摘 要：以贵州某地下人防工程为工程背景，针对交叉洞室衬砌多为素混凝土结构、内部空间大、结构复杂的特点，施工过程极易发生上部坍塌等问题，通过仿真计算分析与现场监测验证，提出了一种运用于交叉段衬砌拆除与加固的“V形开槽、骨架先行，分段施工”的施工方法，围岩扰动得到有效控制，保证了交叉段洞室的顺利施工，可为以后类似工程提供参考。
关键词：隧道工程;素混凝土;交叉洞室;衬砌拆除;V形开槽;
基金：中国博士后科学基金面上项目，项目编号2017M622929;贵州省科技厅2020年度贵州省基础研究计划，项目编号黔科合基础[2020]1Y250;贵州省科技厅2020年度贵州省科技支撑计划项目，项目编号黔科合支撑[2020]2Y036号;
我国修建了大量的隧道[1],例如交通隧道、引水隧洞、人防工程等。随着经济与科技的高速发展，原有规模和等级的隧道越来越难以满足使用要求。近年来，国家每年需要投资大量资金新建或改扩建许多隧道，隧道工程结构形式呈现多样化，交叉大断面隧道得到应用推广。隧道交叉区段具有结构受力复杂、彼此间交叉影响、施工工序繁多等特点，故对断面开挖、交叉区段围岩加固、现场监控量测等方面都有较为严格的要求。针对以上特点，如何提出有效的处治措施，选择合理的施工方法以及适宜的施工器材，保证工程的安全，提高隧道工程的耐久性和可靠性[2],是隧道以及地下工程施工人员所面临的首要问题。目前，境内外对隧道交叉段衬砌拆除与加固展开了诸多研究，Takinok[3]等在对隧道交叉段的施工分析认为，因开挖联络通道时截断了主洞室的钢拱架与初期支护而易导致发生坍塌等灾害。朱维申[4]等通过对交叉段进行数值模拟，得到交叉段受力最不利位置在交叉处拱顶和边墙与仰拱相交的角隅处。史彦文[5]等通过有限元软件模拟了交叉段施工全过程，并对其二衬进行了受力分析，对交叉段施工有很好的指导作用。彭泽森[6]等采用数值模拟对两种方法隧道衬砌爆破拆除方案安全性进行研究，得出合适的衬砌爆破拆除方案。刘辉喜[7]等采用MIDAS软件从衬砌变形、弯矩和轴力分析了交叉隧道施工的安全性。刘志强[8]等利用有限元软件模拟和现场的监测数据分析，对既有隧道衬砌受力和变形进行研究，并提出了相对应的加固措施。张建宇[9]等依托重庆轨道交通某区间隧道与施工通道形成的交叉断面特征，建立了三维有限元数值模型，分析了交叉段围岩位移、应力特征及塑性区特征，并结合现场监控量测资料，研究交叉段围岩应力分布和位移变化趋势，为隧道交叉段的设计、施工提供科学依据，对同类工程具有一定的参考价值。夏润禾[10]等依托兰渝铁路两水隧道项目，针对具有极高安全风险的衬砌拆除换拱施工，采用短拆除、快支护、设置临时套拱、打设锁脚锚管以及快速紧跟隧道二次衬砌等措施，可以进一步降低和控制安全风险。但目前缺少对既有交叉洞室衬砌拆除与加固系统的施工方法。
本文以贵州省某地下人防工程为背景，对既有交叉洞室衬砌的拆除与加固方法进行了系统研究。
贵州某地下人防工程项目为省级人防指挥所暨国防动员首脑指挥工程项目，位于贵州省中部，地处云贵高原东斜坡上，属于东部平原向西部高原过渡地带。根据钻探成果及地表调查，隧道经过地段按地层时代新老关系自上而下依次为第四系覆盖土层(Q)、三叠系中统杨柳井组三段(T2yl3)。其中(1)红黏土(Qel+dl),位于隧道地表层，厚度0～3.3 m。(2)白云岩(T2yl3):①强风化白云岩：岩芯呈块状、砂状，岩石属软岩，岩体破碎，岩体基本质量等级为V级，厚度2.0～3.9 m。②中风化白云岩：岩体较破碎，岩芯呈柱状、短柱状、块状、砂状等。岩石饱和单轴抗压强度标准值为35.0 MPa,岩石为较硬岩，岩石强度较高；岩体基本质量等级为Ⅳ级。
