1. 引言
近年来，随着国民经济的迅猛发展，特长公路隧道的规模和数量也在日益增多。为满足营运通风、逃生救灾要求以及加快施工进度，在特长公路隧道修建中会出现大量的斜竖井、风机房和联络风道等辅助通道，辅助通道已成为特长公路隧道施工、运营中最为关键的部分。其中地下风机房具有断面多、跨度大、结构复杂、洞室交叉多、群洞效应明显等特点，需要在设计及施工中重点考虑[1]-[4]。张志强等[5]以万梁高速公路马王槽1#隧道为依托，对主隧道与车行横通道组成的空间交叉结构进行了施工过程中的结构力学研究，并对衬砌结构的受力进行了监测和分析，但是由于该工程地质状况较好，衬砌在横通道贯通后施作，衬砌结构受力较小。房旭[6]主要开展了PBA洞桩法新建地铁车站与既有地铁车站相交形成的空间交叉结构在施工过程中的变形和受力分析，优化了施工方案。张建新[7]分析了车站交叉区段结构稳定性及安全系数，结合实际工程提出了进洞方案和施工加固措施。黄明利等[8]依托重庆北站交叉隧道工程，开展了交叉隧道施工过程力学及变形仿真分析，并与监测值进行对比分析，验证了施工方案的合理性。付浪喜[9]以开挖兴业快线(北段) 1#竖井地下风机房为例，提出“三步开挖法”，顺利完成了地下风机房的开挖施工。
综上所述，目前研究更聚焦于各类管线交叉位置处结构稳定性，未考虑交叉体系的整体施工对于相邻管线及隧道的影响。
本文以苏州长江路南延工程的风机房、配电房、联络风道、设备运输通道、人行检修通道、辅助施工通道等多种洞室为研究对象，分析各隧道洞室之间相互作用影响规律以及对地表沉降影响规律，针对风机房地下洞群结构的复杂性，选取包含风机房主体洞室的结构单元，建立三维数值模型，采用有限元法，研究地下风机房施工过程中的围岩位移、初支结构与围岩间的相互作用力以及支护结构的受力情况。为类似工程建设提供一定的理论及技术保障[10]。
2. 工程概况
2.1. 工程特点
本工程地下风机位于国家级生态管控区，不具备地面设置风机房条件，因此将风机房放置在地面以下，为本工程通风排烟设置的地下风机房建筑面积1481.8平方米，开挖高度15.82 m，是国内工程规模最大的地下风机房。工程示意图如图1所示。
本工程地下风机房有如下特点：
(1) 建筑面积1481.8 m2；
(2) 6种不同的通道类型；
(3) 11种断面型式；
(4) 15个交叉体系；
(5) 各隧道洞室之间间距小，隧道上下交错，各隧道相互之间影响大。
Figure 1. Schematic diagram of the underground fan room system
图1. 地下风机房系统示意图
2.2. 地下风机房设计情况
地下风机房根据结构功能及断面形式，共有地下风机房、配电房、联络风道、设备运输通道、人行检修通道、辅助施工通道等几种断面形式，围岩主要由IV级和V级围岩。其中，地下风机房开挖断面面积最大，约211 m2，其次为联络风道扩大端，开挖面积约210 m2。斜井及地下风机房平面布置图如图2所示，A-A、B-B、C-C断面如图3、图4、图5所示。
Figure 2. Inclined shaft and underground fan room layout plan
图2. 斜井及地下风机房平面布置图
Figure 3. Schematic A-A section of inclined shaft and underground fan room
图3. 斜井及地下风机房A-A剖面示意图
Figure 4. Schematic B-B section of inclined shaft and underground fan room
图4. 斜井及地下风机房B-B剖面示意图
Figure 5. Schematic C-C section of inclined shaft and underground fan room
图5. 斜井及地下风机房C-C剖面示意图
3. 数值模拟分析
3.1. 基本假定
数值模拟基于以下基本假定：
(1) 各土层模型视为各项同性材料，采用Mohr-Coulomb弹塑性模型计算，仅考虑初期支护，不考虑二衬作用。
(2) 岩体初始地应力不考虑构造应力，仅考虑自重应力。
3.2. 数值模型建立
由圣维南原理可知，隧道洞室的施工对围岩的扰动范围有限，通常由于隧道施工导致洞室周围岩体在各个方向上应力重分布的距离为洞室直径的3~5倍长度内[11] [12]。本次数值计算采用地层结构模型，示意图如图6所示。为了尽可能消除边界效应的影响，模型两侧到隧道轴线的距离取300 m，模型下侧到隧道底部的距离取70 m，模型上侧到隧道顶部的距离取隧道实际埋深(47 m)。在该计算模型中，用3D实体单元模拟隧道开挖土体及周边围岩。2D板单元模拟初期支护，1D线单元模拟锚杆，整个模型共143,308个单元，78,053个节点。整体未开挖有限元模型网格如图6所示，地下风机房与双线隧道有限元模型网格见图7及图8。
