大斷面古土壤隧道圍巖壓力分布規(guī)律及支護(hù)結(jié)構(gòu)受力特征分析
——以銀西高鐵早勝3號(hào)隧道為例

葉萬(wàn)軍， 吳云濤， *， 陳 明， 劉江濤

(1. 西安科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院， 陜西 西安 710054； 2. 中鐵十二局集團(tuán)第四工程有限公司， 陜西 西安 710054)

0 引言

銀西高鐵作為我國(guó)《中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》中高等級(jí)鐵路福銀高鐵的組成部分，自東向西依次穿越咸陽(yáng)塬、長(zhǎng)武塬、早勝塬、董志塬等幾大典型黃土塬區(qū)，大厚度的黃土覆蓋層使得修建隧道成為高鐵建設(shè)的有利方案之一。早勝3號(hào)隧道作為國(guó)內(nèi)第一條大斷面古土壤隧道，在保證大斷面隧道施工安全的同時(shí)，又要考慮許多首次出現(xiàn)的地層情況，給設(shè)計(jì)和施工者帶來(lái)了很大困擾。

國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)于古土壤進(jìn)行了大量研究： 唐克麗等[1]通過(guò)對(duì)黃土剖面土樣進(jìn)行礦物組成和孢粉分析，揭示了干旱與半干旱環(huán)境演化過(guò)程； 楊萍等[2]通過(guò)對(duì)古土壤相關(guān)研究進(jìn)行梳理，分析了全新世環(huán)境變化；陳留勤等[3]分析了古土壤在沉積環(huán)境解釋和地層劃分對(duì)比中的作用；趙景波等[4]研究了西安和寶雞地區(qū)第1層古土壤發(fā)育時(shí)土壤有效水含量、重力水分布和水循環(huán)等問(wèn)題；此外，文獻(xiàn)[5-7]也對(duì)古土壤的特性進(jìn)行了大量研究。對(duì)于大斷面隧道，扈世民[8]通過(guò)對(duì)蘭渝鐵路進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，認(rèn)為黃土隧道具有圍巖變形量大、圍巖變形持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn)；周云鵬[9]通過(guò)對(duì)唐塬隧道進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，認(rèn)為隧道圍巖壓力的最大值出現(xiàn)在中軸線側(cè)面40°左右，圍巖的水平壓力分布形式呈拱部線性增長(zhǎng)、直墻部分均勻分布的特點(diǎn)；孟德鑫等[10]以寶蘭客專(zhuān)西坡隧道為背景，分析了圍巖壓力和支護(hù)結(jié)構(gòu)受力的規(guī)律；文獻(xiàn)[11-14]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和數(shù)值模擬的方法，對(duì)圍巖壓力、圍巖穩(wěn)定性和圍巖變形情況進(jìn)行了研究。

鑒于黃土與古土壤存在著明顯的結(jié)構(gòu)性差異[15]，同時(shí)早勝3號(hào)隧道作為首條古土壤隧道，缺乏相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，本文以早勝3號(hào)隧道為研究背景，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)獲得古土壤的基本物理力學(xué)性質(zhì)，并利用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的方法對(duì)圍巖壓力分布規(guī)律和支護(hù)結(jié)構(gòu)受力情況進(jìn)行系統(tǒng)研究，以期對(duì)相似地層條件下隧道設(shè)計(jì)和施工提供一定依據(jù)。

1 工程背景

1.1 工程概況

早勝3號(hào)隧道為銀西鐵路控制性工程，設(shè)計(jì)為雙線單洞，總長(zhǎng)11 171.38 m。隧道穿越黃土梁塬溝壑區(qū)，地面高程為995～1 250 m，相對(duì)高差約255 m，北高南低，溝梁相間，沖溝下切較深，多呈“V”字形，兩岸邊坡高陡，局部發(fā)育滑坡、錯(cuò)落、溜坍和黃土陷穴等不良地質(zhì)現(xiàn)象。

1.2 隧道設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)地質(zhì)情況判別，古土壤地層為Ⅳ級(jí)圍巖，采用Ⅳd型復(fù)合式襯砌支護(hù)，設(shè)計(jì)支護(hù)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

Ⅳd型襯砌初期支護(hù)采用I20型鋼拱架，間隔為0.8 m，拱墻、仰拱噴射混凝土厚度均為27 cm；拱部140°范圍采用φ42 mm×3.5 mm熱軋無(wú)縫鋼管，長(zhǎng)4 m，環(huán)向間距0.5 mm，邊墻采用φ22 mm砂漿錨桿，每個(gè)臺(tái)階拱腳部位采用φ42 mm無(wú)縫鋼管打設(shè)鎖腳錨管，長(zhǎng)度均為4 m，間距為1.0 m×0.6 m(環(huán)向×縱向)；連接筋采用φ22 mm鋼筋制作，環(huán)向間距1 m，與拱架焊接牢固；二次襯砌采用鋼筋混凝土，厚度為50 cm。

