大斷面古土壤隧道圍巖壓力分布規律及支護結構受力特征分析
——以銀西高鐵早勝3號隧道為例

葉萬軍， 吳云濤， *， 陳 明， 劉江濤

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

0 引言

銀西高鐵作為我國《中長期鐵路網規劃》中高等級鐵路福銀高鐵的組成部分，自東向西依次穿越咸陽塬、長武塬、早勝塬、董志塬等幾大典型黃土塬區，大厚度的黃土覆蓋層使得修建隧道成為高鐵建設的有利方案之一。早勝3號隧道作為國內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，又要考慮許多首次出現的地層情況，給設計和施工者帶來了很大困擾。

國內學者對于古土壤進行了大量研究： 唐克麗等[1]通過對黃土剖面土樣進行礦物組成和孢粉分析，揭示了干旱與半干旱環境演化過程； 楊萍等[2]通過對古土壤相關研究進行梳理，分析了全新世環境變化；陳留勤等[3]分析了古土壤在沉積環境解釋和地層劃分對比中的作用；趙景波等[4]研究了西安和寶雞地區第1層古土壤發育時土壤有效水含量、重力水分布和水循環等問題；此外，文獻[5-7]也對古土壤的特性進行了大量研究。對于大斷面隧道，扈世民[8]通過對蘭渝鐵路進行現場監測，認為黃土隧道具有圍巖變形量大、圍巖變形持續時間長等特點；周云鵬[9]通過對唐塬隧道進行現場監測，認為隧道圍巖壓力的最大值出現在中軸線側面40°左右，圍巖的水平壓力分布形式呈拱部線性增長、直墻部分均勻分布的特點；孟德鑫等[10]以寶蘭客專西坡隧道為背景，分析了圍巖壓力和支護結構受力的規律；文獻[11-14]通過現場監測和數值模擬的方法，對圍巖壓力、圍巖穩定性和圍巖變形情況進行了研究。

鑒于黃土與古土壤存在著明顯的結構性差異[15]，同時早勝3號隧道作為首條古土壤隧道，缺乏相關工程經驗，本文以早勝3號隧道為研究背景，通過室內試驗獲得古土壤的基本物理力學性質，并利用現場監測的方法對圍巖壓力分布規律和支護結構受力情況進行系統研究，以期對相似地層條件下隧道設計和施工提供一定依據。

1 工程背景

1.1 工程概況

早勝3號隧道為銀西鐵路控制性工程，設計為雙線單洞，總長11 171.38 m。隧道穿越黃土梁塬溝壑區，地面高程為995～1 250 m，相對高差約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，局部發育滑坡、錯落、溜坍和黃土陷穴等不良地質現象。

1.2 隧道設計參數

根據地質情況判別，古土壤地層為Ⅳ級圍巖，采用Ⅳd型復合式襯砌支護，設計支護結構如圖1所示。

Ⅳd型襯砌初期支護采用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熱軋無縫鋼管，長4 m，環向間距0.5 mm，邊墻采用φ22 mm砂漿錨桿，每個臺階拱腳部位采用φ42 mm無縫鋼管打設鎖腳錨管，長度均為4 m，間距為1.0 m×0.6 m(環向×縱向)；連接筋采用φ22 mm鋼筋制作，環向間距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 隧道支護結構分布示意圖Fig. 1 Sketch of tunnel support structure distribution

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

1.3 監測斷面情況

在早勝3號隧道3#斜井西安方向布設1組監測斷面，里程為DK192+050，埋深為220 m，從隧道縱斷面圖(見圖2)可以看出，此處為隧道穿越黃土塬區。

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號隧道多處取樣，均發現土體呈紅褐色、硬塑、稍濕，富含鈣質結核和鐵錳菌絲體，結構致密，土質均勻。通過對密度、含水量、液塑限以及相對密度的測試，得到古土壤的基本物理性質指標，見表1。

通過對古土壤剪切強度、膨脹性能以及水理性進行測試，認為古土壤具有剪切強度大、弱膨脹性、不具有濕陷性、結構性較差的特點。具體指標見表2。

表1 古土壤的物理性質指標

表2 古土壤的強度、膨脹性、水理性指標

3 現場試驗方案

根據古土壤地層的分布情況，選擇試驗里程為DK192+050，在該斷面從拱頂至仰拱依次選擇10個點進行測試(測點分布見圖3)，分別采用振弦式土壓力盒測試圍巖壓力、表面應變計測試鋼拱架變形以及鋼筋應力計測試2榀鋼架間的應力(見圖4)。

