破碎地層交叉隧道開挖穩定性研究與控制

陳淑珍 孫敬濤

（重慶工程職業技術學院，402260，重慶∥第一作者，講師）

在地鐵修建過程中，遇到超大斷面隧道、交叉隧道及疊落隧道等復雜情況時，如未采用有效的加固措施和預處理方案，很容易造成掌子面失穩破壞，引發地面沉降甚至人員傷亡［1-4］。傳統的交叉點隧道施工常采用砌碹、鋼梁棚式或者錨桿支護等柔性支護方式，但這類支護在松散破壞的巖層中易發生較大變形，對隧道穩定性造成一定威脅。

現階段在交叉隧道開挖穩定性與支護措施等方面的研究頗多。文獻［5］利用相似模型試驗來分析交叉隧道開挖引起的周邊圍巖位移響應規律，得出了圍壓位移變化規律。文獻［6］結合交叉隧道采用雙側壁導坑施工法，分析了交叉隧道的施工步序對中間巖柱穩定性的影響，得出了合理的施工步序。文獻［7］利用有限差分法分析了極小凈距交叉隧道施工采用注漿加固措施的可行性，并得出最優支護方案。可見，針對交疊隧道或平行隧道的加固措施研究較多，但對交叉隧道存在中間巖柱的支護措施研究不多。

本文以地質環境復雜的青島地鐵3號線出入場線交叉隧道為工程背景，分析隧道開挖過程中的中間巖柱破壞機理，提出了3種支護方案，并對比各方案的加固效果，為工程安全、高效、優質施工提供理論指導。

1 交叉隧道破壞機理

1.1 隧道交叉點拱頂失穩破壞

地鐵區間隧道一般采用直墻拱的形式，上部拱頂結構受力合理，可有效避免應力集中［8-9］。如圖1所示，2個斜交的隧道會在相遇位置形成相貫線，使隧道拱頂結構的完整度遭到破壞，無法形成受力結構良好的拱形。當上部壓力較大時，應力無法向兩側圍巖穩定傳遞，從而在兩拱相交處形成應力集中，造成支護結構發生塑性破壞。因此，在交叉隧道相遇范圍內，若拱結構得不到有效加固，則不能將頂部壓力有效拴縛在上部穩定圍巖或傳遞至兩側基巖上，極易引起拱頂較大沉降位移。

圖1 交叉隧道平面示意圖

1.2 中間巖柱變形破壞

2個區間隧道相遇至分離范圍內會形成1個近似三角形的不規則巖柱。該巖柱承受兩側隧道上部覆巖重量，其豎向承載力與隧道穩定性密切相關。巖柱失穩直接表現為豎向位移過大，其橫向變形也可間接反映巖柱的應力狀態。在隧道開挖過程中，巖柱體受到兩側隧道施工重復擾動。在兩側隧道巖土體的移走過程中，由于巖柱側面缺少束縛力，中間巖柱的受力狀態會由三向穩定狀態變成危險的雙向受力狀態，使應力集中系數極度增加。該狀態下，巖柱受到橫向的拉伸力增加，易發生橫向變形。當兩側隧道支護強度較低時，巖體單元會發生壓縮破裂。橫向變形誘發豎向變形增長，巖柱體由內而外造成塑性區擴展，應力集中點增多，最終導致巖柱整體失穩，從而發生碎裂、塌落。

2 交叉點加固措施

中間巖柱是不規則的棱柱，且其巖柱體應力在這一狹小的空間內發生多次傳遞。靠近隧道兩側的巖柱體在受到豎向壓力后，會向隧道內部擴展，從而導致邊緣巖體發生塑性破壞。因此，限制隧道邊緣處巖體向隧道內擴展、及時控制圍巖變形是提高交叉點隧道穩定性的重要措施。具體來說，即利用支護結構提供的較高強度支護力，將臨空的隧道側壁加固成有束縛的整體結構。

