立體交叉隧道圍巖變形特性及合理凈距的穩(wěn)定性研究*

許烺星 ，許慶君 ，雷 浩 ，張雄偉

（1.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 成都 611756；2.中鐵九局集團(tuán)第六工程有限公司，遼寧 沈陽 110000；3.中鐵西北科學(xué)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730070；4.蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

引言

根據(jù)大量工程實(shí)踐表明[1-2]，對(duì)隧道軟弱破碎圍巖支護(hù)工程來說，隧道圍巖的不同力學(xué)特征對(duì)圍巖安全穩(wěn)定性有較大影響，同時(shí)也會(huì)影響支護(hù)工程的好壞。對(duì)于小凈距立體交叉隧道，由于兩隧道凈間距過小，圍巖之間的位移場及應(yīng)力場的相互影響往往是不可忽略的，這使得圍巖的力學(xué)行為及圍巖穩(wěn)定安全性表現(xiàn)的更為復(fù)雜[3]。

學(xué)者們對(duì)小凈交叉距隧道進(jìn)行了大量研究。在試驗(yàn)方面，LI 等[4]對(duì)地鐵隧道通過數(shù)值分析和現(xiàn)場試驗(yàn)說明了合理的施工順序不僅能有效地控制地表沉降還能實(shí)現(xiàn)小凈距隧道群的安全快速施工；李桂江等[5]及李享松等[6]小凈距隧道的圍巖壓力及安全系數(shù)進(jìn)行了研究與驗(yàn)證，提出了在兩隧道先后開挖時(shí)，隧道凈距及地表坡度的變化對(duì)隧道內(nèi)側(cè)圍巖壓力影響較大。在施工建議方面，李建林等[7]及鄭熙熙等[8]都對(duì)小凈距的公路及城市隧道進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，表明隧道Ⅳ級(jí)圍巖小凈距段采用臺(tái)階法施工較為合理；而張治國等[9-10]也通過數(shù)值模擬及現(xiàn)場監(jiān)測對(duì)上下疊交的盾構(gòu)隧道進(jìn)行分析，提出了對(duì)重疊穿越地鐵隧道的施工規(guī)律以及響應(yīng)的安全控制技術(shù)措施。

本文采用TRT6000 超前地質(zhì)探測儀對(duì)草莓溝1#及2#立體鐵路隧道交叉段圍巖進(jìn)行綜合勘探，并通過開展隧道圍巖三軸壓縮試驗(yàn)，著重對(duì)隧道交叉段圍巖在不同圍壓下的全應(yīng)力-應(yīng)變過程及不同凈間距對(duì)圍巖安全穩(wěn)定性進(jìn)行分析及評(píng)價(jià)。研究結(jié)果可為類似鐵路隧道工程的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)提供參考。

1 工程概況

草莓溝1#隧道為單洞雙線隧道，全長3205m，洞身最大埋深約為106m。草莓溝1#隧道在DK250+891 處上跨盤道嶺隧道，交叉段軌面高差為14.10m，結(jié)構(gòu)凈距為4.24m。草莓溝2#隧道為單洞雙線隧道，全長4262m，洞身最大埋深約為150m。草莓溝2#隧道在TJLDK158+161 處下穿盤道嶺公路隧道，交叉段軌面至路面高差為16.06m，結(jié)構(gòu)凈距為7.47m。隧道交叉區(qū)段巖層可以按其成因分為第四系殘坡積層（Q4el+dl）及不同風(fēng)化程度的混合花崗巖；交叉段主要以混合花崗巖為主，巖性相對(duì)單一，巖塊呈灰白色，主要為全風(fēng)化～弱風(fēng)化；巖體較為破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，塊石狀結(jié)構(gòu)，巖體完整性較差，圍巖等級(jí)為IV、V。

