隧道穿越地層接觸帶施工關(guān)鍵技術(shù)模型試驗研究

楊文波 王宗學(xué) 張航 蔣雅君

西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，成都610031

隧道在穿越不同巖性地層接觸帶時，支護(hù)結(jié)構(gòu)所承受圍巖壓力分布不均勻，導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)局部受力過大而產(chǎn)生裂縫，同時由于圍巖條件不同，隧道洞周會產(chǎn)生不均勻變形，給施工安全帶來隱患，并且影響施工進(jìn)度。因此隧道穿越接觸帶時采用合理的開挖支護(hù)體系顯得尤為重要。

針對接觸帶隧道開挖問題國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究。于麗等［1］以臨縣隧道為工程背景采用數(shù)值模擬的方法研究了淺埋土石分界高度及土石分界面位置對隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)安全性的影響。施玉晶等［2］結(jié)合上軟下硬復(fù)合地層的特征，通過數(shù)值模擬方法對兩種拱蓋法修筑的隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行研究。李雪峰等［3］采用數(shù)值模擬的方法針對軟硬不均地層對初期支護(hù)厚度、拱架間距、錨桿長度和間距在控制圍巖變形和初期支護(hù)應(yīng)力方面的效果進(jìn)行了分析。王志杰等［4］采用室內(nèi)試驗和理論分析，從圍巖物理力學(xué)性能、工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件、施工及人為因素等方面對土石分界處地層大變形機(jī)理進(jìn)行了分析。劉揚等［5］采用砂子、石膏、水泥、混凝土透水增強(qiáng)劑制備相似材料，在此基礎(chǔ)上制作含軟弱地層的隧道模型，模擬在軟硬交接帶隧道開挖之后堅硬地層的裂紋擴(kuò)展特性及隧道圍巖的破壞過程。高新強(qiáng)等［6］通過開展大梁峁特長公路隧道水平泥巖砂巖互層段支護(hù)體系現(xiàn)場試驗，研究水平泥巖砂巖互層段隧道初期支護(hù)中的錨桿軸力、圍巖壓力、鋼架應(yīng)力、混凝土應(yīng)力、支護(hù)變形、二次襯砌中接觸壓力和混凝土受力特征。冉銘哲［7］針對隧道沿線土石分界地質(zhì)情況，對土石偏壓隧道結(jié)構(gòu)安全性和圍巖破壞模式展開了研究。孫文君等［8］以某淺埋公路隧道為工程背景，模擬了不同掘進(jìn)方向和不同土石界面傾角下的隧道開挖反應(yīng)，對比了不同掘進(jìn)方向下的隧道開挖反應(yīng)特征，分析了土石界面傾角對隧道開挖反應(yīng)的影響。

上述研究成果對隧道穿越地層接觸帶時的開挖穩(wěn)定性控制有很好的參考價值。但目前開展的研究大多采用數(shù)值分析的方法，極少采用模型試驗的方法分析接觸帶，而且針對接觸帶隧道的開挖支護(hù)體系研究也相對較少。因此，本文以銀西高速鐵路賈塬隧道為背景，結(jié)合模型試驗研究隧道穿越地層接觸帶時施工工法與支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)，探究隧道圍巖位移、初期支護(hù)與圍巖間的接觸壓力、鋼拱架應(yīng)力的變化規(guī)律，并與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，分析接觸帶隧道合理開挖支護(hù)體系，為快速、安全施工提供參考。

1 工程概況

賈塬隧道位于銀西高速鐵路甘肅段，總長11.86 km，最大埋深260 m，最小埋深14 m。設(shè)計為雙線單洞，跨度約為14 m，凈高約為12 m，凈空面積約為100 m2。隧道橫斷面尺寸如圖1所示。

