地下风机房多道分岔全断面一次性施工影响分析——以苏州国际快速物流通道二期工程长江路南延工程为例

Analysis of the Impact of One-Pass Full-Section Construction for Multiple Bifurcations in an Underground Ventilation Station： A Case Study of the Yangtze River Road South Extension Project， Phase II of the Suzhou International Rapid Logistics Corridor

摘要

本研究针对地下风机房多道分岔全断面一次性开挖施工的重点难题，以苏州国际快速物流通道二期工程——长江路南延工程为背景，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，分析地下洞群、交叉连接段、大跨地下风机房的空间结构受力特征、变形特征、围岩的变化规律，验证了该工法的可行性，可为类似条件下的地下工程设计和施工提供可借鉴的经验和参考。

Abstract

For the key issue of one-pass full-section excavation construction of an underground ventilation station with multiple bifurcations， this study takes the Suzhou International Rapid Logistics Corridor Phase II Project—Yangtze River Road South Extension Project as the engineering background. Given the structural complexity of the underground caverns in the ventilation station， the structural unit containing the main cavern is selected， and a three-dimensional numerical model is established. The model is used to analyze the spatial structural response， deformation characteristics， and surrounding rock evolution of the underground cavern group， with emphasis on the cross-section and large-span connection sections of the ventilation station. The analysis verifies the feasibility of the proposed construction method and can provide valuable references for the design and construction of similar underground projects under comparable conditions.

Graphical abstract

关键词

地下风机房 / 多道分岔全断面一次性开挖 / 数值模拟 / 土体位移 / 应力分析

Key words

underground ventilation station / one-pass full-section excavation of multiple bifurcations / numerical simulation / soil displacement / stress analysis

0 引 言

近年来，随着国民经济的迅猛发展，交通隧道、地下厂房等地下工程越来越多，并向“长、大、深”的趋势发展^［1］。为满足施工时加快进度，以及后期营运时通风、逃生救灾等的要求，需要在特长公路隧道修建中设置大量的斜竖井、风机房和联络风道等辅助通道，这些辅助通道已成为特长公路隧道施工、运营中的关键部分。辅助通道与主洞的连接中，出现了各种各样的交叉连接通道以及地下洞群，如竖井与主洞连接处的马头门、地下风机房与各种通道形成的地下洞群、跨主洞的排风道、变电站横洞与主洞的交叉段、人行横道及车行横道与主洞的交叉段等。地下洞群及交叉段施工力学复杂，开挖难度大，具有明显的三维空间效应，所以有必要通过数值模拟来掌握地下洞群、交叉连接段、大跨地下风机房的空间结构受力特征、变形特征，以及围岩的变化规律。

目前，不少学者在地下风机房综合施工技术方面开展了大量的数值研究。杨林德等^［2］通过模拟研究龙滩水电站地下厂房巨型地下洞室群，提出了随着主隧道的开挖，交叉段围岩的变形具有明显的不对称性。张强勇等^［3］以沪蓉西高速公路大型分岔隧道为背景，通过模型试验及数值模拟分析揭示了分岔隧道洞周围岩的应力、应变变化规律及围岩的破坏机制。周艺等^［4］以四川省杜家山千枚岩隧道为依托，通过现场试验与数值模拟研究了隧道在7种不同施工工法下开挖后的围岩-结构变形及力学特征，分析了隧道结构的安全性和围岩稳定性。翟正平^［5］根据宝塔山隧道地下风机房洞室群的布置和洞室大小等情况确定了洞室群总体施工顺序，根据地下风机房的地质条件，针对送、排风机房特大断面特点，制订了安全可靠的施工方案。袁飞^［6］以云山隧道辅助通道设计为例，提出了采用斜井设置缓坡段与调头洞相结合、联络风道与主洞交叉段一体化的设计方法，可在不增加辅助通道长度及断面大小的基础上，妥善解决施工及通风问题。郝志荣等^［7］结合六盘山特长公路隧道地下风机房设计方案，在满足通风所需断面尺寸要求的前提下，考虑施工方便性、经济性等问题，对地下风机房的优缺点进行了全面分析并提出了优化方案。尉洪利等^［8］结合正在施工的狮子坪隧道地下风机房及联络风道交叉口项目，充分兼顾施工经济合理性和支护结构安全稳定性，总结了一套地下风机房及联络风道交叉口施工技术。

本文基于苏州国际快速物流通道二期工程——长江路南延工程，重点进行地下风机房多道分岔施工力学性能研究，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。

