平面交叉隧道圍巖及初期支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性研究

林 波，謝文博，劉 磊，許修亮

(保利長(zhǎng)大海外工程有限公司，廣東 廣州 510623)

0 引言

國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和土地資源的日趨緊張，使得隧道及地下空間工程互相穿越而成為交叉隧道的情況日益增多。所謂交叉隧道，是指走向不同且在空間上相互穿越的隧道。按照交叉區(qū)域的空間相對(duì)關(guān)系和結(jié)構(gòu)相對(duì)關(guān)系不同，可將交叉隧道分為空間正交型、空間斜交型、空間平行型、結(jié)構(gòu)分岔型、結(jié)構(gòu)聯(lián)絡(luò)橫道型和結(jié)構(gòu)風(fēng)井型等幾種類型[1]?？臻g交叉隧道在修建順序上存在時(shí)間差，新隧道的開挖使得既有隧道的圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)將再次發(fā)生應(yīng)力重分布，而結(jié)構(gòu)交叉隧道則因交叉區(qū)域洞室的擴(kuò)大而對(duì)施工工法和支護(hù)措施提出了更為苛刻的要求。

設(shè)計(jì)合理的交叉距離和角度，選定適宜的開挖工法和支護(hù)措施，從而保證交叉隧道施工的穩(wěn)定性，是隧道工程領(lǐng)域持續(xù)關(guān)注的課題。近10 a來(lái)，這一領(lǐng)域的研究取得了一些新進(jìn)展，研究者不局限于關(guān)注交叉隧道的開挖工法[2-3]、力學(xué)及變形特性[4-6]、地表沉降[7]、加固技術(shù)[8]、爆破及震動(dòng)影響[9-10]、監(jiān)控測(cè)量[11]及安全性評(píng)估[12-14]等問(wèn)題。在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)法、數(shù)值模擬法、模型試驗(yàn)法及工程經(jīng)驗(yàn)法等傳統(tǒng)研究方法的基礎(chǔ)上，針對(duì)不同的工程狀況，學(xué)者們通過(guò)引入一些新理論和新方法，更加準(zhǔn)確地揭示了交叉隧道的相互作用及交叉區(qū)域圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形規(guī)律，將該領(lǐng)域的研究水平推至了新的高度。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，目前的研究對(duì)象多集中于空間交叉隧道，涉及平面交叉隧道的研究較少，使得在評(píng)估平面交叉隧道施工穩(wěn)定性時(shí)缺乏足夠的文獻(xiàn)支持。

本研究以某平面交叉隧道為研究對(duì)象，利用反演分析法和監(jiān)測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)交叉隧道三維有限元模型的預(yù)測(cè)精度進(jìn)行標(biāo)定，繼而對(duì)交叉隧道的開挖和支護(hù)工序進(jìn)行模擬，獲取了施工過(guò)程中圍巖和初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形以及應(yīng)力演化規(guī)律，從而完成對(duì)交叉區(qū)域隧道穩(wěn)定性的評(píng)估，并給出了優(yōu)化建議。

1 工程概況

某隧道的進(jìn)口和出口樁號(hào)分別為K51+510，K62+565，全長(zhǎng)11 055 m。穿越的圍巖以水平狀的灰?guī)r和砂巖互層為主，代表性巖體的單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為9.5 MPa和9.2 MPa，圍巖等級(jí)為Ⅴ級(jí)。隧道進(jìn)洞段上覆圍巖陡峭，主洞得以快速進(jìn)洞，進(jìn)洞后上覆圍巖深度約為52 m。根據(jù)功能性需要，在主洞K51+551.6處有左、右2個(gè)支洞與之正交，交叉區(qū)域隧道的尺寸及空間關(guān)系見圖1。隧道主洞和支洞的初期支護(hù)混凝土均為C25混凝土，設(shè)計(jì)厚度為25 cm。鋼拱架為I20a工字鋼。系統(tǒng)錨桿為砂漿錨桿，直徑為22 mm，設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度為100 kN，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為4 m。

圖1 交叉隧道空間關(guān)系示意圖

2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)

