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摘要：交叉隧道的支护结构受力复杂性及其解决方案是隧道工程领域中的关键技术问题。依托南宁市轨道交通3号线青秀山站工程，对软弱围岩条件下深埋大跨度隧道交叉口的施工力学问题进行了分析。从支护结构受力的角度，研究了交叉口对隧道支护的影响范围、内力影响程度及交叉口是如何影响结构受力的。研究结果表明：在隧道交叉口位置，支护结构的位移和内力相对标准断面均有大幅度的增大，交叉口的影响范围约为2倍洞径；隧道支护呈现双向拉弯或是压弯的受力状态，且支护结构在拱顶和仰拱均出现拉力，在接口的边墙位置出现较大轴向压力，压力值为隧道标准断面的2~3倍，设计时应对隧道交叉口及其影响范围进行针对性设计。论文成果可对类似工程案例的设计和施工提供有益参考。
关键词：隧道；交叉结构；施工力学
1.前言
近年来，城市轨道交通建设迅速发展。受周边建（构）筑物、地形条件等因素制约，地下工程中采用暗挖施工工法的工程已逐步增加，从而不可避免的造成新建隧道临近既有隧道或者新建工程自身的交叉近接问题大量涌现。交叉隧道工程属于岩土领域的近接工程，也是所有近接工程中间最突出的[1]。国内外对于交叉隧道的研究已有一些成果，主要表现在交叉隧道力学行为、开挖工法选择、监控量测技术三个方面。靳晓光等[2]结合高地应力区深埋隧道工程，分析了横通道不同施工方案和动态施工过程对主隧道围岩与初期支护结构力学行为的影响。其分析结果显示，横通道的开挖对围岩应力和位移影响较大，对交叉侧主隧道侧壁初期支护应力及交叉对主隧道初期支护σ3影响较大。黄乐等[3]研究了隧道交叉口3个不同截面的拱顶沉降和围岩收敛，以及初期支护钢筋的内力变化特征，并与现场监控量测数据变化情况进行对比分析。其研究结果表明：主、支通道交叉区域段受力存在相互影响；3个截面的拱顶、内空位移均有明显变化。张志强[4-6]等采用三维有限元数值模拟主隧道与横通道组成空间复杂交叉结构的施工过程，得出横通道施工将导致交叉部开口一侧结构变形不对称增加，围岩拉应力区显著增大以及交叉连接部两侧应力集中的施工受力特征；与主隧道与横通道正交情况相比，二者以60°角斜交，应力集中系数将由1.5提高至2.0倍。梁桥欣[7]针对隧道交叉连接段设计中的技术难点，研究了主隧道与斜井交叉连接段在不同开挖方式、交叉连接段釆用不同加强长度情况下的动态施工力学行为。
对国内外已有的研究现状分析可知，目前对交叉口隧道工程的研究尚处于初始阶段，所有文献均提出在隧道交叉口位置将产生一定程度的应力集中，并就交叉口对隧道支护的作用机理进行系统的分析。同时，工程中所遇到的隧道交口工程案例多为斜井与主隧道、临时横通道与主隧道、联络通道与主隧道的情况，这些工程跨度较小、围岩相对较好，主隧道破洞的区域有限，风险也相对可控。然而，对于软弱围岩条件下，主隧道与横通道均为大跨度的交叉隧道工程案例尚未见文献发表。为此，本文依托南宁轨道交通3号线青秀山站暗挖隧道工程，对软弱围岩条件下，深埋大跨度地铁隧道交叉口问题展开了分析研究。研究成果对交叉隧道类似工程具有一定的参考价值。
2.依托工程
2.1工程概况
青秀山站为地下明暗挖结合车站，站台层采用暗挖法，在左、右线隧道分别设置侧式站台，两站台之间以横通道相连接，站厅层为地下三层（局部四层），采用明挖法，明挖站厅通过从底板斜向下的扶梯斜通道与站台层横通道中部相通，两条扶梯斜通道夹在平行站台层隧道中间，见图1。受线路下穿邕江及青秀山地势影响，车站轨面埋深深为60m。
2.2工程地质及水文情况
车站范围所处的地质有4层土，第一层为1-1填土层、第二层为⑦1-3的泥岩层，具备一定的膨胀性，第三层是⑦2-3的粉砂岩层，见图2。站台层隧道基本处于⑦2-3的粉砂岩层中，围岩等级为五级。⑦2-3粉砂岩为青灰色，粉砂质结构，成岩程度较深，呈半岩半土状，局部含泥质，厚层状构造。岩层天然单轴抗压强度标准值为2.12MPa，属于极软岩。车站范围内含水量较为丰富，主要为上层滞水、第四系松散岩类孔隙水、碎屑岩类孔隙裂隙水。根据详勘报告，站台隧道拱顶水头约为46m。车站施工时采用降水作业，车站施工完成之后再进行水位恢复。