1 工程概况

长江路南延工程项目起于宝带西路以北，主线沿现状长江路线位，向南以隧道形式下穿宝带西路、七子山，线路全长6.428 km，其中隧道长6.14 km，属特长隧道。本工程地下风机房建筑面积为1 481.8 m²，布设风机房、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。图1为地下风机房与左右线隧道示意图，图2为连接通道剖面示意图。

地下风机房涉及6种不同的通道，断面形式达11种，存在15个交叉体系，4处由小断面渐变成大断面，3处由大断面转换成小断面。各洞室在狭小空间范围内存在交叉对接，且断面大小变化频繁，结构复杂，需要在狭小的空间内保证多洞室的施工安全，施工难度大、风险高。本次研究采用大型有限元分析软件，针对本工程地下风机房的施工，展开对周围土体位移以及应力分布的数值模拟分析。

2 模型建立

2.1　计算模型

地下风机房在施工过程中，多种因素相互作用，使得斜井与主洞交叉部位的围岩位移、应力变化十分复杂。为了较准确地了解交叉部位围岩位移场和应力场的变化情况，利用有限元软件对其进行模拟研究。

本次数值计算采用的有限元模型如图3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。

在数值模拟分析中遵循了以下原则：

（1） 模型采用Ducker-Prager屈服准则进行计算。

（2） 不考虑岩体中的节理裂隙，将隧道围岩视为单一、均匀、连续介质。

（3） 不考虑构造应力作用，初始应力场只考虑自重应力场。

（4） 忽略地下水的影响。

（5） 围岩及待开挖土体视为各项同性材料，采用Mohr-Coulomb弹塑性3D实体单元模型计算；隧道衬砌支护视为各项同性材料，采用2D板单元模型计算；预应力锚杆等支护锚杆采用1D线单元模型计算。

（6） 模型受到的约束条件为：左右、前后边界为水平约束，下边界为竖直约束，上边界为自由边界^［9］。

2.2　模型物理参数的选取

该模型中涉及的物理参数见表1。

2.3　施工方法

本计算模型施工分为三个阶段。施工阶段有限元模型网格如图4所示。

第一阶段为右线标准段隧道开挖，标准段隧道开挖拟采用“三台阶”法，三层台阶相互之间保持30 m的距离，开挖过程伴随锚杆及初期支护的施作，以减少围岩位移变形。

第二阶段为在右线标准段隧道贯通完成后，左线标准段隧道继续开挖，开挖同样采用“三台阶”法，三层台阶相互之间保持30 m的距离，开挖过程伴随锚杆及初期支护的施作，以减少围岩位移变形。

第三阶段为双线标准段贯通完成后，继续完成斜井部分及地下风机房施工，开挖采用全断面一次性开挖，开挖区域包括风机房、配电室、斜井、检查通道、运输通道、左线通风管道及右线通风管道。开挖过程伴随初期支护的施作，以减少周边围岩位移变形。

3 数值模拟结果分析

3.1　隧道开挖周围土体位移变形分析

图5（a）为右线标准段开挖支护完成后总位移云图。由图5（a）可知，土体整体最大位移出现于右线标准段隧道上部围岩土体，位移最大值为55.2 mm；其次位移最大值出现于隧道下部土体处，位移最大值为19.1 mm；右线隧道紧挨的两侧土体均出现相对较大位移，位移值为8 mm。地表最大位移整段出现于隧道正上方地表处，位移值为10.2 mm。

图5（b）为左右双线隧道标准段开挖支护完成后总位移云图。由图5（b）可知，土体整体最大位移出现于左右线标准段隧道上部围岩土体，位移最大值为15.8 mm；其次位移最大值出现于左右线隧道下部土体处，位移最大值为19.1 mm；右线隧道紧挨的两侧土体均出现相对较大位移，位移值为14.3 mm。地表最大位移整段出现于双线隧道正上方地表处，位移值为12.7 mm。模型整体沉降位移关于两隧道连线中线对称，整体位移右线大于左线。

图5（c）为地下风机房系统开挖完成后整体模型总位移云图。由图5（c）可知，整体最大位移出现于左线标准段隧道上部围岩土体，位移最大值为18.2 mm；其次位移最大值出现于左右线隧道下部土体处，位移最大值为10.4 mm；左右线隧道紧挨的两侧土体均出现相对较大位移，位移值为14.3 mm。地表最大位移整段出现于双线隧道正上方地表处，位移值为12.7 mm。模型整体沉降位移关于两隧道连线中线对称，整体位移右线大于左线。斜井进口部分上下侧围岩位移较小，最大位移为9.2 mm。地表最大位移为9.3 mm，地表最大位移位于双线隧道上方地表处土体。两隧道间土体扰动较小，位移最大值为6 mm。