本研究对既有等截面交叉洞室改扩建施工进行优化，其结构断面见图1,由于贵阳人防工程修建时间较早，衬砌均为素混凝土结构，厚度40 cm。
图1 等截面交叉口示意
单位：mm
由于交叉洞室段的特殊性，提出了先在交叉段开V形槽，再沿开槽中线对称分段施工的衬砌拆除方法，根据实际工程采用MIDAS软件对拆除方法进行数值模拟，模型见图2,长100 m,高80 m,纵深80 m,洞室埋深为实际情况25.4 m。模型的上部为自由边界，侧面与底面均为法向约束边界，初始应力按自重应力场。岩土体为Ⅳ级围岩，从上往下依次为红黏土、强风化白云岩、中风化白云岩。其他相关参数的取值结合了现场施工实际的同时，又考虑了最不利工况，材料的物理力学参数见表1。
图2 数值模拟模型
表1 材料的物理力学参数
| 重度kN/m3重度kΝ/m3 | 摩擦角(°)摩擦角(°) | 黏聚力kPa黏聚力kΡa | 弹性模量MPa弹性模量ΜΡa | 泊松比 |
| 17.1 | 10 | 30 | 18.1 | 0.33 |
| 27 | 30 | 300 | 1 000 | 0.18 |
| 26.64 | 40.9 | 304 | 1 500 | 0.27 |
| 23 | / | / | 20 000 | 0.2 |
| 7 850 | / | / | 200 000 | 0.22 |
衬砌拆除步骤为先拆除衬砌1、2,然后按照每次拆除2 m依次拆除到12,见图3。竖向位移、水平位移见图4,由图4可以看出，围岩在Z方向最大位移发生在主洞室中间的仰拱，最大值为3.125 cm; 围岩在X方向最大位移发生在主洞室与联络通道交叉的拱腰处，最大值为0.296 cm。
图3 衬砌拆除步骤
图4 竖向位移、水平位移云图
衬砌拆完后第一主应力与第三主应力云图见图5和表2。由图5可以看出，最大主应力都发生在主洞室与联络通道相交的三角区，因此在洞室施工时可将该三角区的棱角处理圆滑，减小出现应力集中。
图5 第一、第三主应力云图
表2 最大主应力数值 MPa
衬砌拆除步骤 | 最大第一主应力 | 最大第三主应力 |
| 10.124 5 | -5.962 79 |
| 10.01 | -5.013 1 |
| 10.657 9 | -7.796 |
| 10.703 7 | -7.7971 |
| 10.812 8 | -7.885 97 |
| 10.908 8 | -7.819 81 |
| 11.096 8 | -7.899 12 |
| 11.277 2 | -5.754 57 |
| 10.305 1 | -5.880 96 |
| 11.476 6 | -6.620 56 |
| 11.657 7 | -6.765 41 |
| 11.712 3 | -6.949 78 |
| 11.342 2 | -7.106 61 |
由表2可以看出不同拆除步骤对应的最大主应力，当拆除第11步时，第一主应力最大，最大值为11.712 3 MPa; 当拆除第6步时，第三主应力最大，最大值为-7.899 12 MPa。
数值模拟结果证明，采用“V形开槽，分段施工”的交叉段衬砌拆除方法，围岩位移和应力变化均在安全范围内，满足要求，且此时还没有安装钢拱架，考虑的是最不利的情况。考虑到隧道为永久性结构，因此还需要设计钢拱架来承担围岩压力。
交叉口施工时需要先对原有衬砌进行拆除，为保证施工期间交叉口围岩的稳定性，衬砌拆除不能一次完成，以免上部松散岩体垮塌形成连锁反应，根据衬砌拆除的力学特性及数值模拟结果，优化衬砌拆除方案及加固措施，提出“V形开槽、骨架先行，分段施工”的施工方法，具体过程如下：