當(dāng)主洞隧道開挖到一定距離后，選定若干斷面作為監(jiān)測(cè)斷面，以便合理地監(jiān)測(cè)圍巖的壓力及變形規(guī)律。壓力的數(shù)據(jù)通過(guò)在圍巖和初期支護(hù)結(jié)構(gòu)之間埋入土壓力盒(量程2 MPa，精度5 kPa)來(lái)動(dòng)態(tài)讀?。蛔冃螖?shù)據(jù)包括隧道拱頂沉降和水平凈空收斂，由全站儀(精度2″)和電子水準(zhǔn)儀(精度0.3 mm)協(xié)同監(jiān)測(cè)。在不影響施工進(jìn)度的前提下，選定的壓力盒埋設(shè)斷面與變形監(jiān)測(cè)斷面保持一致。假設(shè)由鋼拱架、初噴混凝土組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)體完成剛性重組，則鋼拱架的變形與布設(shè)在初期支護(hù)結(jié)構(gòu)臨空面上的測(cè)點(diǎn)同步。

選定斷面上壓力傳感器的布設(shè)如圖2所示，壓力傳感器的底端固定在鋼拱架頂面。為保證圍巖的壓力能夠通過(guò)壓力傳感器順利傳遞到鋼拱架，采用噴射混凝土將壓力傳感器與圍壓之間的縫隙進(jìn)行填充，使得壓力傳感器頂面與圍巖產(chǎn)生剛性連接。采用預(yù)先焊接在鋼拱架頂面上的限位鋼筋將壓力傳感器固定，以保證二者能夠緊密結(jié)合成整體。壓力傳感器在鋼拱架上固定之后，利用膠帶將傳感器的導(dǎo)線與鋼拱架綁在一起，并順著鋼拱架的走向往下牽引，最終匯合至斷面的腳部位置。將所有導(dǎo)線合并、編號(hào)之后放置于提前準(zhǔn)備好的PVC管進(jìn)行保護(hù)，以防止分臺(tái)階開挖施工過(guò)程中導(dǎo)線被破壞。利用標(biāo)定的函數(shù)關(guān)系即可將實(shí)測(cè)讀數(shù)轉(zhuǎn)換成壓力值。

圖2 壓力盒的安裝及布設(shè)

3 數(shù)值模型及其參數(shù)標(biāo)定

3.1 開挖工法及初始模型參數(shù)

利用Midas GTS NX軟件實(shí)現(xiàn)交叉隧道開挖工法的模擬。根據(jù)施工計(jì)劃，主洞采用三臺(tái)階法開挖，支洞采用雙臺(tái)階法開挖，每個(gè)臺(tái)階長(zhǎng)度均為5 m，每次循環(huán)進(jìn)尺為2榀鋼拱架，鋼拱架間距為0.8 m。每榀進(jìn)尺完成后隨即施作初支結(jié)構(gòu)。待隧道主洞度過(guò)交叉口且下臺(tái)階開挖5 m并完成支護(hù)結(jié)構(gòu)后，開始左側(cè)支洞上臺(tái)階開挖。待左側(cè)支洞下臺(tái)階開挖5 m且完成支護(hù)支護(hù)結(jié)構(gòu)后，開始右側(cè)支洞上臺(tái)階開挖。為了節(jié)省工期和材料，開挖主洞的過(guò)程中除了主洞仰拱之外，與支洞重疊的區(qū)域不做初期支護(hù)結(jié)構(gòu)，銜接處的鋼拱架通過(guò)鎖腳錨桿與圍巖連成一體。

將噴射混凝土、鋼筋網(wǎng)、鋼拱架組成的結(jié)構(gòu)體簡(jiǎn)化成混凝土和鋼拱架的復(fù)合結(jié)構(gòu)體，其彈性模量由各組成材料按照一定的比例累加而成。假設(shè)復(fù)合結(jié)構(gòu)體的彈性模量為E，C25噴射混凝土的彈性模量為E0，I20a工字鋼的彈性模量為Eg。E的計(jì)算式為：

(1)

式中，Sc為C25混凝土面積；Sg為I20a工字鋼的面積。取計(jì)算單元的長(zhǎng)度為80 cm，單元厚度為25 cm。I20a工字的鋼標(biāo)準(zhǔn)面積為35.578 cm2，彈性模量為206 GPa；C25混凝土彈性模量為28 GPa。代入式(1)計(jì)算得到復(fù)合結(jié)構(gòu)體的彈性模量為31.5 GPa?？紤]到隧道圍巖為灰?guī)r和砂巖互層，對(duì)每層圍巖單獨(dú)考慮其材料參數(shù)，無(wú)益于節(jié)約計(jì)算成本，本研究利用1組抗剪強(qiáng)度指標(biāo)來(lái)綜合表征圍巖的抗剪特性，取值參考地勘報(bào)告。初始模型參數(shù)取值見表1。