圖3 監測設備埋設斷面圖Fig. 3 Layout of monitoring equipment

圖4 監測設備現場埋設 Fig. 4 Site equipment embedding plan

4 試驗結果分析及討論

4.1 圍巖壓力變化情況

圍巖壓力變化曲線如圖5所示，圍巖壓力包絡圖見圖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)各測點曲線大致經歷了急劇變化—緩慢變化—平穩變化3個階段。考慮隧道開挖對巖土體的影響，認為該過程為土體卸荷過程，開挖會使土體裂隙不斷擴張，從而造成土體松動，使得圍巖松動壓力增大，但隨著作用于土體的支護結構產生作用，土體裂隙得到有效控制，松動壓力由緩慢變化狀態逐漸變為平穩變化狀態。 2)1#、2#、3#點均為上臺階測點，其中1#點變化幅度最大，開挖結束后拱頂土體完全臨空，圍巖壓力穩定時達到了0.11 MPa。 3)4#、5#點分別為中臺階左、右兩側測點，從圖像可以看出，4#點圍巖壓力明顯大于5#點，分析原因認為，由于采用三臺階七步開挖工法，同一里程左右兩側開挖相差1個施工循環，在施工右臺階時，上臺階和左側鋼拱架已能夠較好地控制圍巖變形，因此造成右側圍巖壓力較小。此外，4#點在第18天時壓力出現突變，但在第19天恢復正常，認為可能是由于數據記錄過程中的誤錄，并不影響4#點的增長規律。4)6#、7#點圍巖壓力較小，且變化幅度較小。5)對于仰拱處測點，8#點圍巖壓力明顯大于其他各點，即拱腳處圍巖壓力大于其余各點，與理論相符。

由圖6可以看出，左側點壓力明顯大于右側點，由于深埋隧道基本不存在偏壓情況，因此分析認為三臺階七步開挖法是造成圍巖壓力分布不均的主要原因。從三臺階七步開挖法示意圖(見圖7)可以看出，該工法實質是將隧道斷面劃分成多個小的部分，采用分部開挖來保證隧道的穩定。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。當開挖拱頂(圖7中編號1部分)時，相當于對拱頂圍巖進行了軸向卸荷，拱頂土體缺乏支撐，處于臨空狀態；開挖左側中臺階(圖7中編號2部分)時，由于右側相比左臺階滯后1個工作循環，造成左側中臺階開挖后，拱頂和右側土體均有向左側擠壓的趨勢。當開挖右側中臺階時，拱頂及左側支護已形成，因此造成左側圍巖壓力大于右側；而對于仰拱，雖然同樣為軸向卸荷，但此時支護結構已成型、共同分擔圍巖壓力，因此仰拱處圍巖壓力小于拱頂。

圖7 三臺階七步開挖法示意圖

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，鋼拱架間軸力包絡圖見圖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，剛開始時鋼拱架間軸力變化較大，當監測持續至20多d時，相鄰2榀鋼拱架間軸力趨于穩定。分析認為： 在監測初期，由于支護結構尚未成環，拱架間缺乏相互約束，拱架間軸力受施工影響較大；當支護結構成環后，相鄰拱架在連接筋作用下形成整體，共同分擔受力。因此，拱架間軸力變化逐漸變緩。而當混凝土強度達到設計值時，拱架、鋼筋網片、錨桿組成的復合式襯砌結構形成，各部分支護結構間協調分擔受力，使得拱架間軸力變化趨于平穩。同時，由圖8可以看出，2#點的變化趨勢出現異常，認為開挖中臺階時，可能受到施工影響，出現了跳躍性變化，但當支護結構完整時恢復正常。

鋼筋應力計標定書規定，受壓為正，受拉為負，由圖9測試結果可以看出，鋼拱架間軸力以受壓為主。分析認為： 鋼拱架作為支護結構的主體，除了受到圍巖縱向及側向的壓力外，還受到平行開挖面推進方向的壓力。隧道開挖形成臨空面，隧道除洞內方向均約束圍巖變形，因此只能沿洞內方向變形(見圖10)，以便達到新的穩態，該過程中會形成部分變形土體作用于支護結構，使得相鄰支護結構間以受壓為主。另外，雖然軸力量值個別點變化幅度較大，但均不超過100 kN，鋼拱架軸力較大值出現在4#點和拱腳處，與其圍巖壓力相對應。

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

4.3 拱架變形情況

表面應變計通過固定支座固定于鋼拱架內側翼緣來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，并繪制了鋼拱架環向受力包絡圖。鋼拱架表面應變變化曲線如圖11所示，鋼拱架環向受力包絡圖見圖12。