圖1 賈塬隧道橫斷面（單位：m）

賈塬隧道三次穿越長段落接觸帶，選取其中紅黏土和砂巖夾泥巖的接觸帶作為研究對象。該接觸帶全長282 m，為整合接觸地層，埋深240～260 m。隧道上部穿越地層為紅黏土，成分以黏粒為主，結(jié)構(gòu)緊密，土體較致密；下部穿越地層為砂巖夾泥巖，層狀結(jié)構(gòu)，強(qiáng)風(fēng)化。紅黏土與砂巖夾泥巖接觸帶隧道縱斷面如圖2所示。

圖2 紅黏土與砂巖夾泥巖接觸帶縱斷面

2 模型試驗設(shè)計

本次試驗采用先加載后開挖的方式進(jìn)行，使用兩種土體來模擬接觸帶。由于隧址區(qū)水平構(gòu)造應(yīng)力較小，用自重應(yīng)力場來模擬試驗原始地應(yīng)力場，試驗過程中分部開挖隧道并及時施作初期支護(hù)，同時通過測量系統(tǒng)采集隧道不同部位的圍巖位移、圍巖與初期支護(hù)接觸壓力、鋼拱架應(yīng)力。

2.1 相似關(guān)系

采用1/50的幾何相似比和1/1的重度相似比為基礎(chǔ)相似比。根據(jù)相似理論推導(dǎo)出泊松比、應(yīng)變、內(nèi)摩擦角、彈性模量、強(qiáng)度、應(yīng)力、黏聚力等的相似關(guān)系，實現(xiàn)在彈性范圍內(nèi)控制各物理力學(xué)參數(shù)的全相似性，推得各物理力學(xué)參數(shù)原型值與模型值的相似比關(guān)系，見表1。

表1 原型值與模型值的相似比

2.2 試驗工況

為研究隧道穿越地層接觸帶時的合理開挖支護(hù)體系，結(jié)合現(xiàn)場施工情況，采用不同的施工工法及支護(hù)參數(shù)模擬開挖，探究隧道圍巖位移、初期支護(hù)與圍巖間的接觸壓力、鋼拱架應(yīng)力的變化規(guī)律。模擬試驗工況見表2，其中，研究施工工法時所說的三臺階預(yù)留核心土法是指工況3。

3 模型材料與模型箱

3.1 圍巖

模型土的配制以河砂為基材，加入一定比例的粉煤灰、煤油及石英砂，擬定了18種配比方案，并測量各配比下的土體參數(shù)。根據(jù)試樣結(jié)果不斷調(diào)配粉煤灰與石英砂的含量，以得到與實際地層土體相似的參數(shù)。

3.2 鋼拱架和混凝土

模型鋼拱架采用定制銅帶模擬，通過等效剛度計算選定銅帶厚度為0.8 mm、寬度為5 mm。實際施工過程中采用C25噴射混凝土，模型試驗中用水和石膏來模擬，水和石膏配比為1∶1.06。

3.3 模型箱

模型試驗箱尺寸為150 cm（長）×90 cm（寬）×135 cm（高）。為模擬開挖過程中隧道的受力狀態(tài)，擬采用隧道-地層復(fù)合體模擬試驗系統(tǒng)為加載系統(tǒng)，利用2個液壓千斤頂作為加載執(zhí)行元件，并通過反力梁、工字鋼和鋼板將千斤頂?shù)膲毫D(zhuǎn)化為均布荷載。使用高精度液壓穩(wěn)壓器為千斤頂提供穩(wěn)定的可自動跟蹤的壓力油源，施加均布荷載為0.1 MPa。

4 模型試驗裝置與測量系統(tǒng)