表1 隧道三維模型參數(shù)的初始值

本研究建立的交叉隧道三維有限元模型由圍巖、開挖部分、支護(hù)部分和系統(tǒng)錨桿組成，其中圍巖視為各向同性體，采用實(shí)體單元模擬，其強(qiáng)度滿足符合摩爾-庫(kù)倫強(qiáng)度準(zhǔn)則。復(fù)合結(jié)構(gòu)體和系統(tǒng)錨桿視為線彈性體，分別采用板單元和植入式桁架單元進(jìn)行模擬。

3.2 模型參數(shù)的標(biāo)定

將表1所示模型參數(shù)作為初始輸入，采用反演分析法來(lái)標(biāo)定圍巖抗剪指標(biāo)，使之能夠真實(shí)反映隧道圍巖的抗剪特性，標(biāo)定流程見圖3。

圖3 交叉隧道模型參數(shù)的反演標(biāo)定流程

將5個(gè)實(shí)測(cè)斷面作為研究對(duì)象，對(duì)隧道圍巖抗剪強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行了多次修正，最終得到修正后的圍巖黏聚力為0.51 MPa，內(nèi)摩擦角為38°，其他模型參數(shù)保持不變。圖4為標(biāo)定之后模型的預(yù)測(cè)值和實(shí)測(cè)值對(duì)比的典型結(jié)果?？梢钥闯?，預(yù)測(cè)值能夠合理地描述實(shí)測(cè)值隨著施工步驟的推進(jìn)，先快速增大隨后逐漸趨于平穩(wěn)的趨勢(shì)。決定系數(shù)R2取值較為理想，表明隧道圍巖變形的預(yù)測(cè)值和實(shí)測(cè)值具有良好的吻合性。

圖4 主洞圍巖變形的實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值比較

圖5為圍巖壓力的實(shí)測(cè)值和預(yù)測(cè)值典型對(duì)比結(jié)果。鑒于土壓力盒需裝完鋼拱架再進(jìn)行埋設(shè)，且初噴混凝土達(dá)到一定強(qiáng)度后才具備讀數(shù)的條件，因此壓力值的讀取次數(shù)有限。取K51+535斷面壓力盒1、壓力盒2和壓力盒5采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果見圖4。監(jiān)測(cè)斷面上實(shí)測(cè)的圍巖壓力值和預(yù)測(cè)值均有可接受的吻合度。個(gè)別測(cè)點(diǎn)上實(shí)測(cè)值較預(yù)測(cè)值偏小或未能充分反映圍巖壓力的突變過(guò)程，其原因與測(cè)量誤差、傳感器的埋設(shè)質(zhì)量及圍巖的局部巖性變動(dòng)有關(guān)。

圖5 主洞圍巖壓力的實(shí)測(cè)值和預(yù)測(cè)值比較

4 交叉隧道穩(wěn)定性分析

通過(guò)建立交叉隧道的三維有限元模型，利用標(biāo)定后的模型參數(shù)對(duì)交叉隧道的施工過(guò)程進(jìn)行模擬。為消除邊界效應(yīng)的影響，模型長(zhǎng)度取110 m，寬度取90 m，隧道底面到模型底面的距離為36 m。將主洞長(zhǎng)度取為56 m，兩側(cè)支洞長(zhǎng)度均取16 m，整個(gè)計(jì)算模型由15 928個(gè)實(shí)體單元和9 350個(gè)節(jié)點(diǎn)組成，完成施工工序的模擬共需要114個(gè)施工步。模擬過(guò)程中將當(dāng)前步驟和前后步驟之間的荷載分擔(dān)比設(shè)定為0.4∶0.3∶0.3，得到的計(jì)算結(jié)果更符合互層狀圍巖的應(yīng)力釋放特點(diǎn)。