圖1 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)分布示意圖Fig. 1 Sketch of tunnel support structure distribution

隧道開(kāi)挖斷面面積為153 m2，屬于特大斷面，采用三臺(tái)階七步開(kāi)挖法，臺(tái)階高度比為1∶1∶1，上臺(tái)階的臺(tái)階長(zhǎng)度控制在3～5 m，中臺(tái)階的臺(tái)階長(zhǎng)度控制在5～8 m，開(kāi)挖循環(huán)進(jìn)尺控制在每次不大于2榀拱架。安全步距為： 仰拱初期支護(hù)封閉成環(huán)距掌子面不大于35 m，二次襯砌距掌子面不大于90 m。

1.3 監(jiān)測(cè)斷面情況

在早勝3號(hào)隧道3#斜井西安方向布設(shè)1組監(jiān)測(cè)斷面，里程為DK192+050，埋深為220 m，從隧道縱斷面圖(見(jiàn)圖2)可以看出，此處為隧道穿越黃土塬區(qū)。

圖2 隧道縱斷面圖Fig. 2 Longitudinal profile of tunnel

2 古土壤工程特性

從早勝3號(hào)隧道多處取樣，均發(fā)現(xiàn)土體呈紅褐色、硬塑、稍濕，富含鈣質(zhì)結(jié)核和鐵錳菌絲體，結(jié)構(gòu)致密，土質(zhì)均勻。通過(guò)對(duì)密度、含水量、液塑限以及相對(duì)密度的測(cè)試，得到古土壤的基本物理性質(zhì)指標(biāo)，見(jiàn)表1。

通過(guò)對(duì)古土壤剪切強(qiáng)度、膨脹性能以及水理性進(jìn)行測(cè)試，認(rèn)為古土壤具有剪切強(qiáng)度大、弱膨脹性、不具有濕陷性、結(jié)構(gòu)性較差的特點(diǎn)。具體指標(biāo)見(jiàn)表2。

表1 古土壤的物理性質(zhì)指標(biāo)

表2 古土壤的強(qiáng)度、膨脹性、水理性指標(biāo)

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方案

根據(jù)古土壤地層的分布情況，選擇試驗(yàn)里程為DK192+050，在該斷面從拱頂至仰拱依次選擇10個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試(測(cè)點(diǎn)分布見(jiàn)圖3)，分別采用振弦式土壓力盒測(cè)試圍巖壓力、表面應(yīng)變計(jì)測(cè)試鋼拱架變形以及鋼筋應(yīng)力計(jì)測(cè)試2榀鋼架間的應(yīng)力(見(jiàn)圖4)。

圖3 監(jiān)測(cè)設(shè)備埋設(shè)斷面圖Fig. 3 Layout of monitoring equipment

圖4 監(jiān)測(cè)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)埋設(shè) Fig. 4 Site equipment embedding plan

4 試驗(yàn)結(jié)果分析及討論

4.1 圍巖壓力變化情況

圍巖壓力變化曲線如圖5所示，圍巖壓力包絡(luò)圖見(jiàn)圖6。

圖5 圍巖壓力變化曲線Fig. 5 Pressure variation curves of surrounding rock

圖6 圍巖壓力包絡(luò)圖 (單位： MPa)

Fig. 6 Envelope diagram of surrounding rock pressure (unit: MPa)