4.1 圍巖位移監(jiān)測

圍巖位移依次通過銅片、鉛發(fā)絲線經(jīng)由預(yù)埋傳導(dǎo)桿傳遞到模型箱外側(cè)的百分表進(jìn)行測量。預(yù)埋傳導(dǎo)桿為空心鋼管，以保證內(nèi)部鉛發(fā)絲線不受土體和開挖的影響。鉛發(fā)絲線一端系有金屬墊片，固定在距離隧道較近的圍巖中；另一端系在百分表上。當(dāng)圍巖發(fā)生位移時，可以通過沒有彈性的鉛發(fā)絲線將位移傳至百分表，百分表通過磁力表座固定在模型箱上，精度為0.01 mm。綜合考慮穿越接觸帶隧道施工特點，分別在拱頂、拱肩、拱腰和拱腳布置圍巖位移測量裝置。

4.2 接觸壓力及鋼拱架應(yīng)力監(jiān)測

圍巖與初期支護(hù)之間的接觸壓力由BY-3型壓力盒采集，量程為0～2 MPa，精度為0.001 MPa，監(jiān)測點分別位于拱頂、仰拱以及兩側(cè)拱肩、拱腰、拱腳，如圖3所示。為監(jiān)測鋼拱架應(yīng)力，在模型鋼拱架內(nèi)外側(cè)成對布置8對應(yīng)變片，測點布置與土壓力盒相同。

4.3 模型試驗過程

準(zhǔn)備好試驗材料后，將土逐層添加至模型箱并夯實，然后使用千斤頂加壓至預(yù)定值，待液壓穩(wěn)定器壓強(qiáng)值無明顯變化時開挖。

根據(jù)現(xiàn)場施工情況，確定每次臺階錯距和開挖進(jìn)尺。使用鋼尺測量臺階尺寸確保開挖精度，用油灰刀開挖并分次清理土渣。為保證襯砌厚度均勻一致，沿已有隧道輪廓開挖后，須進(jìn)行擴(kuò)挖，擴(kuò)挖厚度與襯砌厚度一致。待開挖完成后架設(shè)兩榀鋼拱架，上、中、下臺階及仰拱鋼拱架通過熱縮管連接，待鋼拱架連接完成后開始噴涂石膏水。為保證石膏能夠與土體緊密貼合，須先用稀石膏水浸潤開挖隧道周圍土體，待圍巖浸潤后配制符合相似比的石膏，接近凝固時涂抹，待石膏凝固后開始下一循環(huán)的開挖。

5 開挖工法研究

為研究隧道穿越接觸帶時的適宜開挖工法，分別采用上下臺階法、三臺階法、三臺階預(yù)留核心土法三種工法開挖，分析其對隧道變形與結(jié)構(gòu)受力的影響。

5.1 位移對比分析

不同開挖工法下模型監(jiān)測點的位移時程曲線見圖4?？芍弘S著開挖進(jìn)尺的增加，圍巖位移逐漸增大，且在開挖初期圍巖位移增速很快，在下臺階開挖完成后圍巖位移逐漸收斂；在監(jiān)測斷面開挖前隧道周圍的圍巖已經(jīng)發(fā)生較大的預(yù)變形，拱頂處的位移變化最大，其次為拱肩，且拱腰和拱腳處的位移與拱頂位移相差較大。

三種開挖工法下圍巖位移的最終穩(wěn)定值見表3。可知：圍巖位移從大到小依次為上下臺階法、三臺階法、三臺階預(yù)留核心土法；以三臺階法為對照工況進(jìn)行分析，上下臺階法圍巖位移較三臺階法增大了20%～42%，三臺階預(yù)留核心土法圍巖位移較三臺階法減小了18%～34%；不同開挖工法對拱腳處的圍巖位移影響最大，對拱頂處圍巖位移影響最小。

表3 不同開挖工法下圍巖位移穩(wěn)定值

5.2 接觸壓力對比分析

利用土壓力盒測量初期支護(hù)與圍巖間的接觸壓力，根據(jù)相似比計算得到原型中初期支護(hù)與圍巖間的接觸壓力，不同施工工法下接觸壓力分布見圖5?？芍撼绊?、拱肩外其余部位的接觸壓力均較小，接觸壓力最大值位于拱頂處。模型左右兩側(cè)的接觸壓力差別較大，如采用三臺階預(yù)留核心土法時，左右拱肩處的接觸壓力分別為0.499、0.302 MPa。這是因為模型左右兩側(cè)土體交錯開挖，導(dǎo)致模型左右兩側(cè)邊墻圍巖壓力不對稱。三種施工工法下初期支護(hù)與圍巖間的接觸壓力分布規(guī)律相似，只是大小不同。

