横通道施工阶段主隧道衬砌结构的变形规律和受力特性

摘要：横通道施工是隧道工程中常见的施工项目，其施工会给主隧道带来负面影响，所以必须对其进行研究以保证隧道施工的安全性。借助施工案例的监测数据不难发现，其对衬砌的影响是有规律可依的，这样就可以采取针对性措施提高施工质量与安全。

关键词：横通道施工 测点布置变形规律 受力特征

Abstract: the channel tunnel engineering construction is in the common construction project, the construction will give the Lord tunnel negative effects, so we must carry on the research to ensure the safety of the tunnel construction. With the construction of the monitoring data of case is not difficult to find, it to the influence of lining there are laws can depend on, so you can take corresponding measures improve the construction quality and safety.

Key words: horizontal channel sensor arrangement deformation law construction force characteristic

中图分类号：U45文献标识码：A 文章编号：

横通道施工措施以及监测方案分析

在隧道工程中，横向通道主要包括了车行道和人行道两种，因为车行道的横向开挖面积大与主隧道斜交，是一种空间力学结构，因此其对主通道的影响较大，对此类通道的研究较为广泛。研究主要集中在两个方面，一则是对横洞设计与施工的研究，一则是对横洞开挖对主隧道的影响状况。现实工程中，一些工程因为隧道的地质情况较为恶劣，不得不采用的是先对主隧道进行衬砌后在进行横道施工的方式，此时横道对主动的衬砌及其稳定性的影响就成为了研究的一个方向。本文就以某隧道工程为测量对象进行这方面的分析。具体的施工方案与测量措施如下：

工程是一条高速公路隧道，设计为上下行分离隧道形式，上行与下行相互隔离为了保证营运器件的安全和通畅，隧道间设置了车行横道和人行横道，其中车行横道与主隧道为斜交，交叉角度为60°，隧道交叉的高度范围8m，车行横道开挖宽度与主隧道衬砌净空断面宽度设置如下图1所示。

图1：横通道和主洞交叉示意

1、具体施工方案：横向通道与主隧道相交的位置的三通区域为三维空间，其受力结构十分复杂，施工设计时认为可以采用两种方案进行施工，一种是主隧道开挖完成后进行初期支护，随即进行横向通道开挖和初期支护，最后统一进行衬砌；一种是主隧道开挖完成后进行常规施工，即完成衬砌然后进行横道开挖。经过对方案的比较，第一种在地质情况良好且安全维护工作到位时，具备一定的优势，初期支护作为一种柔性的支护可以释放变形，对隧道衬砌施工的合理改进较为有利；对于地质状况较差的则应采用主隧道施工完成后进行横道开挖，可以保证施工安全，但是施工对主隧道的衬砌必然会造成二次变形和载荷状态改变。而工程中隧道的地质结构为黄褐色湿性粘土，其含水量较大超过了30%，天然密度较小。隧道的围岩构成较为单一，综合分析地质情况较差，所以只能采用第二种方案对横洞进行施工，其主要是为了保证主隧道的安全。横洞开挖采用多台阶施工，以此减少对围岩的扰动，完成后进行初期支护。

2、主隧道衬砌监控：为了在施工中量化横道施工对主隧道衬砌的受力与变形的影响，在主隧道施工时埋深了检测元件，对其受力与形变进行数据采集。即在隧洞的下行车道横通道两侧分别设置了断面检测点，测量的项目包括了初期支护与衬砌之间的压力改变，衬砌混凝土的应力、钢筋应力、净空收敛、拱顶下沉等参数，分别按照30°为间隔设置不同的检测元件，两侧拱脚和仰拱各个位置的衬砌内、外侧埋设了振弦式混凝土应变计和钢筋应力计，主要监测目标是横通道施工过程中对主隧道的衬砌力学形态的影响；在衬砌两侧还埋设了净空收敛的监测装置，主要是监测隧洞净空的改变；同时预埋了全站仪的测点，利用全站仪对隧洞的拱顶形状改变进行监测，具体的测点布置如下图2所示。

图2：监测测点布置

横通道施工对主隧道衬砌的影响分析

主隧道施工衬砌施工完成后，在预先设定的横道位置拆除初期支护，然后对横道进行阶梯式施工，分为三个台阶开挖并进行初期支护。开挖进尺的按照上中下三个阶段进行逐次开挖，并配合统一的进尺比例。在研究中为了简化计算量，更好的分析其对衬砌的变形与应力影响，分析中仅仅利用前12m的范围进行计算和模拟。得出结论如下：