3.2　隧道开挖周围土体水平应力分析

图6（a）为第一阶段水平应力云图。由图6（a）可知，第一阶段右线标准段隧道开挖完成后，右线标准段隧道周围未开挖土体水平应力的最大值出现在右线标准段隧道下部围岩土体处，其次右线标准段隧道左下以及右下围岩土体也有部分水平应力的分布。

图6（b）为第二阶段水平应力云图。由图6（b）可知，第二阶段左线标准段隧道开挖完成后，左右线标准段隧道下部围岩土体均出现较大水平应力值，最大水平应力值出现在左线标准段隧道下部围岩土体，左右线标准段隧道左下以及右下围岩土体均有部分水平应力的分布。

图6（c）为第三阶段水平应力云图。由图6（c）可知，第三阶段斜井部分及地下风机房施工完成后，左右线标准段隧道以及斜井下部围岩土体均出现较大水平应力值，最大水平应力值出现在左线标准段隧道下部围岩土体，左右线标准段隧道左下以及右下围岩土体均有部分水平应力的分布。

3.3　测线处沉降变化分析

在本风机房及双线隧道有限元模型中分别布置4条测线，测线1为地表沉降位移测线，测线2为双线洞口围岩沉降测线，测线上分别等距布置了12个测点A1—A12、B1—B12；测线3与测线4分别为左右线隧道拱顶围岩沉降测线，测线上分别等距布置了9个测点L1—L9、R1—R9。沉降测线布置如图7所示。测线1—4处土体沉降变化曲线如图8所示。

由图8（a）可知，施工三个过程中，测线1整体总位移随着施工的进行部分测点逐步增大，位移增大最明显的区域为A6—A9测点，对应位置为左线右线隧道正上方地表。最大位移测点为A6测点，最大位移值为10 mm，对应位置在右线上方地表处。A1—A4及A10—A12区段三个阶段总位移变化不大，A7测点由第一阶段最大值1.5 mm，增大至第二阶段8 mm，增幅为430%，从第二阶段至第三阶段，整体测点总位移变化不大。

由图8（b）可知，施工三个过程中，测线2整体总位移随着施工的进行部分测点逐步增大，位移增大最明显的区域为B7—B10测点，对应位置为左线右线隧道正上方地表。最大位移测点为B4测点，最大位移值为20 mm，对应位置在右线上方围岩。B1—B4及B10—B12区段三个阶段总位移变化不大，B8测点由第一阶段最大值2 mm，增大至第二阶段16 mm，增幅为700%，从第二阶段至第三阶段，整体测点总位移变化不大。

由图8（c）可知，施工三个过程中，测线3整体总位移随着施工的进行部分测点逐步增大，位移增大最明显的区域为R5—R7测点，对应位置为左线隧道中部拱顶位置。最大位移测点为R1及R9测点，最大位移值为20 mm，对应位置为进口及出口处隧道拱顶测点。

由图8（d）可知，施工三个过程中，测线4整体总位移随着施工的进行部分测点逐步增大，位移增大最明显的区域为L3—L6测点，对应位置为左线隧道与右线通风管道、左线通风管道交接区域。最大位移测点为L1及L9测点，最大位移值为18.5 mm，对应位置为进口及出口处隧道拱顶测点。

4 结 论

本章以苏州国际快速物流通道二期工程——长江路南延工程斜井部分地下风机房施工阶段为依托，基于数值模拟，并对隧道周围土体位移以及应力分布进行了分析，得出以下主要结论：

（1） 左右双线标准段隧道贯通阶段，土体整体最大位移出现于左右线标准段隧道上部围岩土体，其次位移最大值出现于左右线隧道下部土体处，右线隧道紧挨的两侧土体均出现相对较大位移。地表最大位移整段出现于双线隧道正上方地表处。模型整体沉降位移关于两隧道连线中线对称，整体位移右线大于左线。因此，要加强右线标准段隧道衬砌的强度，确保符合设计的要求。

（2） 双线隧道贯通后，地下风机房系统进行开挖过程中，对双线隧道中左线隧道位移影响更大，从测线2可以看出，隧道洞口处水平位移增大最明显的区域为B8—B10测点，对应位置为左线隧道上方围岩，因此，在双线贯通后，地下风机房系统进行开挖过程中，要更加注意左线标准隧道上方围岩的位移，确保施工安全有效进行。

（3） 左右双线标准段隧道与各类管道接口区域均出现较大位移，在实际施工需重点关注该类位置，在三个阶段中，隧道衬砌均出现上部沉降、下部隆起的变形特点，可适当加强拱腰处锚杆强度，避免锚杆支护失效，造成围岩扰动问题。

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基金资助

中铁隧道集团二处有限公司项目课题