圖5 不同施工工法下接觸壓力分布（單位：MPa）

拱頂、拱肩、拱腰、拱腳處接觸壓力的平均值見表4?？芍荷舷屡_階法的接觸壓力最小，其次為三臺階法、三臺階預(yù)留核心土法，這說明當(dāng)圍巖位移較小時，圍巖對結(jié)構(gòu)的荷載更大；以三臺階法為對照工況進(jìn)行分析，上下臺階法下接觸壓力較三臺階法減少了17%～65%，拱腰和拱腳處接觸壓力減少最為明顯；三臺階預(yù)留核心土法接觸壓力較三臺階法增加了12%～32%，除拱肩處增大不明顯外其余位置的接觸壓力均增大了30%左右。

表4 不同開挖工法下接觸壓力平均值

采用三臺階預(yù)留核心土法開挖，對模型土體的擾動更小，產(chǎn)生的圍巖位移更小，接觸壓力反而增大了。這是由于在極限圍巖位移范圍內(nèi)，位移減小，支護(hù)阻力更大，應(yīng)力重分布的結(jié)果由支護(hù)結(jié)構(gòu)承擔(dān)一部分，造成接觸壓力增大。

5.3 鋼拱架應(yīng)力對比分析

不同開挖工法下鋼拱架應(yīng)力分布見圖6?？芍?，各工況下鋼拱架內(nèi)外側(cè)均受應(yīng)力。三臺階預(yù)留核心土法鋼拱架外側(cè)所受應(yīng)力最大，其次為三臺階法、上下臺階法，應(yīng)力最大值均位于拱頂處，分別為207.10、151.59、123.5 MPa；以三臺階法為對照工況進(jìn)行分析，上下臺階法下圍巖的鋼拱架應(yīng)力較三臺階法減少了20%～30%，但上下臺階法圍巖位移較三臺階法增大了20%～42%；三臺階預(yù)留核心土法鋼拱架應(yīng)力較三臺階法減少了20%～40%，其圍巖位移較三臺階法減少了18%～34%。上下臺階法、三臺階法、三臺階預(yù)留核心土法下鋼拱架拱頂與拱肩處外側(cè)應(yīng)力差占拱頂應(yīng)力的百分比依次為29%、30%、28%，拱腰與拱腳處外側(cè)應(yīng)力差占拱腰應(yīng)力的百分比依次為49%、55%、9%，三臺階預(yù)留核心土法的鋼拱架應(yīng)力分布更均勻。

圖6 不同開挖工法下鋼拱架應(yīng)力分布（單位：MPa）

結(jié)合圍巖位移分析可知，當(dāng)圍巖位移較小時結(jié)構(gòu)須承受更大的壓力以約束圍巖的位移變形，采用不同的開挖工法時拱頂、拱肩處的位移、初期支護(hù)與圍巖間的接觸壓力、鋼拱架應(yīng)力都較大，建議現(xiàn)場施工時對拱頂、拱肩進(jìn)行加固處理?？偟膩碚f，三種開挖工法中三臺階預(yù)留核心土法對圍巖位移的限制效果最好，其開挖引起的初期支護(hù)與圍巖間的接觸壓力、鋼拱架的應(yīng)力分布更加均勻，數(shù)值也在安全范圍內(nèi)。