1、衬砌的形变规律：交叉施工位置初期支护拆除并进行横道施工的过程中，主隧道衬砌发生的形变可以总结为横向与竖向，而观测中横向位移较小，基本不会造成负面影响。交叉位置初期支护拆除与横道施工时主隧道衬砌的位移按照测点观测的数据分析，其表现为上部下沉，下部隆起；从模拟分析中可见主隧道衬砌上部向下产生了位移而下部则向上产生位移。分别对其衬砌拱顶和侧墙进行了监测，并对三个控制点的数据进行了统计与对比，详情见表:1，其中取XK89+076，XK89+081和XK89+086三个点为拱顶的测控点，分析其水平与垂直方向上的形变数值，其中XK89+076和XK89+086点为墙侧控点，其体现的横向变化数值将帮助分析水平向位移。

表1：衬砌随横通道开挖变形数值

从上面的表格中可以总结，主隧道的衬砌在变形中其突出的是垂直方向的形变规律，其最大幅值近12mm；隧道衬砌的下部在开挖中形成的最大水平形变为6.43mm；在测点XK89+076位置，拱顶的下沉与水平收敛变形明显大于测点XK89+086位置，这就说明横道施工对主隧道衬砌变形的影响是交叉口锐角侧大于钝角的一侧(斜角情况如图1）；在开挖过程中达到7m深处，隧洞衬砌顶拱下降达到最高，然后下沉的趋势有所缓和，而水平向位移则在4m位置最大，其后逐渐变小。从上面分析可以总结衬砌变形的规律如下：横向通道施工会直接导致主隧道衬发生形变，且范围较大；通过测量数据分析其变形在该工程中为不对称变形，因为是斜角交叉，其锐角侧变形大于钝角侧，且交叉位置的局部形变较大；横通道施工的初期对主隧道的衬砌影响最为剧烈，但是随着横通道的深入则对主隧道衬砌的影响呈现较小趋势。

开挖中衬砌的应力特征：横向隧道开挖主要破坏的是主隧道的成拱效应，同时对交叉位置的衬砌产生了集中应力干扰。如前分析其开挖至7m是产生的影响最大。此时主隧道在交叉口产生的集中应力沿着轴线向外进行不规则分布。通过对交叉位置应力改变的监测，可以利用交叉位置最大的应力与交叉部分以外没有受到的影响的应力来进行对比分析，由此就可以说明其施工中产生的应力对衬砌的影响程度。如图表2。

表2：主隧道衬砌应力影响分析

注：σmax：交叉部范围最大主应力值；σu：为交叉部外未受影响主应力值

从上表中可见，横通道施工使得主隧道衬砌在交叉位置产生的应力呈现集中状态，且锐角侧的应力大于钝角侧的应力值，同时在交叉口的上下方向也产生了较大的应力集中情况。

衬砌受力的具体情况分析：在施工中利用测点对断面的多个位置进行了应力检测，所得数值为混凝土应力与钢筋应力。检测的结果表明，在开挖一段距离后，横道对衬砌的影响将发展为稳定趋势，取得稳定后的应力值按照钢筋混凝土矩形构件分别可以获得截面安全系数。衬砌结构各个位置的安全系数如下表3所示。

表3：衬砌各个位置的安全系数

从上表中可见：XK89+076和XK89+086测点中断面各个部位的安全系数从8.8-48和12-58不等，且其都已经超过了钢筋混凝土结构的安全系数2.0，这说明断面的不同位置的强度设计可以满足施工需求，衬砌从整体看是安全的。通过比对锐角侧和钝角侧测点的安全系数值，可以发现：交叉口锐角侧的衬砌安全系数相对与钝角侧略小；锐角侧的衬砌结构最小安全系数出现在顶拱测点，钝角侧的最小安全系数则为墙边测点。

结束语

通过前面的监测结果可知，横通道在施工中对主隧道衬砌的影响呈现的是不对称形态，其变形规律为锐角侧大于钝角侧，且有使得交叉口扩大的趋势，但是其影响随着横通道的深入则趋于稳定，即影响减小。同时其应力特征表现为锐角侧安全系数相对小，其危险点为拱顶，所以在采用衬砌施工后进行横道施工，必须注意对锐角侧拱顶的监测与防护加强。

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注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。