岩体体积不大，各工况下连接口右边墙水平收敛均小于允许值，但工况1条件下最大水平收敛明显大于其他工况，达到将近11 mm左右，考虑到实际围岩可能存在节理裂隙，以及开挖过程中会对围岩有所扰动，仍然应该对其进行支护。工况2~5的右边墙最大水平收敛相差不大，均在2 mm以内，施加衬砌之后水平收敛得到有效地控制，实际工程仅采用0.24 m厚初支是安全的。

3.3 连接口处最大应力

为进一步考虑支护结构受力状态，对关键部位进行附加应力的计算，如表2所示。可以看到，左右连接口的应力水平非常接近，最大附加拉应力分别为0.82 MPa和0.87 MPa，最大附加压应力分别为0.83 MPa和0.74 MPa，采用试验混凝土的强度进行校核，选取左右隧道两个连接口的较小值，分别为：左连接口9.2 MPa，右连接口10.1 MPa，抗拉强度一般为抗压强度的1/8，计算得出左右连接口的最大拉应力分别为71.3%和69.0%抗拉强度，初支强度得到较好的发挥，且结构仍较为安全。左右连接口的最大压应力分别为9.02%和7.33%抗压强度，均较小，并不是初支安全性的控制条件。

表2 最大附加应力表

不同工况下初支最大附加拉应力如图7所示。

图7 不同工况下初支最大附加拉应力

可见，5组工况下的附加拉应力均没有超过混凝土的抗拉强度设计值，说明各组工况强度均满足要求。右连接口的附加拉应力要大于左连接口，主要是由于右连接口距离竖井较远，联络通道较长，初支发挥的作用更大。从工况1到工况3，随着初支厚度的增大，其承担的荷载相应增大，附加拉应力水平不断提高，从工况4开始，由于二衬参与支护，部分荷载由二衬承担，故初支上的附加应力开始减小。实际工程中仅采用0.24 m厚初支，虽然初支承受较大拉应力，但仍然在安全范围内。

4 结论

本文采用数值模拟方法对通风竖井与隧道交界处竖向变形、水平收敛以及最大应力进行分析，进而对通风竖井与隧道交界处结构稳定性进行研究，发现竖井与隧道交界处初期支护采用设计值计算得到最大竖向变形量小于5 mm，水平收敛小于2 mm，变形均在允许范围。且左右连接口的最大拉应力分别为71.3%和69.0%抗拉强度，初支强度得到较好的发挥，且结构仍较为安全。

参考文献：

[1] 冷希乔, 严金秀, 韩瑀萱. 公路隧道深大竖井设计及施工方法探讨. 公路 2019, 64(08): 221-225.

[2]汪迎红. 特长公路隧道通风竖井施工阶段稳定性分析 [J]. 公路工程, 2014, 39(06): 219-222.

[3]陈滔. 地铁隧道火灾自然通风烟气特性及临界竖井长度研究 [D]; 西南交通大学, 2019.

[4]张荣帅, 李思成. 纵向通风与坡度对隧道竖井排烟影响数值模拟 [J]. 消防科学与技术, 2019, 38(03): 359-363.

[5]铁道第二勘察设计院. 铁路隧道设计规范 [M]. 行业标准-铁道. 2005: 286P.;A285.