由圖5和圖6可以看出： 1)各測(cè)點(diǎn)曲線大致經(jīng)歷了急劇變化—緩慢變化—平穩(wěn)變化3個(gè)階段?？紤]隧道開(kāi)挖對(duì)巖土體的影響，認(rèn)為該過(guò)程為土體卸荷過(guò)程，開(kāi)挖會(huì)使土體裂隙不斷擴(kuò)張，從而造成土體松動(dòng)，使得圍巖松動(dòng)壓力增大，但隨著作用于土體的支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生作用，土體裂隙得到有效控制，松動(dòng)壓力由緩慢變化狀態(tài)逐漸變?yōu)槠椒€(wěn)變化狀態(tài)。 2)1#、2#、3#點(diǎn)均為上臺(tái)階測(cè)點(diǎn)，其中1#點(diǎn)變化幅度最大，開(kāi)挖結(jié)束后拱頂土體完全臨空，圍巖壓力穩(wěn)定時(shí)達(dá)到了0.11 MPa。 3)4#、5#點(diǎn)分別為中臺(tái)階左、右兩側(cè)測(cè)點(diǎn)，從圖像可以看出，4#點(diǎn)圍巖壓力明顯大于5#點(diǎn)，分析原因認(rèn)為，由于采用三臺(tái)階七步開(kāi)挖工法，同一里程左右兩側(cè)開(kāi)挖相差1個(gè)施工循環(huán)，在施工右臺(tái)階時(shí)，上臺(tái)階和左側(cè)鋼拱架已能夠較好地控制圍巖變形，因此造成右側(cè)圍巖壓力較小。此外，4#點(diǎn)在第18天時(shí)壓力出現(xiàn)突變，但在第19天恢復(fù)正常，認(rèn)為可能是由于數(shù)據(jù)記錄過(guò)程中的誤錄，并不影響4#點(diǎn)的增長(zhǎng)規(guī)律。4)6#、7#點(diǎn)圍巖壓力較小，且變化幅度較小。5)對(duì)于仰拱處測(cè)點(diǎn)，8#點(diǎn)圍巖壓力明顯大于其他各點(diǎn)，即拱腳處圍巖壓力大于其余各點(diǎn)，與理論相符。

由圖6可以看出，左側(cè)點(diǎn)壓力明顯大于右側(cè)點(diǎn)，由于深埋隧道基本不存在偏壓情況，因此分析認(rèn)為三臺(tái)階七步開(kāi)挖法是造成圍巖壓力分布不均的主要原因。從三臺(tái)階七步開(kāi)挖法示意圖(見(jiàn)圖7)可以看出，該工法實(shí)質(zhì)是將隧道斷面劃分成多個(gè)小的部分，采用分部開(kāi)挖來(lái)保證隧道的穩(wěn)定。但由于各分部的卸荷方式不同，因此造成圍巖壓力分布不均。當(dāng)開(kāi)挖拱頂(圖7中編號(hào)1部分)時(shí)，相當(dāng)于對(duì)拱頂圍巖進(jìn)行了軸向卸荷，拱頂土體缺乏支撐，處于臨空狀態(tài)；開(kāi)挖左側(cè)中臺(tái)階(圖7中編號(hào)2部分)時(shí)，由于右側(cè)相比左臺(tái)階滯后1個(gè)工作循環(huán)，造成左側(cè)中臺(tái)階開(kāi)挖后，拱頂和右側(cè)土體均有向左側(cè)擠壓的趨勢(shì)。當(dāng)開(kāi)挖右側(cè)中臺(tái)階時(shí)，拱頂及左側(cè)支護(hù)已形成，因此造成左側(cè)圍巖壓力大于右側(cè)；而對(duì)于仰拱，雖然同樣為軸向卸荷，但此時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)已成型、共同分擔(dān)圍巖壓力，因此仰拱處圍巖壓力小于拱頂。

圖7 三臺(tái)階七步開(kāi)挖法示意圖

Fig. 7 Sketch of three-bench seven-step excavation method

4.2 拱架間軸力變化情況

鋼拱架間軸力變化曲線如圖8所示，鋼拱架間軸力包絡(luò)圖見(jiàn)圖9。

圖8 鋼拱架間軸力變化曲線

Fig.8 Variation curves of axial force of two adjacent steel arches

圖9 鋼拱架間軸力包絡(luò)圖 (單位： kN)

Fig. 9 Envelope diagram of axial force of two adjacent steel arches (unit: kN)

由圖8可以看出，剛開(kāi)始時(shí)鋼拱架間軸力變化較大，當(dāng)監(jiān)測(cè)持續(xù)至20多d時(shí)，相鄰2榀鋼拱架間軸力趨于穩(wěn)定。分析認(rèn)為： 在監(jiān)測(cè)初期，由于支護(hù)結(jié)構(gòu)尚未成環(huán)，拱架間缺乏相互約束，拱架間軸力受施工影響較大；當(dāng)支護(hù)結(jié)構(gòu)成環(huán)后，相鄰拱架在連接筋作用下形成整體，共同分擔(dān)受力。因此，拱架間軸力變化逐漸變緩。而當(dāng)混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)值時(shí)，拱架、鋼筋網(wǎng)片、錨桿組成的復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)形成，各部分支護(hù)結(jié)構(gòu)間協(xié)調(diào)分擔(dān)受力，使得拱架間軸力變化趨于平穩(wěn)。同時(shí)，由圖8可以看出，2#點(diǎn)的變化趨勢(shì)出現(xiàn)異常，認(rèn)為開(kāi)挖中臺(tái)階時(shí)，可能受到施工影響，出現(xiàn)了跳躍性變化，但當(dāng)支護(hù)結(jié)構(gòu)完整時(shí)恢復(fù)正常。

