黃土十字交叉隧道開挖下支護結(jié)構(gòu)變形特性研究*

杜廣印 武 軍 夏 涵 王 坤

(①東南大學(xué)巖土工程研究所，南京 211189，中國)(②中國人民解放軍63926部隊，北京 100192，中國)

0 引 言

黃土是在干旱和半干旱地區(qū)陸相沉積的一種特殊土，其基本特征表現(xiàn)為大孔隙、低含水率、遇水易崩解。潘振興等(2020)研究了干濕循環(huán)作用下黃土內(nèi)部裂隙發(fā)展的損傷演化過程。隨著《“十三五”現(xiàn)代綜合交通運輸體系發(fā)展規(guī)劃》的發(fā)布，未來西北交通網(wǎng)絡(luò)不可避免地穿越黃土地區(qū)。因此，黃土場地的工程也會越來越多(劉弋博等，2020)。黃土地區(qū)的隧道建設(shè)，一般埋深較淺，由于土質(zhì)松軟、承載力低，建設(shè)中容易出現(xiàn)塌方、地表開裂等問題(于春，2013)，2010年開通的鄭西高鐵就是在這樣的地質(zhì)條件下建設(shè)完成的。

因黃土特殊，開挖后圍巖壓力計算方法就顯得尤為重要。方錢寶等(2009)就基于黃土隧道的埋深提出了公式來計算其壓縮模量、變形和彈性抗力系數(shù)；于麗等(2019)基于極限平衡理論提出淺埋黃土隧道圍巖壓力的計算方法。邵生俊等(2013)也基于隧道地基濕陷性變形提出了一種新的關(guān)于圍巖壓力的確定方法和評價方法，再結(jié)合試驗得出濕陷系數(shù)并計算實際工況的濕陷變形量；范文等(2015)提出了黃土隧道地基濕陷壓縮應(yīng)力的解析計算方法，并通過數(shù)值模擬驗證了其可靠性。

交叉結(jié)構(gòu)的圍巖穩(wěn)定又是諸多地下工程建設(shè)的重點和難點，據(jù)統(tǒng)計，巷道頂板事故的30%～40%發(fā)生在交叉結(jié)構(gòu)部位(平壽康等，1990)。這是由于隧道開挖后，會形成二次應(yīng)力場，最大擠壓位移位置向坑道方向移動(Liu et al.，2017)，并伴有頂板出現(xiàn)高剪切應(yīng)力，同一高程水平開采比下穿開采對交叉口穩(wěn)定性的影響更大(Abdellah et al.，2014)。由此可見，隧道交叉段最容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，應(yīng)力集中區(qū)主要發(fā)生在兩側(cè)拱腰(白雅偉等，2020)，應(yīng)力集中在交岔口左右前后一定范圍(劉恒偉，2009)，其受力方式為拱頂上下截面整體受拉(謝順意等，2012)，因此拱頂成為交叉隧道中最危險的部位(臧萬軍等，2012)。

針對交叉隧道的各類難題，鄭保才等(2009)通過對淺埋暗挖法施工的地鐵交叉隧道地表沉降觀測得出，地表沉降規(guī)律基本呈Logstic曲線。閆自海等(2019)提出導(dǎo)洞爬坡反向施工的交叉隧道作業(yè)方法，既可以解決小隧道朝大隧道開挖的難題，又能保證分叉段的施工安全。就交叉隧道在地震工況下的穩(wěn)定性問題。許慶君等(2020)研究得出，下穿隧道的環(huán)向應(yīng)變峰值整體大于上跨隧道。李玉峰等(2015)提出的交叉隧道結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計方法，能夠全方位地揭示交叉隧道地震動力響應(yīng)和動力特性。綜上所述，隧道十字交叉點的變形和破壞最大(郭保華等，2008)，交叉段“環(huán)口”局部變形明顯(張志強等，2010)。

