立體交叉隧道圍巖變形特性及合理凈距的穩定性研究*

許烺星 ，許慶君 ，雷 浩 ，張雄偉

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

引言

根據大量工程實踐表明[1-2]，對隧道軟弱破碎圍巖支護工程來說，隧道圍巖的不同力學特征對圍巖安全穩定性有較大影響，同時也會影響支護工程的好壞。對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力場的相互影響往往是不可忽略的，這使得圍巖的力學行為及圍巖穩定安全性表現的更為復雜[3]。

學者們對小凈交叉距隧道進行了大量研究。在試驗方面，LI 等[4]對地鐵隧道通過數值分析和現場試驗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現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進行了研究與驗證，提出了在兩隧道先后開挖時，隧道凈距及地表坡度的變化對隧道內側圍巖壓力影響較大。在施工建議方面，李建林等[7]及鄭熙熙等[8]都對小凈距的公路及城市隧道進行了數值模擬分析，表明隧道Ⅳ級圍巖小凈距段采用臺階法施工較為合理；而張治國等[9-10]也通過數值模擬及現場監測對上下疊交的盾構隧道進行分析，提出了對重疊穿越地鐵隧道的施工規律以及響應的安全控制技術措施。

本文采用TRT6000 超前地質探測儀對草莓溝1#及2#立體鐵路隧道交叉段圍巖進行綜合勘探，并通過開展隧道圍巖三軸壓縮試驗，著重對隧道交叉段圍巖在不同圍壓下的全應力-應變過程及不同凈間距對圍巖安全穩定性進行分析及評價。研究結果可為類似鐵路隧道工程的穩定性評價提供參考。

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，結構凈距為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，結構凈距為7.47m。隧道交叉區段巖層可以按其成因分為第四系殘坡積層（Q4el+dl）及不同風化程度的混合花崗巖；交叉段主要以混合花崗巖為主，巖性相對單一，巖塊呈灰白色，主要為全風化～弱風化；巖體較為破碎，節理裂隙發育，塊石狀結構，巖體完整性較差，圍巖等級為IV、V。

2 交叉段圍巖地質狀態分析

為了得到交叉段隧道圍巖地質及構造情況，使用TRT6000 地質探測儀對草莓溝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 影響范圍內地質情況進行超前預報。通過采集到的TRT 數據，并借助相關軟件對數據進行處理，得到交叉段50m 影響范圍內圍巖的地質探測全息圖，如圖1 所示。

圖1 TRT 探測全息圖

經過曲線擬合得出，交叉區段圍巖的橫、縱波波速分別為Vs=1000m/s；Vp=2600m/s；隧道交叉區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、強風化混合花崗巖、弱風化混合花崗巖；交叉段范圍內地表水系不發育，在勘探區域內有少量第四系空隙潛水及基巖裂隙水?？辈閰^未發現大型不良地質構造，這與地質勘探結果基本吻合。

3 交叉段圍巖力學參數試驗分析

3.1 試驗方案

試驗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采用MTS815 電液伺服巖石試驗系統進行。

3.2 試驗結果分析

分別對兩組花崗巖巖樣進行反復加載試驗，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，即巖樣只受軸向壓力，此時巖樣呈“圓錐形破壞”，這是由于承壓板兩端存在摩擦力，出現了端部效應，使巖樣出現交叉狀的裂縫；圍壓為2～10MPa 時，巖樣呈“條帶狀破壞”，試件出現貫通裂縫，形成剪切破裂帶，最終導致巖樣的完全破壞。

圖2 不同圍壓條件下巖樣破壞特征

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

圖3 簡化巖石的應力-應變曲線

可以看出，應力-應變曲線在達到峰值之前，花崗巖巖樣處于彈塑性階段，隨著圍壓不斷增大，巖樣逐漸表現出應變硬化的特性，因此該段的割線模量可以表示其彈性模量。經過計算，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，得出了不同圍壓下巖樣的全應力-應變關系曲線，經過試驗測試及理論分析獲得了圍巖的力學參數，如表1 所示。通過交叉段隧道圍巖的常規三軸壓縮試驗及數據分析可知，不同圍壓對花崗巖試樣在峰值后應變軟化階段和強度殘余階段的應力狀態有較大影響：在圍壓減小過程中，巖樣的峰值強度稍有下降；由巖樣的應力-應變曲線可知，隨圍壓繼續增加，試樣逐漸由脆性破壞發展為延性破壞，巖樣的非線性應變軟化過程不斷消散，并且其峰值與殘余強度之間的應力差也不斷減小[12]，同時這也與巖石的理想塑性特征基本相符合。

表1 交叉段圍巖力學參數

4 不同凈間距下交叉段圍巖塑性區分析

由于立體交叉隧道凈間距過小，圍巖之間塑性區一般會產生相互作用，為了避免由于塑性區之間疊加效應所產生的影響。同樣以草莓溝1#隧道上跨盤道嶺隧道為工程背景，采用FLAC3d數值模擬軟件在無支護下對圍巖塑性區不同凈間距時的相互影響進行分析。結合對上述不同凈間距下安全系數的分析，此處主要取安全系數變化較為明顯的2～10m 為研究區間，取交叉隧道凈間距 H 為 2.5m、5m、10m工況下對立體交叉隧道圍巖塑性區的疊加進行數值模擬，其塑性區應力云圖如圖4 所示。可以看出，當立體交叉隧道凈間距不變時，從上跨隧道拱頂至下穿隧道仰拱，其最大應變增量出現在隧道邊墻處，其次是交叉段圍巖處，最小應變增量出現在上跨隧道拱頂和下穿隧道仰拱處；當隨著隧道凈間距的減小，交叉段圍巖塑性區不斷增大，同時圍巖應變增量也增大。另外，也可以看出在隧道交叉中心段圍巖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的疊加，導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云圖

通過分析比較，數值模擬與理論計算結果基本相一致，即當隧道凈間距較小時，交叉段圍巖塑性區增大，圍巖變形量增大，同時穩定安全系數降低。對凈間距較小的立體交叉隧道而言，由于凈距過小導致其交叉段安全穩定性較其他區段有所降低，因此在設計及施工階段都應對交叉段采取加強支護、超前小導管注漿、及時封閉呈環等措施，以減小圍巖之間的相互影響。

5 結論

（1）隨圍壓增大，圍巖的非線性應變軟化效應逐漸減弱，表明圍壓對花崗巖試樣在峰值后應變軟化階段和強度殘余階段的應力狀態有較大影響，可在此階段前對圍巖進行超前支護，防止隧道出現失穩坍塌。（2）數值模擬結果表明邊墻的變形量最大，其次為交叉區段，上跨隧道拱頂和下穿隧道仰拱處最??；且上跨隧道的仰拱、交叉中心區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疊加現象，且隨著隧道凈間距的減小，交叉段圍巖塑性區不斷增大，同時圍巖變形量也隨之增大。