(1)见图6(a)、图6(b),首先确定联络洞室轴线与主洞室另一侧边墙交汇处，此处即为30号工字钢拱架安装位置之一，然后由交汇处边墙和另一侧两个边墙交汇处共同确定两个与两个洞室轴线存在一定夹角的竖向平面，两个竖向平面夹角内的原有衬砌将首先被拆除，然后安装三榀30号工字钢主拱架。
(2)30号工字钢主拱架施工完成后，见图6(c),首先施工联络通道切入主洞室三角形区域的工字钢，锚喷完成后进行下一阶段施工。
(3)联络通道部分拱架施工完成后，进行主洞室原有衬砌拆除和初支施工。见图6(d)、图6(e)、图6(f)所示，主洞室初支施工时，需要尽量保证初支在30号工字钢两侧的对称性，因此先仅拆除主洞室一侧约2 m的原有衬砌，然后安装拱架并锚喷完成。施工完主拱架一侧的斜截拱架后，拆除另一侧对称位置的原有衬砌，然后进行初支施工。依次重复左右对称施工步骤，最终完成交叉口衬砌的拆除与加固。
根据衬砌拆除及支护设计方案，在交叉段布置6个监测位置，监测号为：S1,S2,S3,S4,S5,S6,见图7。在每个监测位置布置振弦式混凝土应变计和振弦式土压力计，用来量测交叉段混凝土应变及围岩压力，监测元器件见表3。
图6 衬砌拆除及支护示意
图7 仪器布置
表3 检测项目及元器件
检测项目 | 元器件名称 | 单位 | 型号 | 测点数量 |
| 振弦式混凝土 | με | YTYBJ50 | 6个 |
| 振弦式土压力计 | MPa | YTTYJ20 | 6个 |
为监测混凝土应变，将振弦式混凝土应变计浇筑在初支喷射混凝土内，监测混凝土在成型后应变特性。监测位置的混凝土应变变化曲线见图8。
由图8可以看出，支护系统刚形成之后，第1～4 d内，混凝土应变基本呈直线上升趋势，第5 d左右达到最大值。衬砌喷射后，随着水化热释放，混凝土及应变计受热膨胀，产生拉应变。最大应变值为267.32 με,在S2位置上，表现为拉应变，S3,S5测点受拉变形较小。S1,S4,S6开始应混凝土膨胀产生拉应变，随后逐渐转变为压应变，压应变值不超过200 με,说明衬砌受压力较小。
图8 混凝土应变～时间变化曲线
在围岩与支护结构之间埋置振弦式土压力计测试围岩变形压力，得到衬砌拆除并形成支护体系后各监测点随时间变化曲线。各监测点围岩压力变化曲线见图9。
图9 围岩压力～时间变化曲线
由图9可以看出，支护系统形成第1～4 d内，围岩压力基本呈直线上升趋势，第5 d后开始趋于稳定，最大压力在S2位置，最大值为0.398 MPa, 说明离交叉点附近处围岩变形较大，S1,S4,S6位置监测结果较小，可能与仪器安装时围岩应力有部分已经释放有关。
通过对交叉洞室衬砌拆除围岩压力、支护系统受力特征的分析表明，采用“V形开槽、骨架先行，分段施工”的衬砌拆除与加固方法对围岩的扰动较小，保证了交叉段洞室的顺利施工。
本文以贵州省某地下人防工程为实例，通过建立数值仿真模型及监测数据验证，对等截面交叉洞室衬砌拆除与加固展开研究，得到如下结论。
(1)根据交叉洞室的特点，对既有交叉洞室衬砌拆除过程进行数值仿真分析，根据施工过程中的薄弱点，总结出一套适用于既有交叉洞室的“V形开槽、骨架先行，分段施工”的衬砌拆除与加固方法，围岩扰动得到有效的控制。
(2)既有交叉洞室衬砌拆除与加固的现场实测数据显示，在交叉洞室围岩压力及结构受力主要集中在交叉口附近位置，围岩压力在第5 d基本达到稳定，最大值为0.398 MPa。混凝土应变值小于270 με,均在安全范围内，满足施工要求。
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