隨著黃土地區(qū)大規(guī)?；A(chǔ)建設(shè)的開啟，地鐵換乘站、礦山交通樞紐等交叉硐室將會難以避免。目前，國內(nèi)外關(guān)于黃土地區(qū)交叉隧道的研究相對匱乏，黃土隧道開挖的影響半徑、圍巖變形特征還不明確，因此有必要進一步開展黃土交叉隧道的相關(guān)研究。本文通過模型試驗的方法，系統(tǒng)研究黃土交叉隧道圍巖及支護結(jié)構(gòu)各個部位圍巖壓力釋放特征和變形規(guī)律，分析交叉隧道的開挖順序?qū)Y(jié)構(gòu)穩(wěn)定的影響，為交叉隧道建設(shè)的設(shè)計和施工提供依據(jù)。

1 試驗設(shè)備及過程

1.1 試驗設(shè)備

物理模型試驗采用的模型箱長×寬×高為2.0 m×2.0 m×2.0 m，外框架為鋼架焊接，為觀測開挖后土體位移，內(nèi)裝配20 mm厚的有機玻璃板。支護鋼拱架為定制不銹鋼構(gòu)件，形狀與尺寸如圖1所示。試驗中的鋼拱架應(yīng)變采用應(yīng)變片監(jiān)測，數(shù)據(jù)采集為多功能靜態(tài)信號測試系統(tǒng)。應(yīng)變片粘貼在鋼拱架外側(cè)(與土接觸面)，粘貼方向為長邊順著鋼拱架方向。待應(yīng)變片與鋼拱架粘貼牢固后，打上一層薄薄的玻璃膠來防止應(yīng)變片在試驗過程中損壞。三軸試驗采用GDS三軸儀，研究不同含水率下的黃土應(yīng)力-應(yīng)變特征。

圖1 隧道鋼拱架形狀及尺寸

1.2 試驗用土及其基本力學(xué)特征

模型試驗用土為粉砂質(zhì)黃土，土的基本物理性質(zhì)指標如表1所示。由于試驗土含水量低，無法重新配置相同含水量，故取回后直接用于試驗，未經(jīng)過風(fēng)干處理。三軸試驗用土為重塑粉砂質(zhì)黃土，控制其含水率為11.4%(潘皇宋等，2019)和14.5%。

表1 粉砂質(zhì)黃土力學(xué)參數(shù)

1.3 試驗過程及方法

為盡可能消除線材埋置對試驗結(jié)果的影響，采用重點區(qū)域多埋設(shè)傳感器，普通位置少埋設(shè)傳感器的原則，即主洞應(yīng)變片布置在鋼拱架拱頂、拱腳、直墻和底板，岔洞布置在拱頂、拱腳、直墻。圖2為傳感器布設(shè)平面圖，圖中Z1、Z2和Z3為主洞監(jiān)測斷面，C1E、C2E、C3E、C1W、C2W和C3W為岔洞監(jiān)測斷面。

圖2 傳感器布設(shè)平面圖(單位：mm)

模型試驗采用先埋設(shè)鋼拱架后開挖的方式全斷面人工開挖。如圖3所示，主洞開挖時從南朝北挖，主洞貫通后再開挖岔洞。岔洞從西往東挖，西岔洞開挖結(jié)束后繼續(xù)開挖東岔洞，開挖進尺為10 cm。實驗過程不考慮地下水的影響。

圖3 試驗過程

2 不同含水率下的黃土應(yīng)力-應(yīng)變特征

不同含水率下的黃土應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖4所示。各圍壓下重塑黃土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線為持續(xù)硬化型，根據(jù)《土工試驗方法標準》(中華人民共和國國家標準編寫組，2019)，取軸向應(yīng)變ε1=15%對應(yīng)的偏差應(yīng)力為破壞偏差應(yīng)力(σ1-σ3)f，作出重塑黃土剪切強度包絡(luò)線，如圖5所示。黃土的黏聚力和內(nèi)摩擦角結(jié)果如表2所示，隨著含水率升高，黏聚力和摩擦角呈現(xiàn)下降的趨勢。模型試驗所用黃土為12.5%，介于三軸試驗11.4%和14.5%之間，且黃土應(yīng)力-應(yīng)變曲線為持續(xù)硬化型，適合開展模型試驗研究。