鋼筋應(yīng)力計(jì)標(biāo)定書(shū)規(guī)定，受壓為正，受拉為負(fù)，由圖9測(cè)試結(jié)果可以看出，鋼拱架間軸力以受壓為主。分析認(rèn)為： 鋼拱架作為支護(hù)結(jié)構(gòu)的主體，除了受到圍巖縱向及側(cè)向的壓力外，還受到平行開(kāi)挖面推進(jìn)方向的壓力。隧道開(kāi)挖形成臨空面，隧道除洞內(nèi)方向均約束圍巖變形，因此只能沿洞內(nèi)方向變形(見(jiàn)圖10)，以便達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)，該過(guò)程中會(huì)形成部分變形土體作用于支護(hù)結(jié)構(gòu)，使得相鄰支護(hù)結(jié)構(gòu)間以受壓為主。另外，雖然軸力量值個(gè)別點(diǎn)變化幅度較大，但均不超過(guò)100 kN，鋼拱架軸力較大值出現(xiàn)在4#點(diǎn)和拱腳處，與其圍巖壓力相對(duì)應(yīng)。

圖10 圍巖向洞內(nèi)擠出情況示意圖Fig. 10 Sketch of extrusion of surrounding rock to tunnel

4.3 拱架變形情況

表面應(yīng)變計(jì)通過(guò)固定支座固定于鋼拱架內(nèi)側(cè)翼緣來(lái)獲得拱架的變形情況，為了能夠更加方便直觀，將變形換算為拱架受力情況，并繪制了鋼拱架環(huán)向受力包絡(luò)圖。鋼拱架表面應(yīng)變變化曲線如圖11所示，鋼拱架環(huán)向受力包絡(luò)圖見(jiàn)圖12。

圖11 鋼拱架表面應(yīng)變變化曲線

Fig. 11 Variation curves of surface strain of steel arch frame

圖12 鋼拱架環(huán)向受力包絡(luò)圖 (單位： kN)

Fig. 12 Envelope diagram of circumferential force of steel arch frame (unit: kN)

由圖11可以看出，鋼拱架的變形同樣取決于支護(hù)結(jié)構(gòu)的完整程度和混凝土的強(qiáng)度。隨著支護(hù)結(jié)構(gòu)的完善，鋼拱架變形趨于緩慢； 當(dāng)混凝土強(qiáng)度逐漸接近并達(dá)到設(shè)計(jì)值時(shí)，鋼拱架的變形達(dá)到最終穩(wěn)態(tài)。在監(jiān)測(cè)曲線中，除了1#和3#點(diǎn)曲線存在個(gè)別點(diǎn)突變外，其余各點(diǎn)變化曲線均正常。

由圖12可以看出，上臺(tái)階1#、2#和3#點(diǎn)的變形曲線普遍高于其余各點(diǎn)，這是因?yàn)楣绊攪鷰r在重力作用下較為松動(dòng)，在豎向直接作用于支護(hù)結(jié)構(gòu)；而對(duì)于中下臺(tái)階，除去7#點(diǎn)外，變化幅度均不大。反觀7#點(diǎn)，此處圍巖壓力較小，為0.003 MPa，而拱架間的軸力為50.315 kN,因此認(rèn)為拱架的變形不完全因?yàn)閲鷰r壓力作用，兩榀拱架間的相互作用也產(chǎn)生了一定影響。10#點(diǎn)變化趨勢(shì)不同于其余各點(diǎn)，前期變化相對(duì)急劇，認(rèn)為當(dāng)支護(hù)結(jié)構(gòu)成環(huán)后，此時(shí)混凝土強(qiáng)度尚未形成，仰拱處的鋼拱架既要承受成環(huán)拱架的重力，又要分擔(dān)圍巖壓力，因此變形量相對(duì)較大；但隨著時(shí)間的推移，混凝土強(qiáng)度逐漸形成，支護(hù)結(jié)構(gòu)形成整體，分擔(dān)了仰拱處拱架的受力，拱架變形趨于平穩(wěn)。同時(shí)，從圖12可以看出，上臺(tái)階、仰拱底部受力(變形)最大，而拱腳處受力(變形)相對(duì)仰拱底部受力(變形)較小。

綜合看來(lái)，拱架受力(變形)大多集中于上臺(tái)階和仰拱底部。當(dāng)遇到不良地層時(shí)，如果在焊接拱架時(shí)能夠加強(qiáng)薄弱點(diǎn)的強(qiáng)度，將有利于支護(hù)結(jié)構(gòu)更好地發(fā)揮作用。