2 交叉段圍巖地質(zhì)狀態(tài)分析

為了得到交叉段隧道圍巖地質(zhì)及構(gòu)造情況，使用TRT6000 地質(zhì)探測儀對(duì)草莓溝1#隧道DK250+865～915 交叉段50m 和草莓溝2#隧道TJLDK158+141～191 段交叉段50m 影響范圍內(nèi)地質(zhì)情況進(jìn)行超前預(yù)報(bào)。通過采集到的TRT 數(shù)據(jù)，并借助相關(guān)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到交叉段50m 影響范圍內(nèi)圍巖的地質(zhì)探測全息圖，如圖1 所示。

圖1 TRT 探測全息圖

經(jīng)過曲線擬合得出，交叉區(qū)段圍巖的橫、縱波波速分別為Vs=1000m/s；Vp=2600m/s；隧道交叉區(qū)段巖層可以按其成因分為第四系殘坡積層（Q4el+dl）及元古界震旦系混合花崗巖。地層由上而下依次為：第四系殘坡積層、強(qiáng)風(fēng)化混合花崗巖、弱風(fēng)化混合花崗巖；交叉段范圍內(nèi)地表水系不發(fā)育，在勘探區(qū)域內(nèi)有少量第四系空隙潛水及基巖裂隙水。勘查區(qū)未發(fā)現(xiàn)大型不良地質(zhì)構(gòu)造，這與地質(zhì)勘探結(jié)果基本吻合。

3 交叉段圍巖力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)分析

3.1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)所用巖樣采用草莓溝1#隧道DK250+875～915 段（巖樣1）及草莓溝2#隧道TJLDK158+141～181 段（巖樣2）圍巖。圍巖的三軸壓縮試驗(yàn)采用MTS815 電液伺服巖石試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

分別對(duì)兩組花崗巖巖樣進(jìn)行反復(fù)加載試驗(yàn)，巖樣在不同圍壓作用下破壞特征如圖2 所示。

可以看出在圍壓為0MPa 時(shí)，即巖樣只受軸向壓力，此時(shí)巖樣呈“圓錐形破壞”，這是由于承壓板兩端存在摩擦力，出現(xiàn)了端部效應(yīng)，使巖樣出現(xiàn)交叉狀的裂縫；圍壓為2～10MPa 時(shí)，巖樣呈“條帶狀破壞”，試件出現(xiàn)貫通裂縫，形成剪切破裂帶，最終導(dǎo)致巖樣的完全破壞。

圖2 不同圍壓條件下巖樣破壞特征

圖3 為簡化巖石的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，通過該簡化曲線可獲得巖石峰值主應(yīng)力曲線和殘余主應(yīng)力曲線。

圖3 簡化巖石的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

可以看出，應(yīng)力-應(yīng)變曲線在達(dá)到峰值之前，花崗巖巖樣處于彈塑性階段，隨著圍壓不斷增大，巖樣逐漸表現(xiàn)出應(yīng)變硬化的特性，因此該段的割線模量可以表示其彈性模量。經(jīng)過計(jì)算，得出該混合花崗巖試件的彈性模量E=5.9GPa，泊松比v=0.25。通過交叉段隧道圍巖三軸壓縮試驗(yàn)，得出了不同圍壓下巖樣的全應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，經(jīng)過試驗(yàn)測試及理論分析獲得了圍巖的力學(xué)參數(shù)，如表1 所示。通過交叉段隧道圍巖的常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析可知，不同圍壓對(duì)花崗巖試樣在峰值后應(yīng)變軟化階段和強(qiáng)度殘余階段的應(yīng)力狀態(tài)有較大影響：在圍壓減小過程中，巖樣的峰值強(qiáng)度稍有下降；由巖樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線可知，隨圍壓繼續(xù)增加，試樣逐漸由脆性破壞發(fā)展為延性破壞，巖樣的非線性應(yīng)變軟化過程不斷消散，并且其峰值與殘余強(qiáng)度之間的應(yīng)力差也不斷減小[12]，同時(shí)這也與巖石的理想塑性特征基本相符合。

