摘要：大断面深埋隧道常采用系统锚杆+挂网喷射混凝土+钢拱架的复合式衬砌，初期支护结构对隧道的稳定起着决定性作用。以某大断面深埋隧道交叉口初期支护为例，采用荷载-结构法对钢拱架和喷射混凝土等效结构的初期支护内力及变形进行了计算分析，根据计算结果对该大断面深埋隧道交叉口施工时的衬砌稳定性进行了安全评估，从而提出相应的隧道施工方法和支护措施，更好地指导施工。
关键词：交叉隧道；深埋隧道；初期支护；数值模拟
Stability evaluation of the initial support in a large section deep-buried tunnel intersection
ZHOU Xiao-yong
（Jiangxi Provincial Expressway Investment Group Co.,Ltd.，Nanchang Jiangxi 330000, China）
Abstract: The large section deep-buried tunnels often adopt the composite linings of the systematic bolts + steel mesh shooting concrete + steel arch frame.The initial support structure plays a decisive role in the stability of the tunnels. Taking the initial support of a large cross-section deep-buried tunnel as an example, the initial support internal forcesand deformations of the equivalent structure of the steel arch frameand shotcrete were calculated and analyzed by using load-structure method.According to the calculation results, the safety assessment of the lining stability during the construction of the large section deep-buried tunnel intersection is made, and the corresponding tunnel construction methods and support measures are put forward to better guide the construction.
Keywords: intersection tunnel; deep buried tunnel; initial support; numerical simulation
1 引言
随着经济的快速发展，隧道的修建越来越多越来越长，但其施工工序复杂，尤其是交叉口施工。当遇到不良地质体时，如软弱岩层、节理裂隙等，隧道围岩与支护结构受力更加复杂。目前，深埋大断面隧道初期支护通常为钢拱架和喷锚，钢拱架的安全性决定了隧道初期支护的安全。由于钢拱架属于隐蔽工程，必须对钢拱架的安全性进行分析。因此，为确保大断面深埋隧道施工的安全性、稳定性以及为后续的施工方案优化提供指导，必须开展隧道交叉口初期支护稳定性研究。
近些年来，国内外学者已对隧道初期支护的安全性和稳定性做了大量的研究。例如，李晓红等[1]以石龙隧道作为工程实例，考虑了围岩的流变特性，采用了Poyting-Thomoson模型，结合隧道的现场监控量测数据，对比分析初期支护对围岩的位移和稳定性的影响。许东[2]以棋盘关斜井隧道作为工程实例，分析复杂交叉隧道施工中围岩和支护体系的应力和应变状态。李洪泉等[3]依托乌鞘岭隧道及北京地铁四号线黄庄车站工程，在相关规范、公式的基础上，提出了格栅钢架喷射混凝土初期支护结构截面失效的功能函数，在一些假设条件下，推导了根据隧道施工期初期支护的位移求解内力的计算公式。徐帮树等[4]利用反演方法，通过隧道施工期间监测到的拱顶沉降及水平收敛等数据指导初期支护的修改优化，采用地层-结构数值计算方法，对公路隧道型钢喷射混凝土初期支护结构安全性进行系统研究。现有的文献对隧道施工期间的初期支护力学性能及安全性、稳定性做了很多的研究，本文在前人的基础上，通过大断面深埋隧道交叉口施工初期支护数值分析，采用荷载-结构法计算钢拱架和喷射混凝土等效结构的初期支护内力，为隧道交叉段后期的施工方案优化、支护设计和安全监测及控制提供科学依据。
2 工程概况
本文依托某大断面深埋隧道断面2-2和断面1-1的交叉段部分进行研究，该隧道交叉段埋深约为95m，断面2-2宽14.6m，断面1-1宽9.5m。断面2-2和断面1-1交叉段如下图1所示。
图1断面2-2和断面1-1交叉段示意图
该交叉段隧道宽度B=14.6 m （取与断面2-2同宽）。