Figure 6. Overall unexcavated finite element model grid (in m)
图6. 整体未开挖有限元模型网格(单位：m)
Figure 7. Finite element model mesh for underground wind turbine rooms and two-lane tunnels
图7. 地下风机房与双线隧道有限元模型网格
Figure 8. Finite element model mesh for underground wind turbine room and two-lane tunnel to be excavated
图8. 地下风机房与双线隧道待开挖有限元模型网格
3.3. 模型参数选取
苏州长江路南延工程风机房三维数值模型计算参数见表1。
Table 1. Three-dimensional numerical model parameters
表1. 三维数值模型参数
| 土体 |
层厚(m) |
容重(KN/m3) |
弹性模量(MPa) |
泊松比 |
内摩擦角(˚) |
粘聚力(KPa) |
| 粉质黏土 |
9.6 |
17.8 |
10.0 |
0.32 |
25 |
50 |
| 中风化砂岩 |
10.0 |
20.0 |
18.0 |
0.35 |
31 |
64 |
| 初支喷混 |
—— |
22.0 |
28,000 |
0.20 |
—— |
—— |
| 预应力锚杆 |
—— |
21.0 |
28,000 |
0.20 |
—— |
—— |
3.4. 模型工况选取
为了进行比对选取最优的地下风机房开挖顺序，本模型设置了两种施工工况，对比分析不同开挖顺序下风机房交叉接口及风机房拱顶扰动最小的开挖方法。
Figure 9. Condition 1 excavation
图9. 工况1开挖
工况1施工顺序：设备运输通道→地下风机房开挖支护→配电房开挖支护→配电房检修通道、风机房检修通道→左线联络通道小导洞进洞→左线联络风道→右线联络风道。
Figure 10. Condition 2 excavation
图10. 工况2开挖
工况2施工顺序：左线联络通道小导洞进洞→地下风机房开挖支护→配电房开挖支护→设备运输通道→左线联络风道→右线联络风道→配电房检修通道、风机房检修通道。
4. 计算结果分析
4.1. 初期支护位移沉降分析研究
工况二为实际施工工况，以工况二数值模型为研究对象，图11，图12为地下风机房系统施工完成后，风机房系统及隧道初支总位移云图。由图11可知，双线隧道初支整体最大位移出现于左右线标准段隧道下部初支支护，位移最大值为21 mm，向上隆起，最大沉降值出现于双线隧道上部初期支护处，位移最大值为16 mm，双线隧道两侧初支位移相对较小，位移值为10 mm。
由图13可以看出，左线隧道与五种连接通道及右线与通风管道处初支位移较大，位移最大值为42 mm，需加强上部、下部及隧道与连接通道接口处初支强度，避免初支支护弱造成围岩扰动问题。风机房系统初支位移最大值位于风机房与上下检查通道、右线通风管道及左线通风管道交接处。位移最大值为42.17 mm，风机房与运输通道交接处位移相对较小，位移值为7 mm。
Figure 11. Overall initial support displacement map
图11. 整体初期支护位移云图
Figure 12. Displacement map of the fan room system
图12. 风机房系统位移云图
Figure 13. Two-line large-span displacement cloud map
图13. 双线大跨位移云图
4.2. 风机房与管道交叉口拱顶处位移沉降分析研究
在风机房及双线隧道有限元模型中分别布置了5个测点，以对比监测数值模型中位移变形，测点1为风机房与风机房检修通道交叉口拱顶测点、测点2为风机房与左线大跨通风管道交叉口拱顶测点、测点3为风机房与右线大跨通风管道交叉口拱顶测点、测点4为风机房与运输管道交叉口拱顶测点、测点5为风机房与配电室检修通道交叉口拱顶测点。测点布置图如图14所示。
Figure 14. Schematic diagram of vault displacement measurement points at the intersection of wind turbine room and pipeline
图14. 风机房与管线交叉口拱顶位移测点示意图