圖4 黃土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

圖5 黃土三軸剪切強度包線

表2 三軸試驗結(jié)果

3 隧道開挖后支護結(jié)構(gòu)的變形特征

3.1 主岔洞開挖后主洞鋼拱架應(yīng)變特征

主洞開挖鋼拱架變形影響如圖6和圖7所示(均取絕對值)。主洞開挖至40 cm處，Z3監(jiān)測斷面鋼拱架首先變形，開挖至50 cm處，Z2斷面開始變形，開挖至60 cm時，Z3斷面才開始變形。由于應(yīng)變片粘貼在鋼拱架的外表面，且平行鋼拱架寬度方向，拱頂是受到壓應(yīng)力，導(dǎo)致鋼拱架下沉。當掌子面到達監(jiān)測斷面前后1D時，應(yīng)變變化速率達到最大，約占主洞開挖總變化量的70%。主洞開挖至120 cm處，3個監(jiān)測斷面趨于平穩(wěn)，應(yīng)變變化已不明顯，主洞開挖引起的應(yīng)變約140～345 με。開挖引起的鋼拱架變形距離約30 cm，這是由于開挖引起圍巖松動，鋼拱架開始發(fā)揮作用。

圖6 主洞開挖引起各斷面鋼拱架應(yīng)變變化

左岔洞開挖至40 cm處，Z1監(jiān)測斷面鋼拱架再一次發(fā)生變形，隨后Z2和Z3監(jiān)測斷面鋼拱架也出現(xiàn)變形，當掌子面到達監(jiān)測斷面時變形速率達到最大。當掌子面到達監(jiān)測斷面前后1D時，應(yīng)變變化值達到最大，約占主洞開挖總變化量的70%。隨后，開挖至120 cm處變形逐漸趨于平穩(wěn)，此時距監(jiān)測斷面距離也約為30 cm，開挖引起的應(yīng)變約為150～200 με，約占總變化的2/5。岔洞開挖對主洞鋼拱架的影響范圍約3D。從變化量來看，拱頂?shù)淖兓孔畲?，說明拱頂依然是最需要重點關(guān)注的部位。

3.2 主岔洞開挖后岔洞鋼拱架應(yīng)變特征

岔洞開挖鋼拱架變形影響如圖8和圖9所示。與主洞開挖的規(guī)律相似，拱頂部位的變形最大。主洞開挖至監(jiān)測斷面約30 cm處，各個部位變形均發(fā)生變形，并持續(xù)增大，直至掌子面達到監(jiān)測斷面后，開始減小，逐漸趨于穩(wěn)定。主洞開挖引起岔洞鋼拱架變形量約為30～150 με。

圖8 主洞開挖引起鋼拱架變化

圖9 岔洞開挖引起鋼拱架應(yīng)變變化

左岔洞開挖至40 cm處，C1W監(jiān)測斷面鋼拱架再一次發(fā)生變形；隨后在50 cm和60 cm處，C2W和C3W監(jiān)測斷面鋼拱架也分別出現(xiàn)變形；右岔洞開挖至90 cm處，C1W監(jiān)測斷面鋼拱架再一次發(fā)生變形；隨后C2W和C3W監(jiān)測斷面鋼拱架也出現(xiàn)變形，變形逐漸增大。當掌子面到達監(jiān)測斷面前后1D時，應(yīng)變變化值達到最大，約占主洞開挖總變化量的80%。隨后，開挖至120 cm處變形逐漸趨于平穩(wěn)，應(yīng)變約為150～350 με。