根据《铁路隧道设计规范》（TB 10003-2016）和《公路隧道设计规范》JTG D70-2004[5,6]，按荷载等效高度值，并结合地质条件、施工方法等因素综合判定。荷载等效高度的判定公式为：
图3. 0.5m宽度的初期支护示意图
3初期支护数值分析
软弱围岩隧道初期支护结构的安全性评价方法有数值分析法和工程类比法两种，工程类比法对类比条件要求严格，对处于复杂地质条件下的隧道工程，会造成不必要的资源浪费或导致隧道支护结构的不安全[6]。因此一般采用数值法分析大断面深埋隧道的安全性。本文通过荷载-结构法分析计算钢拱架和喷射混凝土等效结构的初期支护内力。
3.1 交叉段
根据已有的隧道设计资料，该隧道初期支护采用工字钢加喷射混凝土的支护形式。本文采用ANSYS程序计算型钢喷射混凝土初期支护结构的受力状态。在ANSYS计算中，隧道初期支护采用BEAM3单元模拟，初期支护与围岩之间的相互作用使用LINK10单元模拟。模型边界条件为：将弹簧单元围岩端的结点的自由度约束，其次将初期支护底端固定，即约束全部自由度，所建立数值模型如图5所示，I22b工字钢和C25喷射混凝土的力学和几何参数如表2所示。
图4.初期支护受力示意图
图6. 断面2-2初支数值计算模型
3.3 变形分析
经计算所得的隧道交叉段和断面2-2初期支护的变形图、内力图和应力图分别如下图7、8所示：
(a)交叉段初支变形图 (b)交叉段初支轴力图
(c)交叉段初支剪力图 (d)交叉段初支弯矩图
(e)交叉段初支拉应力云图 (f)交叉段初支压应力云图
图7.交叉段初期支护变形图、内力图和应力云图
从图7中可以看出，隧道交叉段初期支护最大拉应力为55.1 MPa，最大压应力为62.1MPa，最大应力值均小于型钢的抗拉、抗压和抗弯设计强度215 MPa（参照《钢结构设计规范》[7]），说明门式拱架受力安全。隧道交叉段门式拱架顶部横梁以及左右立柱的最大变形量约为31.4 mm，小于规范规定值，分别小于拱跨度、立柱高度的1/100，门式拱架安全稳定
(a)断面2-2初支变形图(b)断面2-2初支轴力图
(c)断面2-2初支剪力图(d)断面2-2初支弯矩图
(e)交叉段初支拉应力云图 (f)交叉段初支压应力云图
图8. 断面2-2初期支护变形图、内力图和应力云图
从图8可以看出，隧道断面2-2初期支护最大拉应力为19.5 MPa，最大压应力为33.3 MPa，最大应力值均小于型钢的抗拉、抗压和抗弯设计强度215 MPa（参照《钢结构设计规范》[7]），说明门式拱架受力安全。隧道断面2-2钢拱架的最大变形量约为19.7 mm，小于规范规定的拱跨度的1/100，钢拱架安全稳定。
4 结论
（1）该大断面深埋隧道交叉段初期支护采用系统锚杆、挂网喷射混凝土和门式拱架的复合支护体系（计算中未考虑系统锚杆作用，作为安全储备），其中钢拱架为最主要的承载结构。初期支护内力分布结果表明交叉段门式拱架直角拐角处会出现明显的应力集中现象，因此，建议拐角处采取弧形过渡，减少应力集中，并视情况适当采取斜撑等加固措施。
（2）该隧道交叉段门式拱架拱脚处受力较大，因此应加强拱脚的支护，可采取二次喷射混凝土或增加适当数量的锁脚锚杆(管)等措施，锁脚锚杆最不利受力位置在与钢拱架焊接的部位，锚杆与钢拱架应保证焊接牢固，焊接采用满焊。
（3）对于隧道断面2-2初期支护内力分布反映钢拱架拐角处会出现较为明显的应力集中现象，因此，建议拐角处采取弧形过渡，减少应力集中。
（4）隧道断面2-2钢拱架拱脚处受力较大，因此应加强拱脚的支护，可采取二次喷射混凝土或增加适当数量的锁脚锚杆(管)等措施，锁脚锚杆最不利受力位置在与钢拱架焊接的部位，锚杆与钢拱架应保证焊接牢固，焊接采用满焊。
参考文献：
[1]李晓红,李登新,靳晓光,等.初期支护对软岩隧道围岩稳定性和位移影响分析[J].岩土力学,2005,26(8):1207-1210.
[2]许东.公路隧道复杂交叉结构设计及施工方案优化研究[D].长安大学,2009.
[3]李洪泉,杨成永,徐明新,等.隧道格栅钢架喷混凝土支护安全性评价[J].岩石力学与工程学报,2009,28(a02):3903-3908.
[4]徐帮树,杨为民,王者超,等.公路隧道型钢喷射混凝土初期支护安全评价研究[J].岩土力学，2012,33(1):248-254.
[5]国家铁路局.TB10003-2016铁路隧道设计规范.北京：中国铁道出版社，2017.
[6]中华人民共和国交通部.JTGD70-2004公路隧道设计规范.北京：人民交通出版社，2004.
[7]孙秋红,胡伟,李中.软弱围岩公路隧道初期支护可靠性信息化评价[J].采矿技术,2004,4(3):70-72.
[8]中华人民共和国建设部和中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB50017-2003钢结构设计规范.北京：中国计划出版社，2003.
论文作者:孙乙兵
论文发表刊物:《防护工程》2019年第3期
论文发表时间:2019/5/17
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