4.1 圍巖變形和應(yīng)力

4.1.1 變形

將主、支洞縱軸線相交處(K51+551.6)主洞斷面的拱頂頂點(diǎn)和仰拱中點(diǎn)分別命名為考察點(diǎn)1和考察點(diǎn)2。取主、支洞拐角處(K51+547.4)的主洞斷面，將其左、右兩側(cè)邊墻4.5 m高度處分別命名為考察點(diǎn)3和考察點(diǎn)4。此4個(gè)考察點(diǎn)開挖過(guò)程中交叉隧道的圍巖變形規(guī)律如圖6所示。隨著掌子面的接近，拱頂和仰拱的變形量均迅速增大，表現(xiàn)為圍巖拱頂發(fā)生下沉、仰拱發(fā)生隆起。隨著開挖掌子面的遠(yuǎn)去，變形量逐漸趨于穩(wěn)定，達(dá)到穩(wěn)定之后的最大變形量為12 mm。左、右邊墻的變形規(guī)律類似，受開挖工法以及兩側(cè)支洞開挖的影響，右側(cè)邊墻的變形較左側(cè)邊墻稍有滯后，且兩側(cè)邊墻的變形均有二次增大、隨后又趨于穩(wěn)定的現(xiàn)象，達(dá)到穩(wěn)定之后主洞邊墻的最大變形量可達(dá)40 mm。

圖6 交叉區(qū)域隧道圍巖的變形規(guī)律

4.1.2 應(yīng)力

施工過(guò)程中，隧道交叉區(qū)域圍巖的受力狀態(tài)是另一個(gè)需要關(guān)注的指標(biāo)。假設(shè)隧道圍巖的屈服遵循摩爾-庫(kù)倫屈服準(zhǔn)則，以最大剪應(yīng)力為考察指標(biāo)，評(píng)估交叉區(qū)域圍巖的應(yīng)力變化規(guī)律。同樣利用上述4個(gè)考察點(diǎn)，圍巖的最大剪應(yīng)力變化規(guī)律如圖7所示?？傮w而言，隨著開挖掌子面的臨近，最大剪切應(yīng)力均經(jīng)歷了先迅速增大，隨后迅速下降，最后趨于穩(wěn)定的過(guò)程。就應(yīng)力水平而言，拱頂和仰拱處最大剪應(yīng)力約為470～500 kPa，邊墻處的最大剪應(yīng)力可達(dá)1 340 kPa?？紤]到隧道圍巖單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為9.5 MPa和9.2 MPa，可判斷得出，拱頂和仰拱圍巖的應(yīng)力狀態(tài)處于安全范疇。由于交叉區(qū)域的開挖，邊墻圍巖臨空面增大，使得其應(yīng)力水平達(dá)到了峰值強(qiáng)度的14.6%，是容易發(fā)生屈服的狀態(tài)，施工過(guò)程中務(wù)必引起重視。建議交叉區(qū)域的施工要迅速，盡量減少圍巖裸露時(shí)間，還可適當(dāng)加密交叉區(qū)域主洞的鋼拱架間距，并將鎖腳錨桿加倍，以保證圍巖和初期支護(hù)結(jié)構(gòu)迅速完成剛性重組，圍巖應(yīng)力得以快速釋放，以減少自身發(fā)生屈服的可能性。

圖7 交叉區(qū)域隧道圍巖的應(yīng)力規(guī)律

4.2 初期支護(hù)結(jié)構(gòu)