4 結(jié)果與討論

從應(yīng)變結(jié)果來看，均是在掌子面到達監(jiān)測斷面約30 cm時發(fā)生變化，也是掌子面超過監(jiān)測斷面30 cm左右時趨于穩(wěn)定。由于隧道直徑為20 cm，故開挖影響的范圍約為掌子面前后各1.5D。超過此范圍后，岔洞已無影響，因此可以認為，水平方向?qū)ο噜彽慕ㄖ镉绊懛秶矐?yīng)該小于1.5D。而豎直方向由于變形更大，因此影響范圍更大，上下相鄰的隧道建議間隔距離大于1.5D。

主洞和岔洞的支護結(jié)構(gòu)變形的變化量最大的部位均為拱頂，其次是底板，然后是直墻，最后是拱腰。拱頂變形大因為拱頂承受著上覆土層的所有荷載，豎向應(yīng)力大，圍巖受力類型為張拉應(yīng)力，故變形是最大的；而拱腰主要是受到側(cè)向的剪切應(yīng)力，且側(cè)向應(yīng)力相較于豎向應(yīng)力值更小，因此拱腰的變形要比拱頂小。在普通單個隧道中，由于仰拱存在，底板的變形不大，而在兩個等截面的交叉隧道中，由于中部空間太大，開挖后土體回彈引起底板變形增大。對比直墻與拱腰結(jié)果可以看出，拱形可以更好地將側(cè)向荷載傳遞，因此變化量較小，而直墻受力向內(nèi)彎曲，因此也就更容易發(fā)生變形。設(shè)計時，特別是交叉段部位，由于承受較大范圍的圍巖壓力，應(yīng)著重考慮交叉段部位的鋼拱架的穩(wěn)定性，防止支護失效。

岔洞開挖后，交叉段部位的鋼拱架均會發(fā)生二次變形，其變形量約為150 με，而隧道開挖總的變形量約為500 με，約占2/5。距離交叉段較遠位置(約1D)，二次開挖引起的變形為30 με，總的變形量約為200 με，約占1/7。分析得到，岔洞開挖對交叉段具有較大影響，約為十字交叉段鋼拱架總變化量的2/5，且開挖位置越近，影響越大。

隧道開挖掌子面前后0.5D位置的鋼拱架應(yīng)變變化值均很大。隧道開挖后，形成圍巖二次應(yīng)力場，圍巖迅速變形以協(xié)調(diào)二次應(yīng)力場，故變形迅速。由于試驗采用了先支護后開挖的方式，鋼拱架的變化量占到總變化量的70%以上，說明鋼拱架對限制圍巖變形起到了重要作用。因此對于地下硐室開挖而言，掌子面后圍巖變形迅速，應(yīng)及時做好支護。

5 結(jié) 論

本文通過三軸試驗研究了不同含水率下重塑黃土的應(yīng)力-應(yīng)變特征，采用模型試驗研究了主隧道開挖對次隧道和次隧道開挖對主隧道的影響，分析了開挖過程中支護鋼拱架應(yīng)變，得到如下結(jié)論：

(1)無論是主洞還是岔洞，拱頂?shù)淖冃味际亲畲蟮模f明交叉隧道的薄弱點依然是拱頂，在設(shè)計時應(yīng)以拱頂?shù)暮奢d設(shè)計更為安全。

(2)開挖的橫向影響范圍約為掌子面前后各1.5D，超過2D后對橫向相鄰建筑物基本無影響；但是如果相鄰建筑為縱向，那么影響范圍會更大。因此，建議水平相鄰建筑建設(shè)大于1.5D。

(3)對于交叉隧道而言，無論是主洞開挖還是岔洞開挖均互相影響，影響達到總變化量的2/5，而且兩者距離越近影響越大，設(shè)計時應(yīng)充分考慮其影響。

(4)從掌子面前后0.5D范圍來看，無論是主洞開挖還是岔洞開挖，鋼拱架的變化量占到總變化量的70%以上，說明鋼拱架對圍巖穩(wěn)定性有較大影響。

(5)對于地下硐室開挖而言，變形并非線性變化，而是在掌子面前后0.5D變形變化迅速，因此施工時應(yīng)做好及時支護。