Figure 15. Condition 1 displacement map
图15. 工况一位移云图
Figure 16. Condition 2 displacement map
图16. 工况二位移云图
图15与图16分别对应工况一与工况二开挖下风机房与五个管道交叉口位移变形云图，由两图对比可以看出，工况一中由于先进行测点4对应管道的开挖，后进行风机房整体开挖，后续开挖过程中，测点4对应的设备运输管道已经完成初期支护，趋于稳定，后续施工开挖对其影响扰动小，最终完工后，测点4区域位移变形小。工况二中，由于先进行整体的风机房开挖，后贯通各类管道，导致各类管道交叉位置处均出现了不同的位移变形，因此，在工况二“先整体，后局部”的开挖方式中，要着重注意进行各类管道开挖时，交叉口处位移变形。
同时，对比两个工况下位移变形云图，各类管道与相邻的左线大跨交接处的位移基本一致，最大位移分别为42.17与42.07 mm，两种工况下施工开挖完成后，位移最大值相差较小，局部位移相差较大，最明显区域位于测点4位置处。
由图17可以看出，5个测点在施工开挖完毕后，工况一下最大位移测点为测点3，对应右线通风管道拱顶，工况二下最大位移测点为测点4，对应设备运输管道。工况一与工况二条件下，测点4的位移分别为8 mm与12.5 mm，增幅为56.3%。测点1、2、3、5位移相差较小。
Figure 17. Displacement comparison curves for two working conditions
图17. 两种工况位移比对曲线
4.3. 风机房拱顶处位移沉降分析研究
风机房主体高度大，拱顶沉降需要着重监测，因此，本节中在风机房拱顶位置处布置10个测点，以对比监测数值模型中两种开挖工况下风机房拱顶位移沉降。风机房拱顶位移测点布置示意图如图18所示。
Figure 18. Schematic layout of wind turbine room vault displacement measurement points
图18. 风机房拱顶位移测点布置示意图
Figure 19. Condition 1 displacement map
图19. 工况一位移云图
Figure 20. Condition 2 displacement map
图20. 工况二位移云图
图19与图20分别对应工况一与工况二开挖下风机房拱顶位移变形云图，由两图对比可以看出，整体施工完成后，两种工况下拱顶变形差别不大，10个测点中，位移沉降最大区域为测点4区域，该拱顶位置区域为右线通风管道与风机房交接区域，考虑到两种工况中，最后施工的均为右线通风管道，因此，在最后的施工阶段里，右线通风管道对风机房主体的沉降位移影响不容忽略。
由图21可以看出，两种工况下，拱顶10个测点位移变形趋势一致，最大位移均位于第四测点处，两种工况下风机房拱顶沉降相差很小。D1~D5范围内，工况一大于工况二；D6~D10范围内，工况二大于工况一。
Figure 21. Displacement comparison curves for two working conditions
图21. 两种工况位移比对曲线
4.4. 锚杆受力分析研究
图22为地下风机房系统施工完成后双线锚杆轴力应力云图。由图22可知，锚杆整体最大轴力出现于左右线标准段隧道拱腰两侧锚杆，锚杆轴力应力最大值为1.51 KN/mm−2，位于锚杆与围岩接触部分，拱顶及最下部锚杆轴力较小，最大值为0.13 KN/mm−2。
Figure 22. Displacement comparison curves for two working conditions
图22. 两种工况位移比对曲线
5. 结论与探讨
(1) 本文针对多道分岔风机房系统，通过设置两种不同开挖顺序的数值模拟工况，对比研究更优的开挖方式。针对该工程，工况二“先整体，后局部”开挖方式对周边土工环境影响不大，但两种工况对比下，可以看出，先贯通“局部”可以有效减小后续管道施工对其影响扰动，结合实际工程，可以优先考虑各类管道优先贯通后，再进行整体风机房的分区分块开挖。
(2) 在大跨隧道施工过程中，锚杆的轴力最大值分布均匀，最大值区域均位于左右线标准段隧道拱腰两侧锚杆，因此，在实际施工中，结合实际现场与数值模拟结果，对该区域锚杆强度适当增加，以增强支护效果，减少围岩扰动。
(3) 从两种工况对应的位移云图可知，位移扰动最明显的区域位于风机房或大跨隧道与各类管道交接位置处，该位置施工时，尽可能增添支护措施，防止围岩变形错位等问题出现。
本文通过模拟双线大跨隧道及附属风机房系统，以表明实际施工方案的合理性，本文中并未考虑地下水影响、二衬的支护作用，后续研究可根据上述提出的不足深入研究，以达到更好的数值模拟结果。