4.2.1 混凝土和鋼拱架復(fù)合結(jié)構(gòu)體

以水平方向位移Tx、垂直方向位移Tz和最大剪應(yīng)力Smax為評(píng)價(jià)指標(biāo)，考察隧道交叉區(qū)域混凝土和鋼拱架復(fù)合結(jié)構(gòu)體的穩(wěn)定性，計(jì)算結(jié)果如圖8所示。總體而言，水平位移較大值位于隧道主洞和支洞相交處的4個(gè)拐角及主洞邊墻的上半部分；垂直位移的較大值主要集中于十字交叉口處的仰拱(和拱頂)。從量級(jí)上分析，水平位移和垂直位移的最大值均與對(duì)應(yīng)位置上隧道圍巖的變形量級(jí)相當(dāng)，不再討論。最大剪應(yīng)力集中的區(qū)域位于隧道主洞和支洞相交處的4個(gè)拐角及主洞邊墻墻角，其取值為14.2～30.5 MPa。這種應(yīng)力水平對(duì)于鋼拱架而言是一個(gè)安全的范疇，但對(duì)于C25混凝土而言，已經(jīng)接近甚至超過(guò)其強(qiáng)度值，施工過(guò)程中務(wù)必引起重視。在C25混凝土的噴射質(zhì)量能夠得到保證的前提下，建議可適當(dāng)加密交叉區(qū)域主洞的鋼拱架間距，讓更多的鋼拱架參與圍巖應(yīng)力重分布過(guò)程，以減少噴射混凝土開裂的現(xiàn)象發(fā)生。三臺(tái)階施工過(guò)程中，能夠落地的鋼拱架應(yīng)保證有足夠的支撐強(qiáng)度，并及早施作鎖腳錨桿，保證鎖腳的制作質(zhì)量。仰拱一旦開挖，應(yīng)快速施作支護(hù)結(jié)構(gòu)以完成封閉成環(huán)，不宜讓圍巖裸露時(shí)間太長(zhǎng)。

圖8 初期支護(hù)結(jié)構(gòu)變形及應(yīng)力云圖

4.2.2 系統(tǒng)錨桿

系統(tǒng)錨桿將初噴混凝土、鋼拱架、鋼筋網(wǎng)片及圍巖連成一體，使得有更厚的松動(dòng)圈參與圍巖應(yīng)力重分布。為考察系統(tǒng)錨桿的真實(shí)受力狀態(tài)，取交叉區(qū)域的系統(tǒng)錨桿為研究對(duì)象，其軸力云圖如圖9所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，隧道拱部的系統(tǒng)錨桿，其承受的軸力水平普遍小于隧道邊墻，這也印證了隧道圍巖和初期支護(hù)結(jié)構(gòu)在水平方向上的位移比垂直方向上位移普遍偏大的現(xiàn)象。從數(shù)值上看，拱部系統(tǒng)錨桿承受的拉力在6.7～31.1 kN之間，而邊墻系統(tǒng)錨桿則要承受31.1～88.3 kN的拉力，個(gè)別錨桿受到的拉力接近甚至超過(guò)了100 kN的設(shè)計(jì)強(qiáng)度。這種現(xiàn)象說(shuō)明系統(tǒng)錨桿的布局設(shè)計(jì)不合理，使得整個(gè)系統(tǒng)錨桿的受力不夠均勻，局部發(fā)生了應(yīng)力集中現(xiàn)象，從而導(dǎo)致個(gè)別錨桿可能失效。建議增加系統(tǒng)錨桿的抗拉拔試驗(yàn)數(shù)量，以準(zhǔn)確測(cè)取其抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，利用安全系數(shù)折減之后作為系統(tǒng)錨桿的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，據(jù)此將拱部錨桿的數(shù)量減少，將邊墻錨桿的數(shù)量增加，以限制邊墻圍巖產(chǎn)生更多的水平位移。

圖9 系統(tǒng)錨桿軸力云圖(單位:kN)

5 結(jié)論

以某平面交叉隧道為研究對(duì)象，利用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬完成了隧道三維有限元模型參數(shù)的標(biāo)定，從而對(duì)隧道的施工工序進(jìn)行了模擬，對(duì)交叉區(qū)域圍巖和初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性進(jìn)行了評(píng)估，并給出了優(yōu)化建議，得到的主要結(jié)論如下：

(1)采用反演分析法，完成了隧道三維有限元模型參數(shù)的標(biāo)定，獲取了1組可合理反映圍巖及初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變特性的模型參數(shù)。

(2)將變形和應(yīng)力作為考察指標(biāo)，對(duì)施工過(guò)程中交叉區(qū)域圍巖拱頂、仰拱、邊墻及初期支護(hù)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)錨桿等關(guān)鍵施工部分的穩(wěn)定性進(jìn)行了評(píng)估。認(rèn)為主洞和支洞相交處的4個(gè)拐角及主洞邊墻是交叉區(qū)域變形和應(yīng)力集中區(qū)，應(yīng)采取相應(yīng)的補(bǔ)強(qiáng)措施，以保證施工的安全性。

(3)設(shè)計(jì)文件中給出的系統(tǒng)錨桿的布局需要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，建議適當(dāng)減少拱部錨桿數(shù)量，同時(shí)增加主洞邊墻處的錨桿數(shù)量。