圖11 鋼拱架表面應變變化曲線

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

圖12 鋼拱架環向受力包絡圖 (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結構的完整程度和混凝土的強度。隨著支護結構的完善，鋼拱架變形趨于緩慢； 當混凝土強度逐漸接近并達到設計值時，鋼拱架的變形達到最終穩態。在監測曲線中，除了1#和3#點曲線存在個別點突變外，其余各點變化曲線均正常。

由圖12可以看出，上臺階1#、2#和3#點的變形曲線普遍高于其余各點，這是因為拱頂圍巖在重力作用下較為松動，在豎向直接作用于支護結構；而對于中下臺階，除去7#點外，變化幅度均不大。反觀7#點，此處圍巖壓力較小，為0.003 MPa，而拱架間的軸力為50.315 kN,因此認為拱架的變形不完全因為圍巖壓力作用，兩榀拱架間的相互作用也產生了一定影響。10#點變化趨勢不同于其余各點，前期變化相對急劇，認為當支護結構成環后，此時混凝土強度尚未形成，仰拱處的鋼拱架既要承受成環拱架的重力，又要分擔圍巖壓力，因此變形量相對較大；但隨著時間的推移，混凝土強度逐漸形成，支護結構形成整體，分擔了仰拱處拱架的受力，拱架變形趨于平穩。同時，從圖12可以看出，上臺階、仰拱底部受力(變形)最大，而拱腳處受力(變形)相對仰拱底部受力(變形)較小。

綜合看來，拱架受力(變形)大多集中于上臺階和仰拱底部。當遇到不良地層時，如果在焊接拱架時能夠加強薄弱點的強度，將有利于支護結構更好地發揮作用。

4.4 鋼拱架三維變形模式分析

結合鋼拱架間軸力包絡圖和鋼拱架環向受力包絡圖，得到鋼拱架三維受力圖(見圖13)。可以看出，鋼拱架除了受到洞周圍巖壓力外，還受到相鄰拱架間的作用力。而鋼拱架作為受壓構件，主要承擔圍巖壓力，但此時鋼架間不均勻分布的軸力會削弱支護結構的作用效果。分析認為,理想工況(見圖14)時，當拱架間各點同時受拉或受壓時，相當于相鄰拱架間存在預應力，支護結構整體作用，能夠表現出較好的性能；當拱架單側拉壓或一側抗拉、一側抗壓時，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，不利于支護結構的穩定。

根據鋼拱架三維受力示意圖，同時結合該斷面圍巖壓力，分析認為1#點圍巖壓力為0.110 MPa時，鋼拱架的環向力和拱架間的軸力分別為762.5 kN和10.327 kN；而2#點圍巖壓力為0.006 MPa時，鋼拱架的環向力和拱架間的軸力分別為435.8 kN和32.125 kN；同樣對于3#點，鋼拱架的環向力和拱架間的軸力分別為382.89 kN和11.695 kN。從以上3個監測點可以看出，相鄰兩監測點在相同方向上應力變化趨勢的不同反映了實際工程中拱架受力具有不規律性，拱架容易產生局部扭曲，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) 相鄰拱架兩側上下同時拉(壓) (b) 相鄰拱架一側上壓下拉

(c) 相鄰拱架一側上拉下壓 (d) 相鄰拱架兩側上拉下壓

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 結論與討論

以銀西高鐵早勝3號隧道為依托，結合現場監測得到以下結論：

1)圍巖壓力大致經歷了急劇變化—緩慢變化—平穩變化3個階段，同時圍巖壓力分布在拱腳處最大，并表現出左側明顯大于右側的情況。考慮土體應力路徑變化情況，認為三臺階七步法開挖對圍巖壓力分布產生了重要影響。

2)相鄰2榀拱架間軸力以受壓為主，在支護結構尚不完整和混凝土強度未達到設計值時，鋼拱架間軸力變化曲線尚未達到穩態。因此，鋼架的完整程度以及與混凝土的協作關系直接影響了軸力變化情況，從而影響了支護結構整體的受力性能。

3)鋼拱架在上臺階以及仰拱底部的變形較大，因此，認為鋼拱架的變形主要集中在上臺階和仰拱底部。遇到不良地質條件時，應該人為增加這2處鋼架規格，從而提高支護結構強度。

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

本次試驗結論主要針對古土壤大斷面深埋隧道，對于淺埋或偏壓古土壤隧道還需要進一步開展現場試驗。