接觸帶空間位置對隧道初期支護變形與結構應力影響研究

于 介,劉俊平,范世鴻,丁豐亮,楊文波,谷笑旭

(1.中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043； 2.銀西鐵路有限公司,寧夏吳忠 751100；3.中鐵一局集團第五工程有限公司,陜西寶雞 721006； 4.西南交通大學,成都 610031)

引言

隨著我國交通的快速發展，越來越多的長大隧道在西部地區修建。大斷面隧道在修建過程中經常會遇到穿越接觸帶地層的情況，由于接觸帶地層條件復雜，支護結構易發生變形、開裂等問題，嚴重時會發生塌方，影響施工安全。甘芳隧道[1]、蛟嶺隧道[2]在穿越不同巖性接觸帶時都發生了塌方事故，還有工程實例表明接觸帶地層會導致支護結構發生開裂、大變形等病害[3-5]。因而，針對接觸帶地層的研究是十分必要的。

國內外學者針對接觸帶地層及類似復雜地層進行了相關研究，并取得了一定的成果。馮文凱分析了穿越接觸帶地層的隧道在開挖前后圍巖應力狀態與變形規律[6]；張會等研究了紅黏土厚度對變形的影響[7]；袁矯等研究了隧道在穿越接觸帶時，隧道跨度對施工的影響[8]。徐禮華等針對接觸帶隧道采用CRD法修建時，不同開挖參數對隧道的影響[9]；徐海延等針對海底隧道在通過土石分界段時的施工方案進行了研究[10]；黃彬闡述了中南鐵路大斷面黃土隧道穿越土石分界段的施工要點[11]；王志杰等研究了隧道穿越不同巖性接觸帶出現軟巖大變形時采取的整治措施[12]；張自光等通過數值模擬和現場監測研究了不同巖性接觸帶地層對地下洞室結構穩定性的影響[13]。李雪峰等對穿越接觸帶地層條件下隧道的初期支護應力及變形進行了研究，并對其進行了優化[14-15]；劉俊平等研究了隧道穿越長距離接觸帶過程中初期支護的應力變化規律[16]。在眾多不良地質類型中，軟弱夾層與接觸帶地層條件相似，相關的研究有一定參考價值。石少帥等對軟弱夾層傾角及位置對圍巖變形、破壞區及應力分布的影響規律進行了研究[17]；吳旭平等以鐘鳴隧道為工程依托，深入分析含軟弱夾層淺埋隧道的圍巖變形規律[18]；黃鋒等采用數值模擬和模型試驗相結合的方式，研究了軟弱夾層條件下的圍巖松動[19]；昝世輝等以太陽莊隧道為工程依托，研究了隧道穿越軟弱夾層過程中圍巖變形特性及支護結構力學響應[20]；文海家等研究了含兩條軟弱夾層隧道的圍巖開挖過程中的破壞模式[21]。

但目前關于接觸帶及相關地層的研究主要是從隧道支護結構變形、開挖工法以及支護方式開展的，針對隧道與接觸帶地層相對空間位置的研究較少。因此，以銀西高鐵賈塬隧道為依托，采用數值模擬方法研究了紅黏土與砂巖夾泥巖接觸帶空間位置對隧道支護結構的影響規律，并結合隧道洞徑，進一步分析不同隧道斷面下接觸帶地層的影響高度，從而為類似地層條件下的隧道施工設計提供參考。

1 工程概況

賈塬隧道地處甘肅省慶陽市，是銀西高鐵控制性工程，隧道跨度14.60 m，高度為12.47 m，長11 860 m。穿越黃土溝壑區，地形破碎，沖溝發育，不良地質情況復雜，圍巖分級多為Ⅳ、Ⅴ級。賈塬隧道主要穿越的接觸帶地層為紅黏土與砂巖加泥巖接觸帶，接觸帶長282 m，其分界面與隧道軌面夾角為4°，近乎水平接觸，如圖1所示。