表1 交叉段圍巖力學(xué)參數(shù)

4 不同凈間距下交叉段圍巖塑性區(qū)分析

由于立體交叉隧道凈間距過小，圍巖之間塑性區(qū)一般會(huì)產(chǎn)生相互作用，為了避免由于塑性區(qū)之間疊加效應(yīng)所產(chǎn)生的影響。同樣以草莓溝1#隧道上跨盤道嶺隧道為工程背景，采用FLAC3d數(shù)值模擬軟件在無支護(hù)下對(duì)圍巖塑性區(qū)不同凈間距時(shí)的相互影響進(jìn)行分析。結(jié)合對(duì)上述不同凈間距下安全系數(shù)的分析，此處主要取安全系數(shù)變化較為明顯的2～10m 為研究區(qū)間，取交叉隧道凈間距 H 為 2.5m、5m、10m工況下對(duì)立體交叉隧道圍巖塑性區(qū)的疊加進(jìn)行數(shù)值模擬，其塑性區(qū)應(yīng)力云圖如圖4 所示。可以看出，當(dāng)立體交叉隧道凈間距不變時(shí)，從上跨隧道拱頂至下穿隧道仰拱，其最大應(yīng)變?cè)隽砍霈F(xiàn)在隧道邊墻處，其次是交叉段圍巖處，最小應(yīng)變?cè)隽砍霈F(xiàn)在上跨隧道拱頂和下穿隧道仰拱處；當(dāng)隨著隧道凈間距的減小，交叉段圍巖塑性區(qū)不斷增大，同時(shí)圍巖應(yīng)變?cè)隽恳苍龃蟆Ａ硗猓部梢钥闯鲈谒淼澜徊嬷行亩螄鷰r的變形也大于隧道的仰拱及拱頂，這是由于立體隧道的存在形成了塑性區(qū)的疊加，導(dǎo)致該段圍巖的變形量較大。上跨與下穿隧道仰拱處的變形量隨凈間距的變化基本無變化，而上跨隧道的仰拱、交叉中心區(qū)段以及下穿隧道的拱頂隨著隨凈間距的增長其變形量變化最為明顯。

圖4 不同凈間距下的圍巖塑性區(qū)云圖

通過分析比較，數(shù)值模擬與理論計(jì)算結(jié)果基本相一致，即當(dāng)隧道凈間距較小時(shí)，交叉段圍巖塑性區(qū)增大，圍巖變形量增大，同時(shí)穩(wěn)定安全系數(shù)降低。對(duì)凈間距較小的立體交叉隧道而言，由于凈距過小導(dǎo)致其交叉段安全穩(wěn)定性較其他區(qū)段有所降低，因此在設(shè)計(jì)及施工階段都應(yīng)對(duì)交叉段采取加強(qiáng)支護(hù)、超前小導(dǎo)管注漿、及時(shí)封閉呈環(huán)等措施，以減小圍巖之間的相互影響。

5 結(jié)論

（1）隨圍壓增大，圍巖的非線性應(yīng)變軟化效應(yīng)逐漸減弱，表明圍壓對(duì)花崗巖試樣在峰值后應(yīng)變軟化階段和強(qiáng)度殘余階段的應(yīng)力狀態(tài)有較大影響，可在此階段前對(duì)圍巖進(jìn)行超前支護(hù)，防止隧道出現(xiàn)失穩(wěn)坍塌。（2）數(shù)值模擬結(jié)果表明邊墻的變形量最大，其次為交叉區(qū)段，上跨隧道拱頂和下穿隧道仰拱處最小；且上跨隧道的仰拱、交叉中心區(qū)段以及下穿隧道的拱頂隨著隨凈間距的增長其變形量變化最為明顯。（3）立體隧道交叉段之間存在明顯的塑性區(qū)疊加現(xiàn)象，且隨著隧道凈間距的減小，交叉段圍巖塑性區(qū)不斷增大，同時(shí)圍巖變形量也隨之增大。