2.1 鋼桁架支護

鋼桁架是由錨索梁、預應力錨索、U型棚組成空間桁架結構（如圖2所示）。利用樹脂錨索的膠結固定作用，將桁架緊貼于圍巖面上；利用桁架的封閉成環及拱形結構特點，可將圍巖壓力均勻地傳遞至隧道下部及兩側圍巖。

U型棚結構是主動剛性支護，而錨索是被動柔性支護。當桁架剛性變形超過一定程度后，嵌固于圍巖的柔性錨索逐漸發揮拉錨作用，將隧道周邊的圍巖應力傳遞至深層圍巖，從而降低施加在U型棚上的壓力，并且在圍巖周邊形成一層封閉的拱環，提高圍巖自身穩定性。

圖2 空間錨索桁架結構

2.2 中間巖柱加固

中間巖柱是決定交叉隧道穩定性的關鍵因素。中間巖柱的受力狀態為危險的雙向受力狀態，且巖柱承擔隧道斷面加寬范圍以上的塑性區巖層重力。

有效提高巖柱承載力需改變巖柱的受力狀態，一是降低上部巖層重力荷載，二是增加中間巖柱的水平約束力。相應的中間巖柱加固方法如圖3所示。在巖柱水平方向設置一定數量的錨索，錨索兩端嵌固在巖柱的兩側，對錨索施加預應力并借助鎖具對巖柱施加束縛力。通過調整此措施下的水平預應力，可實現改變中間巖柱應力狀態，提高豎向承載力。

圖3 中間巖柱加固方法示意圖

3 工程案例分析

本文以某交叉隧道實例為研究對象，建立仿真模型，對不同中間巖柱加固方案進行模擬，以驗證加固效果。

3.1 工程概況

青島地鐵某線車輛出入線與主線區間隧道相交。該工程隧道埋深10 m。隧道范圍為上軟下硬地層：上部土層厚3 m，為松散粉質黏土，巖體質量級別為Ⅵ級；中下部巖層為強風化花崗巖，巖體極軟，呈淺肉紅色，大部分結構構造已破壞；最下部為中風化花崗巖，巖體較軟，為塊狀構造，節理裂隙發育。隧道全部位于強風化花崗巖層中，出入線隧道與區間隧道斷面尺寸相同，且均采用礦山法施工。圍巖地質力學參數如表1所示。

表1 地層物理力學參數

交叉隧道開挖初期支護采用錨網噴U型梁的方式。U型梁采用工字型鋼，縱向間距為0.5 m，拱頂處錨索長3 m，拱腳處及直墻腳處均有鎖腳錨索；厚400 mm的二次襯砌采用C30混凝土。

3.2 數值仿真模型建立

采用有限差分法計算軟件，建立交叉隧道仿真模型（見圖4），進行仿真模擬。模型中，結構錨索采用Pile單元，錨網噴采用Liner單元，二襯采用實體單元。模型總共有22 500個單元、75 200個節點。模型上邊界為自由邊界；左右及前后為水平連桿約束，限制了模型的水平方向位移；模型下邊界為固定端約束，同時限制模型的水平及豎向位移。

圖4 交叉隧道仿真模型

3.3 中間巖柱加固方案的模擬結果

中間巖柱的處理方案有3個。其中，方案一為中間巖柱不進行任何支護加固，方案二為采用錨網噴+錨索+U型梁支護，方案三為采用錨網噴+U型梁+中間巖柱預應力錨索加固。

3.3.1 隧道模型靜態受力狀態下位移分析

對三種方案進行模擬計算，得到隧道模型在靜態受力狀態下的位移云圖（見圖5）。

由圖5 a）可知，采用方案一時，中間巖柱豎向沉降位移值達62 mm，巖柱尖端最大水平位移為48 mm，巖柱擴大端最大水平位移為36 mm，均超過了隧道拱頂沉降安全允許值。兩隧道之間的巖柱豎向沉降位移與拱頂豎向沉降位移相同，通過位移可以判斷，中間巖柱塑性區已貫通，中間巖柱已損壞。