4.4 鋼拱架三維變形模式分析

結(jié)合鋼拱架間軸力包絡(luò)圖和鋼拱架環(huán)向受力包絡(luò)圖，得到鋼拱架三維受力圖(見(jiàn)圖13)?？梢钥闯?，鋼拱架除了受到洞周?chē)鷰r壓力外，還受到相鄰拱架間的作用力。而鋼拱架作為受壓構(gòu)件，主要承擔(dān)圍巖壓力，但此時(shí)鋼架間不均勻分布的軸力會(huì)削弱支護(hù)結(jié)構(gòu)的作用效果。分析認(rèn)為,理想工況(見(jiàn)圖14)時(shí)，當(dāng)拱架間各點(diǎn)同時(shí)受拉或受壓時(shí)，相當(dāng)于相鄰拱架間存在預(yù)應(yīng)力，支護(hù)結(jié)構(gòu)整體作用，能夠表現(xiàn)出較好的性能；當(dāng)拱架單側(cè)拉壓或一側(cè)抗拉、一側(cè)抗壓時(shí)，圍巖壓力不能完全作用在拱架上，使得一部分力作用在拱架間的連接筋上，不利于支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

根據(jù)鋼拱架三維受力示意圖，同時(shí)結(jié)合該斷面圍巖壓力，分析認(rèn)為1#點(diǎn)圍巖壓力為0.110 MPa時(shí)，鋼拱架的環(huán)向力和拱架間的軸力分別為762.5 kN和10.327 kN；而2#點(diǎn)圍巖壓力為0.006 MPa時(shí)，鋼拱架的環(huán)向力和拱架間的軸力分別為435.8 kN和32.125 kN；同樣對(duì)于3#點(diǎn)，鋼拱架的環(huán)向力和拱架間的軸力分別為382.89 kN和11.695 kN。從以上3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)可以看出，相鄰兩監(jiān)測(cè)點(diǎn)在相同方向上應(yīng)力變化趨勢(shì)的不同反映了實(shí)際工程中拱架受力具有不規(guī)律性，拱架容易產(chǎn)生局部扭曲，分散受力效果。因此，建議推行一體化鋼拱架。

圖13 鋼拱架三維受力示意圖 (單位： kN)

Fig. 13 Sketch of three-dimensional stress of steel arch frame (unit： kN)

(a) 相鄰拱架兩側(cè)上下同時(shí)拉(壓) (b) 相鄰拱架一側(cè)上壓下拉

(c) 相鄰拱架一側(cè)上拉下壓 (d) 相鄰拱架兩側(cè)上拉下壓

圖14鋼拱架間連接筋理想受力方式

Fig. 14 Stress mode of connecting bars between steel arch frames

5 結(jié)論與討論

以銀西高鐵早勝3號(hào)隧道為依托，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)得到以下結(jié)論：

1)圍巖壓力大致經(jīng)歷了急劇變化—緩慢變化—平穩(wěn)變化3個(gè)階段，同時(shí)圍巖壓力分布在拱腳處最大，并表現(xiàn)出左側(cè)明顯大于右側(cè)的情況。考慮土體應(yīng)力路徑變化情況，認(rèn)為三臺(tái)階七步法開(kāi)挖對(duì)圍巖壓力分布產(chǎn)生了重要影響。

2)相鄰2榀拱架間軸力以受壓為主，在支護(hù)結(jié)構(gòu)尚不完整和混凝土強(qiáng)度未達(dá)到設(shè)計(jì)值時(shí)，鋼拱架間軸力變化曲線尚未達(dá)到穩(wěn)態(tài)。因此，鋼架的完整程度以及與混凝土的協(xié)作關(guān)系直接影響了軸力變化情況，從而影響了支護(hù)結(jié)構(gòu)整體的受力性能。

3)鋼拱架在上臺(tái)階以及仰拱底部的變形較大，因此，認(rèn)為鋼拱架的變形主要集中在上臺(tái)階和仰拱底部。遇到不良地質(zhì)條件時(shí)，應(yīng)該人為增加這2處鋼架規(guī)格，從而提高支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

4)拱架受力表現(xiàn)出三維受力的特點(diǎn)，除了受到洞周?chē)鷰r豎向和側(cè)向壓力外，還受到相鄰鋼架間的作用力，并且呈現(xiàn)出局部受壓或受拉以及扭曲的特點(diǎn)。因此，建議推行一體化鋼拱架。

本次試驗(yàn)結(jié)論主要針對(duì)古土壤大斷面深埋隧道，對(duì)于淺埋或偏壓古土壤隧道還需要進(jìn)一步開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。