隧道横洞与主洞交叉口初期支护分析
方案为研究对象，采用有限元程序对施工过程进行三维数值模拟，对支护受力变形、围岩变形等进行分析验算，检算方案安全性。
关键词：支护受力；支护变形；围岩变形；应力分析；支护安全性分析
1 工程概况
南部滨海大道东端桥隧建设隧道工程第三标段东主线与北支线、西主线与南支线分别以4#和5#行车横洞相连接。
其中南、北支线主洞施工进度快于东、西主线，在4#和5#车行横洞施工完成后采用横洞进主洞施工方法来增加主线施工作业面从而缩短整个工程工期。其中4#横洞交西主线处斜交角度75°，围岩为Ⅴ级；5#车行横洞交东主线处斜交角度78°，围岩为Ⅳ级。本文选取4#横洞进西主线为研究对象进行分析验算。
2 支护方案
由4#横洞施工至主洞开挖轮廓最外侧设置3榀焊接成整体的I20b门字形钢架，采用门字拱架挑顶进入主洞；将此3榀拱架作为横梁，完成后进行门字架范围内的主洞初期支护施工，最后按台阶法向主洞大里程方向施工6m，再向主洞小里程方向施工6m，形成主洞的开挖及支护工作面。施工顺序：横洞挑顶开挖及支护→挑顶段主洞初期支护→拆除竖向临时支护→主洞开挖及支护。开挖断面图见图1：
3 计算模型
3.1 计算参数选取
根据工程实际围岩状况、施工工法及埋深条件确定隧道计算围岩参数，见表1。
支护结构采用复合式衬砌结构，初期支护中的钢拱架的作用采用等效方法，将钢拱架的弹性模量折算给喷射混凝土；系统锚杆作为安全储备考虑，不参与模型计算。初期支护结构参数，见表2。
3.2 模型分析
根据围岩地质条件、埋深、开挖跨度等建立三维立体模型。本次数值分析采用莫尔-库仑（Mohr-Coulomb）屈服准则判断岩体的破坏。计算仅考虑在自重作用下，围岩在开挖过程中传递给支护结构的作用力。边界条件：各侧面及底面取法向约束，地表为自由面。模型中围岩为三维实体单元，本构模型为莫尔-库仑。横洞、主洞以及门字型钢架为板单元，本构模型为弹性。參照JTG D70-2004《公路隧道设计规范》将计算中开挖阶段荷载释放定为30%，初期支护阶段荷载释放30%，二次衬砌阶段荷载释放40%。
4 理论计算结果
本次计算主要从围岩位移场、应力场、初期支护安全角度分析挑顶方案的可行性。
4.1 围岩位移场分析
为了解隧道开挖对隧道围岩变形与稳定性的影响，选择横洞开挖横断面上主洞拱顶处一点，绘制该点竖向位移与施工阶段的关系曲线进行分析。挑顶处横断剖面位移云图及该点竖向位移与施工阶段关系曲线图见图2。
从图4可以得出，围岩竖向位移主要发生在挑顶的主洞洞顶位置。洞顶处围岩开挖处于第12个施工阶段，此阶段围岩竖向位移骤然变大，可见开挖阶段是围岩变形及应力释放的集中阶段。12阶段之前的围岩开挖对其扰动产生的位移很明显；A点处初支施工完毕后开挖对其扰动产生的竖向位移很小。说明初期支护对开挖后的围岩支护效果较好。以上位移曲线表明，隧道开挖造成的周边围岩位移均在规范允许范围。
4.2 围岩应力计算结果
围岩最大压应力云图，其最大值出现在挑顶拱顶开挖阶段的拱顶位置。因此施工过程中要引起足够重视，保证初期支护的及时跟进和施工质量。
4.3 初期支护安全性分析
合理的支护体系对隧道结构安全是至关重要的，隧道结构的安全稳定是隧道设计最终要达到的目的，对支护结构进行安全稳定性判定是设计最重要的一步。横洞进主洞挑顶受力最大的部位是门字型钢架，此钢架位于开挖体系转换的交界处，且要作为主洞挑顶临时支护钢架立柱撤掉后的受力支点，因此设计重点是对门字型钢架进行安全性分析。安全性应满足JTG D70—2004《公路隧道设计规范》中9.2.11规定。初期支护安全系数在拱顶拱脚部偏低，在实际施工时要保证拱顶喷射混凝土厚度和质量，另外，拱脚部需要打设锁脚锚杆以提高其安全性。
5 结语
由于岩土介质的性质通常具有明显的不确定特征，岩土工程问题分析中经验常起主导作用，因而本次横洞进主洞施工方案及复合式衬砌的初期支护主要按工程类比法设计，即参照以往工程实例确定支护参数。Ⅳ、Ⅴ级围岩在根据经验选定支护参数后仍需进行检验计算。对Ⅳ、Ⅴ级围岩中的初期支护，采用连续介质力学的有限元方法，按地层结构设计模型计算内力和变形的理论方法已较成熟，且这类方法可较好模拟开挖施工步骤的影响，因此适用于本次计算。采用地层结构法计算时，可通过对释放荷载设置释放系数控制初期支护的受力，以使初期支护和二次衬砌能按较合理的分担比例共同承受释放荷载的作用。本次计算释放荷载分担比例参照JTG D70—2004《公路隧道设计规范》表9-1。模拟计算往往不能准确模拟出施工开挖工序转换的时间效应，以及二次衬砌滞后性，故计算中并未考虑经锚杆加固后围岩结构面的内聚力C的提高，仅作为安全储备。施工要遵循“短进尺、弱爆破、强支护、勤量测、衬砌紧跟、步步为营”，确保方案能安全高效的实施。随着城市交通的快速发展及计算机软硬件不断升级更新，设计人员要充分利用这一有利条件更好的为工程服务。
参考文献：
[1] 王梦恕.中国隧道及地下工程修建技术[M].北京：人民交通出版社，2010.
[2] 关宝树.隧道工程施工要点集[M].北京：人民交通出版社2003.
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