由圖5 b）可知，采用方案二后，巖柱的水平位移及豎向位移均較方案一有所降低。巖柱的尖端位置水平位移最大值僅為25 mm，較無支護時降低了48%；拱頂出現沉降較大的范圍明顯縮小，巖柱擴大段的最大水平位移為22 mm，比無支護時降低了66.7%；中間巖柱塑性區大幅減小。

由圖5 c）可知，采用方案三時，巖柱尖端最大豎向位移為16 mm，比方案二降低了36%；巖柱擴大端最大豎向位移為15 mm，比方案二降低了31.8%。隧道上部沉降范圍明顯降低，中間巖柱未出現塑性區貫通的現象，巖柱穩定性得到保證。

由上述分析可見，在中間巖柱施加水平向的預應力錨索，可提高中間巖柱的穩定性，明顯改善巖柱尖端的受力狀態。

3.3.2 施工過程的位移模擬計算

主隧道先施工至交叉點的開始位置，做完二次襯砌之后，再施工兩分支隧道至交匯點。

隧道施工過程中，中間巖柱的擴大端處及尖頂端處豎向位移為施工穩定的控制點。各加固方案的巖柱豎向位移仿真計算結果見圖6。

圖6 a）為方案一的巖柱位移曲線。巖柱尖端初始位移為10 mm；當掌子面經過交叉點繼續推進時，巖柱尖端豎向位移迅速增加，增至30 mm時逐漸趨于穩定巖柱擴大端，初始位移為5 mm；當掌子面經過隧道交叉點繼續推進時，巖柱擴大端位移也開始迅速增加，且增加速度先小后大，最終巖柱擴大端位移穩定為38 mm。根據中間巖柱應力的模擬計算結果，在隧道施工完成后，中間巖柱尖端出現的集中應力最大值達8.5 MPa，在巖柱擴大端出現的集中應力最大值為5.6 MPa，而且巖柱側邊處的應力較大，巖柱中心的應力較小。

圖5 采用不同中間支柱加固方案的仿真模擬位移云圖

圖6 b）是方案二的中間巖柱位移曲線。當隧道開挖至中間巖柱位置時，巖柱尖端豎向位移迅速增加；在施做U型梁及上部拱頂錨索后，巖柱尖端的位移增速有減緩的趨勢，但并不明顯。根據應力模擬計算結果，在U型梁施加的位置，圍巖應力是上升的，且靠近巖柱的圍巖應力比遠離巖柱的圍巖應力高。掌子面繼續推進至中間巖柱尖端一側，巖柱豎向位移繼續增加，但是沉降曲線有平緩過渡段。這說明方案二可抑制豎向位移的發展，但不能減少豎向位移的發生。

圖6 c）為方案三的巖柱豎向位移，當隧道開挖至交叉點時巖柱尖端豎向沉降開始增加；打設巖柱預應力錨索之后，豎向位移開始平緩發展；隨著隧道繼續掘進，豎向位移再次增加；待相應位置的錨索打設完成之后，位移再次平緩發展；甚至隨著掌子面的推進，豎向位移還有下降的趨勢。

綜合比較方案二與方案三可以看出，中間巖柱在預應力錨索加固（方案三）下，豎向位移及最大主應力值均比巖柱無水平錨索加固（方案三）低。

3.4 工程實例驗證

在青島地鐵3號線交叉隧道開挖過程中，首先開挖主隧道，開挖至設計交叉點位置時，分別向左右兩側同時施工分支隧道A和分支隧道B。主隧道初期支護采用錨網噴及錨索支護，施工至交叉隧道時主隧道的二襯同時做完，待強度達到要求后再施工2條分支隧道。分支隧道的初期支護與主隧道相同，并采用方案三進行中間巖體加固。根據巖柱的寬度和高度，按照間排距2 m×2 m布置預應力錨索。U型棚采用36 U型鋼，其水平間距為0.5 m。