圖1 紅黏土砂巖夾泥巖接觸帶

2 三維數值計算模型

2.1 計算模型

根據賈塬隧道實際地質條件和施工條件，以接觸帶分界面相對隧道拱頂的垂直距離為變量，使用FLAC3D進行三維數值計算，如圖2所示。為消除邊界效應的影響，將模型高度設置為114 m，模型寬度設置為120 m，縱向深度為40 m。

圖2 三維數值計算模型

模型前后左右和底面邊界均采用法向固定，在計算過程中僅考慮自重應力場，通過在頂面施加均布荷載來模擬隧道實際埋深。根據地勘資料，賈塬隧道所穿越的紅黏土砂巖夾泥巖接觸帶上覆紅黏土，土層平均厚度為68 m，由于隧道拱頂距離模型上邊界的距離小于68 m，所有在數值計算過程中，通過改變頂部均布荷載來確保不同工況下紅黏土土層厚度相同。結合現場實際施工情況，在數值計算中采用三臺階預留核心土法進行開挖。

2.2 模型參數

隧道圍巖采用三維實體單元模擬，初期支護采用shell單元模擬，參數依據賈塬隧道地層土工試驗物理力學參數確定，并采用等效彈性模量計算，最終確定的參數如表1所示。

表1 模型計算參數

結合現場監測斷面的實際情況，根據接觸帶分界面相對隧道拱頂高度，設置3，5，10，15，20，27，35，41 m共8種不同工況，并建立相應的數值計算模型，對初期支護變形、受力規律進行分析。

2.3 監測斷面與監測位置

為消除邊界效應的影響，選取隧道靠近中間部位為監測斷面，如圖3(a)所示，監測斷面共設置8個監測點，除拱頂和仰拱處，每個臺階有2處監測點，如圖3(b)所示。結合實際施工情況，主要對初期支護的變形和應力進行監測。

圖3 監測斷面與測點的選取

3 接觸帶對隧道初期支護影響規律

根據各工況下監測斷面的初期支護變形與應力變化進行分析，研究接觸帶分界面相對高度對隧道的影響規律。

3.1 初期支護變形分析

根據監測點處拱頂沉降值繪制時程曲線如圖4所示。從圖4可以看出，各工況下初期支護變形規律相同，各監測點在斷面開挖前發生較小的預變形，變形主要發生在臺階開挖過程中，在開挖結束后，變形值逐漸收斂穩定。但各工況下監測點處的變形有所不同，隨著分界面相對高度的增加，拱頂最終沉降值逐漸減小，當分界面相對高度為3 m時，拱頂沉降值最大，為58.92 mm；分界面相對高度為41 m時，拱頂沉降值最小，為42.71 mm；較前者減少了27.51%，因而分界面相對高度對隧道拱頂沉降影響較大。

圖4 隧道拱頂沉降時程曲線

根據拱腰處監測點的水平收斂值繪制時程曲線如圖5所示，其變形變化規律與拱沉降相似，但不同的是受開挖過程的影響，在監測斷面中臺階開挖時拱腰處水平收斂值有所波動。從穩定后的變形值可以看出，分界面相對高度為3 m時，拱腰處水平收斂值最大，為7.05 mm；分界面高度為41 m時，拱腰水平收斂值最小，為6.41 mm；兩者相差9.08%，二者較為接近。相比于拱頂沉降而言，接觸帶地層對拱腰收斂影響相對較小。

圖5 拱腰水平收斂時程曲線

結合其他監測點處的水平收斂值與豎向沉降值可發現接觸帶對隧道監測點的水平方向變形的影響小于豎直方向的影響。以拱肩處變形為例作進一步說明，分界面相對高度為3 m時，拱肩處水平變形值和豎向變形值分別為5.33，21.64 mm；當分界面相對高度為41 m時，拱肩處水平變形值和豎向變形值分別為5.07，16.75 mm,,則接觸帶地層在兩種不同相對高度下，對拱肩處水平變形值和豎向變形值的分別減小了4.88%，22.60%。