6 合理支護(hù)參數(shù)研究

三臺階預(yù)留核心土法不同支護(hù)參數(shù)下隧道圍巖位移、初期支護(hù)與圍巖間的接觸壓力及鋼拱架應(yīng)力見圖7?？芍?，鋼拱架間距為80 cm時隨著初期支護(hù)厚度的增加，隧道豎向變形最大值減小了44%，水平收斂最大值變化不大，初期支護(hù)與圍巖間的接觸壓力及鋼拱架應(yīng)力減小了約50%，說明增加初期支護(hù)厚度能較好地限制隧道圍巖位移，明顯改善初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力；初期支護(hù)厚度為30 cm時隨著鋼拱架間距的減小，隧道豎向變形最大值減小了25%，初期支護(hù)與圍巖間的接觸壓力及鋼拱架應(yīng)力減小了20%，這說明鋼拱架間距對圍巖位移及初期支護(hù)結(jié)構(gòu)受力的影響有限。

圖7 不同支護(hù)參數(shù)下隧道圍巖位移、接觸壓力及鋼拱架應(yīng)力

7 現(xiàn)場監(jiān)控量測驗證

為進(jìn)一步分析模型試驗結(jié)果的可靠性，將DK278+410里程斷面（開挖支護(hù)體系與模型試驗工況3相同）現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)與之對比分析，結(jié)果見表5。將現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)處理后得到的初期支護(hù)與圍巖間的接觸壓力及鋼拱架應(yīng)力分布見圖8。由于地形復(fù)雜多變及監(jiān)測元件安裝和讀數(shù)的誤差，現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)小于模型試驗的結(jié)果。對比現(xiàn)場監(jiān)測和模型試驗的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隧道位于紅黏土地層中的拱頂、拱肩、拱腰監(jiān)測點初期支護(hù)與圍巖間的接觸壓力及鋼拱架應(yīng)力要大于位于砂巖夾泥巖地層中拱腳監(jiān)測點的初期支護(hù)與圍巖間的接觸壓力及鋼拱架應(yīng)力。由此可知，在紅黏土地層中，由于紅黏土自穩(wěn)能力較差，所以初期支護(hù)承受較大的圍巖壓力，而在砂巖夾泥巖地層中，圍巖穩(wěn)定性較好，初期支護(hù)承受的圍巖壓力也較小?？傮w來看，現(xiàn)場監(jiān)測和模型試驗的結(jié)果相差不大，驗證了模型試驗的可靠性。

表5 現(xiàn)場監(jiān)測值與模型試驗值

圖8 現(xiàn)場監(jiān)測接觸壓力及鋼拱架應(yīng)力分布（單位：MPa）

8 結(jié)論

針對紅黏土與砂巖夾泥巖接觸帶地層上軟下硬的特點，通過模型試驗研究了隧道穿越接觸帶時施工工法與支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)，并結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)控量測數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證。得出以下結(jié)論：

1）隧道穿越紅黏土與砂巖夾泥巖接觸帶時，上下兩種地層圍巖位移、受力相差較大。拱頂、拱肩是關(guān)系隧道穿越接觸帶施工安全的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，現(xiàn)場施工時須對拱頂、拱肩進(jìn)行加固處理。

2）三種開挖工法中三臺階預(yù)留核心土法對圍巖位移的限制效果最好，其開挖引起的初期支護(hù)與圍巖間的接觸壓力、鋼拱架應(yīng)力更大，但分布更加均勻且數(shù)值在安全范圍內(nèi)。

3）初期支護(hù)厚度和鋼拱架間距均對隧道的安全有著重要的影響，增加初期支護(hù)厚度和減少鋼拱架間距均能減少圍巖位移、改善支護(hù)結(jié)構(gòu)受力效果，但是，與初期支護(hù)厚度相比，鋼拱架間距對隧道安全的影響有限。

4）與現(xiàn)場監(jiān)控量測數(shù)據(jù)對比分析，現(xiàn)場監(jiān)測和模型試驗的結(jié)果相差不大，驗證了模型試驗的可靠性。