圖6 各加固方案巖柱豎向位移

圖7為隧道拱頂豎向位移及鄰近中間巖柱處側墻水平位移的模擬及實際監測曲線。由圖7可見，當掌子面推進至中間巖柱位置時，拱頂豎向位移及側墻水平位移均開始較快增加；當掌子面繼續推進時，位移均緩慢增加。模擬曲線與實測數據變化基本吻合。掌子面推進越過中間巖柱時，模擬與實測位移曲線逐漸趨于平緩。其中拱頂豎向最大沉降實測值為26.0 mm，模擬值為26.2 mm；側墻最大水平位移實測值為18.0 mm，模擬值為17.6 mm。位移均在安全允許范圍之內，表明方案三施工是可行的、安全的。

圖7 施工過程中的隧道位移曲線

4 結語

通過建立仿真模型，分析了交叉隧道中間巖柱的穩定性與位移變化規律。結合位移及應力特征，提出了巖柱的處理方案，通過仿真模型計算，比較了3種方案中隧道靜態受力狀態下的位移及施工狀態下的圍巖位移，選擇了錨網噴+U型梁+中間巖柱預應力錨索的中間巖柱處理方案。通過工程實例驗證了中間巖柱處理方案的可行性。

（1）隧道交叉點在結構受力上具有不穩定性，在掌子面推進過程中，中間巖柱易發生大變形及應力集中，若不采取加固措施，會導致交叉隧道的破壞。

（2）在中間巖柱施加預應力錨索，可為巖柱提供水平束縛力，將巖柱單元的雙向受力狀態轉變為穩定的三向受力狀態。

（3）實測數據分析表明，采用錨網噴+U型梁和中間巖柱預應力錨索的支護方案，可有效降低交叉隧道拱頂豎向位移及側墻水平位移，有效控制交叉隧道的變形。

［1］ 李術才，劉斌，孫懷鳳，等.隧道施工超前地質預報研究現狀及發展趨勢［J］.巖石力學與工程學報，2014（6）：1090.

［2］ 張治國，張孟喜.軟土城區土壓平衡盾構上下交疊穿越地鐵隧道的變形預測及施工控制［J］.巖石力學與工程學報，2013（S2）：3428.

［3］ 張成平，張頂立，王夢恕，等.城市隧道施工誘發的地面塌陷災變機制及其控制［J］.巖土力學，2010（S1）：303.

［4］ 郭晨.近距離重疊盾構隧道施工影響的數值模擬［D］.成都：西南交通大學，2009.

［5］ 杜菊紅，黃宏偉，熊玉朝.小凈距隧道凈距研究及施工技術應用［J］.地下空間與工程學報，2007（3）：488.

［6］ 楊小禮，眭志榮.淺埋小凈距偏壓隧道施工工序的數值分析［J］.中南大學學報（自然科學版），2007（4）：764.

［7］ 晏啟祥，何川，姚勇，等.小凈距隧道施工小導管注漿效果的數值模擬分析［J］.巖土力學，2004（S2）：239.

［8］ 王丹，張海波，王渭明,等.拱蓋法地鐵車站施工沉降規律及控制對策研究［J］.隧道建設，2015（1）：33.

［9］ 陳娛，張成良，王海強.復雜地質條件下連拱隧道現場監測與支護結構受力分析研究［J］.力學與實踐，2016（4）：1.

［10］ 崔建宏，陶玉敬.三聯隧道地表建筑物變形開裂原因分析［J］.建筑技術，2016（2）：154.

［11］ 王利民.暗挖地鐵隧道二次襯砌混凝土施工常見問題及對策［J］.建筑技術，2016（3）：202.

［12］ 周文波.盾構法隧道施工對周圍環境影響和防治的專家系統［J］.地下工程與隧道，1993（4）：120.

［13］ 孫鈞,易宏偉.地鐵隧道盾構掘進施工市區環境土工安全的地基變形與沉降控制［J］.地下工程與隧道，2001（2）：10.