3.2 初期支護應力分析

接觸帶地層對隧道的影響為分析相對高度對結構的影響，對不同工況下初期支護應力進行分析，發現不同工況下，初期支護壓應力分布規律相同。圖6列出了相對高度為3，10，20，41 m四種工況下壓應力云圖，并標明了最大壓應力所在位置與數值。從圖6可以看出，接觸帶分界面高度對于初期支護應力分布規律無影響，最大壓應力均位于拱肩處，從拱肩向下，初期支護所受壓應力逐漸減小。其余各工況下接觸帶地層對最大應力的具體數值如表2所示。

圖6 最大壓應力分布位置

從圖6可以看出，接觸帶分界面的相對高度主要影響隧道初期支護所受最大壓應力的數值，隨著相對高度增大，最大壓應力數值從17.85 MPa逐漸減小至14.74 MPa，相差約16.85%。則接觸帶地層會影響隧道初期支護的最大應力但不影響其應力分布。

表2 部分工況下初期支護最大應力 MPa

3.3 數值計算結果可靠性驗證

為驗證數值計算結果的可靠性，選取DK279+046作為監測斷面，驗證數值計算結果的可靠性。DK279+046監測斷面為砂巖夾泥巖，接觸帶分界面距拱頂上方14 m處，如圖7所示。

圖7 DK279+046監測斷面

表3為現場初期支護變形監測結果，從表3可以看出，監測斷面拱頂沉降值依次大于上臺階收斂、中臺階收斂、下臺階收斂，與數值計算結果的規律相同；監測斷面工況與數值計算中相對高度為15 m時的工況相近，此時拱頂沉降值為46.12 mm，和現場監測結果43.00 mm相近；數值計算中的拱肩與現場監測中上臺階監測點相近，兩側拱肩收斂值為33.59 mm，與上臺階收斂變形相近。說明數值計算與施工實際相符，驗證了計算結果的可靠性。

表3 變形監測結果 mm

3.4 接觸帶分界面高度影響分析

從前述分析可看出，不同相對高度下接觸帶地層對隧道的影響有所不同，影響因子能夠反映初期支護變形和最大應力值在不同接觸帶高度下的變化規律，以及接觸帶地層對其的影響程度。選取各個工況中初期支護變形、初期支護應力的最大值作為分母，各工況下的初期支護變形、初期支護應力為分子，并定義分界面影響因子λh。通過分界面影響因子，繪制初期支護變形、支護應力隨相對高度變化的曲線，進一步分析穿越接觸帶分界面高度對隧道的影響規律。分界面影響因子計算公式如下

其中，Nmax=max{Ni}(i=1,2,…,8)

其中，Ni可為初期支護變形值或最大應力值。

圖8、圖9分別為初期支護變形影響因子曲線與最大應力影響因子曲線。由圖可知：(1)拱腰收斂和仰拱隆起受接觸帶分界面高度的影響較小，分界面影響因子在0.9以內，說明二者受接觸帶分界面相對高度影響較小；(2)拱頂沉降和初期支護最大壓應力受接觸帶分界面高度的影響較大，影響因子最大可達到0.72和0.83；(3)接觸帶相對高度為15 m時各曲線曲率較大，則當接觸帶分界面高度小于15 m時，初期支護變形、最大應力受接觸帶的影響相對較大；當接觸帶分界面高度大于15 m時，受接觸帶的影響較小。則紅黏土砂巖夾泥巖接觸帶分界面相對隧道拱頂高度大于15 m時，接觸帶對隧道的影響可以忽略不計。