2.3交叉隧道节点
青秀山站站台层隧道存在多处隧道交口的问题，本文选取代表性强的单独节点进行分析。为连接车站站台层与站台层，在车站左右线隧道间设置横通道，同时在横通道中间设置斜扶梯通道连接至站厅层。为满足建筑、通风等专业功能要求，横通道毛洞跨度11.0m，高度9.3m；左右线隧道跨度为11.3m，高度12.3m，两个隧道在拱顶及仰拱高差竖向高差均为1.5m。
3.初期支护分析
3.1模型建立
交叉隧道的支护受力呈现三维空间板壳结构形式，不能简化为平面应力状态，且支护的受力与开挖步序关系较大，因此，采用有限元软件建立三维地层模型进行施工工序模拟分析。根据圣维南原理，考虑周边的土体大小为隧道的4倍范围内土体，模型长150m，宽度140m，高度100m，见图2。围岩采用摩尔库伦屈服准则及弹塑性增量本构关系，二次衬确及初期支护采用弹性本构。
3.3开挖步序
根据实际现场施工工序安排，模型中开挖工序为①明挖站厅开挖——②左线隧道开挖——③横通道开挖——④右线隧道开挖——施做主隧道的二次衬砌——⑤斜扶梯通道开挖——斜扶梯通道二次衬砌——⑥小竖井的开挖，见图2。
隧道开挖方法为CD法开挖，开挖进尺1m，台阶长度4m，初期支护闭合成环距离掌子面16m。3.4计算结果及分析
从结构的受力方面考虑，选取初期支护的位移及内力结果进行分析。初支Z方向的位移云图见图3，初支内力云图见图4~图8。
备注：表格中‘破洞后1’表示横通道破洞左侧工况，‘破洞后2’表示横通道继续破洞右侧工况。
对初期支护的XX方向轴力进行分析：破洞前初期支护主要为压力，最大位置约为4700KN，破洞之后，在交叉口位置，拱顶和仰拱出现较大区域的拉力，其主要影响区域为横通道，最大值为2000KN，而在横通道与主隧道交叉口的边墙位置，支护的轴压力约为8800KN，约为标准断面的2倍。
对初期支护的yy方向轴力进行分析：破洞前初期支护的轴压力较小，均小于1670KN，破洞后在交叉口拱顶和仰拱位置出现纵向的轴拉力，约为1600KN，在交叉口的边墙出现较大的轴压力。
对初期支护的XX方向弯矩进行分析：破洞前初期支护外侧弯矩为232kN*m，内侧弯矩为335；破洞之后支护外侧弯矩为340kN*m，内侧弯矩为517kN*m，可以看到，交叉口位置外侧弯矩有一定程度的增大，增大幅度为30%~50%。
对初期支护的YY方向弯矩进行分析：在破洞之前，其弯矩约为100，破洞支护在交叉口位置外侧弯矩增大至200，同时仰拱和拱顶的弯矩也有所增大，初期支护呈现双向受弯的状态。
4.结论
本文通过采用数值模拟的方式，从支护受力的角度，对深埋大跨度隧道交叉口的进行了较为系统的分析，得到以下四点结论：
1.在隧道交叉口位置，隧道支护的位移和内力相对标准断面均有大幅度的增大，叉口的影响范围约为2倍洞径，隧道支护在此区域应进行加强设计。
2.隧道在标准断面呈现平面应力受力状态，而在交叉口位置呈现三维空间受力状态，支护双向受弯、同时双向受拉压，结构设计时应对交叉口位置的纵向抗力进行加强。
3.在隧道交叉口接口位置，隧道支护交叉口的拱顶和仰拱均出现拉力，且拉力值较大；同时在接口的边墙位置出现较大轴压力，约为隧道标准断面的2~3倍。因此，于初期支护，在交叉口接口应进行钢架密排设计，同时可在拱顶和仰拱打设预应力锚杆受拉，横通道可在主隧道二衬结构施工完成之后再进行破洞施工。
参考文献：
[1]李玉峰，彭立敏，雷明锋.2014.交叉隧道工程设计施工技术研究进展[J].铁道科学与工程学报.（01）：67-73.
[2]靳晓光，李晓红.2008.深埋交叉隧道动态施工力学行为研究[J].重庆建筑大学学报.（02）：32-36.
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