圖8 初期支護變形影響因子曲線

圖9 初期支護最大應力影響因子曲線

4 不同隧道斷面形狀的影響高度

通過前述分析可知，隨著分界面與隧道拱頂的相對高度不斷減小，接觸帶對隧道的影響不斷減弱，且相對高度超過一定距離后，接觸帶地層對隧道不再有明顯的影響。為進一步分析接觸帶地層的影響高度，探究不同隧道斷面形狀下接觸帶地層的影響高度，分別對速度160 km/h單線隧道、250 km/h雙線隧道、350 km/h雙線隧道3種不同隧道斷面形狀進行模擬，3種隧道斷面形狀均為馬蹄形，具體尺寸如表4所示。

表4 不同隧道斷面尺寸 m

4.1 模擬工況

為對比不同隧道斷面下接觸帶地層的影響高度，以隧道洞徑的倍數為變量設置從0.2倍洞徑到3倍洞徑9種不同的接觸帶高度，3種隧道斷面均為馬蹄形斷面，則水平跨度即為各工況下的洞徑。每種工況下接觸帶分界面相對隧道拱頂的高度如表5所示。

4.2 不同斷面形狀下接觸帶影響分析

根據監測斷面的監測結果進行分析，不同工況下初期支護變形以及應力分布變化規律相似，但數值上存在明顯差異。選取相對高度最小(0.2D)和相對高度最大(3.0D)兩種工況下開挖后初期支護變形及最大應力進行分析，如表6所示。從表6可以看出，不同隧道斷面下接觸帶地層對拱頂沉降影響最大，在3種隧道斷面中，拱頂沉降值的比值在0.73～0.88，其次是最大應力，比值在0.81～0.93，而拱腰收斂的比值僅在0.92～0.98。從上述分析可以看出，接觸帶地層對不同位置處變形值的影響存在明顯差異，對拱頂沉降的影響大于對拱腰收斂的影響。

表5 接觸帶對不同斷面隧道影響分析模擬工況

表6 不同工況下初期支護變形與最大應力值

引入影響因子對不同隧道斷面下的初期支護變形值和最大應力進行分析，如圖10所示，根據曲線曲率變化可以看出：(1)時速160 km單線隧道在接觸帶分界面相對隧道拱頂超過1.0倍洞徑后，受接觸帶的影響明顯減小；(2)時速250 km雙線隧道在相對高度超過0.8倍洞徑后，接觸帶的影響明顯減小；(3)相對高度超過1.0倍洞徑后，接觸帶對時速350 km雙線隧道的影響有所減小。綜合上述3種不同隧道斷面，則紅黏土砂巖夾泥巖接觸帶對隧道初期支護變形和應力的影響高度在1.0倍洞徑以內。

圖10 不同隧道斷面影響因子曲線

5 結論

以賈塬隧道為工程依托，通過FLAC3D軟件對紅黏土砂巖夾泥巖接觸帶進行三維數值模擬，研究了不同隧道形狀下相對高度對初期支護的影響規律，并結合隧道洞徑得出以下結論。

(1)隨著相對高度的增加，接觸帶對隧道初期支護的影響不斷減小，且對豎向變形的影響大于對水平變形的影響；初期支護所受最大應力從17.85 MPa減小至14.75 MPa，但相對高度的增加不會影響初期支護應力分布規律，最大應力的位置不會改變，均位于拱肩處。

(2)通過影響因子曲線發現，接觸帶對隧道初期支護的影響隨著相對高度的增加呈曲線變化，當接觸帶分界面相對隧道拱頂的距離不斷增加時，接觸帶對初期支護的影響會逐漸減弱，對賈塬隧道而言，當相對高度超過15 m后，接觸帶不再對隧道有明顯影響。

(3)通過對時速160 km單線隧道、時速250 km雙線隧道、時速350 km雙線隧道3種不同隧道斷面的影響因子曲線圖進行分析，接觸帶地層的影響高度分別為1.0倍洞徑、0.8倍洞徑、1.0倍洞徑，則紅黏土砂巖夾泥巖接觸帶地層對隧道初期支護的影響高度在1.0倍洞徑以內。