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(shè)計院集團(tuán)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(tuán)第五工程有限公司,陜西寶雞 721006； 4.西南交通大學(xué),成都 610031)

引言

隨著我國交通的快速發(fā)展，越來越多的長大隧道在西部地區(qū)修建。大斷面隧道在修建過程中經(jīng)常會遇到穿越接觸帶地層的情況，由于接觸帶地層條件復(fù)雜，支護(hù)結(jié)構(gòu)易發(fā)生變形、開裂等問題，嚴(yán)重時會發(fā)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(fā)生了塌方事故，還有工程實(shí)例表明接觸帶地層會導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)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(nèi)外學(xué)者針對接觸帶地層及類似復(fù)雜地層進(jìn)行了相關(guān)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(yīng)力狀態(tài)與變形規(guī)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(shù)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(jìn)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(diǎn)[11]；王志杰等研究了隧道穿越不同巖性接觸帶出現(xiàn)軟巖大變形時采取的整治措施[12]；張自光等通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測研究了不同巖性接觸帶地層對地下洞室結(jié)構(gòu)穩(wěn)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(hù)應(yīng)力及變形進(jìn)行了研究，并對其進(jìn)行了優(yōu)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(hù)的應(yīng)力變化規(guī)律[16]。在眾多不良地質(zhì)類型中，軟弱夾層與接觸帶地層條件相似，相關(guān)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(qū)及應(yīng)力分布的影響規(guī)律進(jìn)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(guī)律[18]；黃鋒等采用數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)相結(jié)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(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)[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(guān)于接觸帶及相關(guān)地層的研究主要是從隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)變形、開挖工法以及支護(hù)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(shù)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(hù)結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律，并結(jié)合隧道洞徑，進(jìn)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(shè)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(qū)，地形破碎，沖溝發(fā)育，不良地質(zhì)情況復(fù)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(shù)值計算模型

2.1 計算模型

根據(jù)賈塬隧道實(shí)際地質(zhì)條件和施工條件，以接觸帶分界面相對隧道拱頂?shù)拇怪本嚯x為變量，使用FLAC3D進(jìn)行三維數(shù)值計算，如圖2所示。為消除邊界效應(yīng)的影響，將模型高度設(shè)置為114 m，模型寬度設(shè)置為120 m，縱向深度為40 m。

圖2 三維數(shù)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(yīng)力場，通過在頂面施加均布荷載來模擬隧道實(shí)際埋深。根據(jù)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(shù)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(jié)合現(xiàn)場實(shí)際施工情況，在數(shù)值計算中采用三臺階預(yù)留核心土法進(jìn)行開挖。

2.2 模型參數(shù)

隧道圍巖采用三維實(shí)體單元模擬，初期支護(hù)采用shell單元模擬，參數(shù)依據(jù)賈塬隧道地層土工試驗(yàn)物理力學(xué)參數(shù)確定，并采用等效彈性模量計算，最終確定的參數(shù)如表1所示。

表1 模型計算參數(shù)

結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測斷面的實(shí)際情況，根據(jù)接觸帶分界面相對隧道拱頂高度，設(shè)置3，5，10，15，20，27，35，41 m共8種不同工況，并建立相應(yīng)的數(shù)值計算模型，對初期支護(hù)變形、受力規(guī)律進(jìn)行分析。

2.3 監(jiān)測斷面與監(jiān)測位置

為消除邊界效應(yīng)的影響，選取隧道靠近中間部位為監(jiān)測斷面，如圖3(a)所示，監(jiān)測斷面共設(shè)置8個監(jiān)測點(diǎn)，除拱頂和仰拱處，每個臺階有2處監(jiān)測點(diǎn)，如圖3(b)所示。結(jié)合實(shí)際施工情況，主要對初期支護(hù)的變形和應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測。

圖3 監(jiān)測斷面與測點(diǎn)的選取

3 接觸帶對隧道初期支護(hù)影響規(guī)律

根據(jù)各工況下監(jiān)測斷面的初期支護(hù)變形與應(yīng)力變化進(jìn)行分析，研究接觸帶分界面相對高度對隧道的影響規(guī)律。

3.1 初期支護(hù)變形分析

根據(jù)監(jiān)測點(diǎn)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(hù)變形規(guī)律相同，各監(jiān)測點(diǎn)在斷面開挖前發(fā)生較小的預(yù)變形，變形主要發(fā)生在臺階開挖過程中，在開挖結(jié)束后，變形值逐漸收斂穩(wěn)定。但各工況下監(jiān)測點(diǎn)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(dāng)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(jù)拱腰處監(jiān)測點(diǎn)的水平收斂值繪制時程曲線如圖5所示，其變形變化規(guī)律與拱沉降相似，但不同的是受開挖過程的影響，在監(jiān)測斷面中臺階開挖時拱腰處水平收斂值有所波動。從穩(wěn)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(jié)合其他監(jiān)測點(diǎn)處的水平收斂值與豎向沉降值可發(fā)現(xiàn)接觸帶對隧道監(jiān)測點(diǎn)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(jìn)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(dāng)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(hù)應(yīng)力分析

接觸帶地層對隧道的影響為分析相對高度對結(jié)構(gòu)的影響，對不同工況下初期支護(hù)應(yīng)力進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)不同工況下，初期支護(hù)壓應(yīng)力分布規(guī)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(yīng)力云圖，并標(biāo)明了最大壓應(yīng)力所在位置與數(shù)值。從圖6可以看出，接觸帶分界面高度對于初期支護(hù)應(yīng)力分布規(guī)律無影響，最大壓應(yīng)力均位于拱肩處，從拱肩向下，初期支護(hù)所受壓應(yīng)力逐漸減小。其余各工況下接觸帶地層對最大應(yīng)力的具體數(shù)值如表2所示。

圖6 最大壓應(yīng)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(hù)所受最大壓應(yīng)力的數(shù)值，隨著相對高度增大，最大壓應(yīng)力數(shù)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(hù)的最大應(yīng)力但不影響其應(yīng)力分布。

表2 部分工況下初期支護(hù)最大應(yīng)力 MPa

3.3 數(shù)值計算結(jié)果可靠性驗(yàn)證

為驗(yàn)證數(shù)值計算結(jié)果的可靠性，選取DK279+046作為監(jiān)測斷面，驗(yàn)證數(shù)值計算結(jié)果的可靠性。DK279+046監(jiān)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(jiān)測斷面

表3為現(xiàn)場初期支護(hù)變形監(jiān)測結(jié)果，從表3可以看出，監(jiān)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(shù)值計算結(jié)果的規(guī)律相同；監(jiān)測斷面工況與數(shù)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(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果43.00 mm相近；數(shù)值計算中的拱肩與現(xiàn)場監(jiān)測中上臺階監(jiān)測點(diǎn)相近，兩側(cè)拱肩收斂值為33.59 mm，與上臺階收斂變形相近。說明數(shù)值計算與施工實(shí)際相符，驗(yàn)證了計算結(jié)果的可靠性。

表3 變形監(jiān)測結(jié)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(hù)變形和最大應(yīng)力值在不同接觸帶高度下的變化規(guī)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(hù)變形、初期支護(hù)應(yīng)力的最大值作為分母，各工況下的初期支護(hù)變形、初期支護(hù)應(yīng)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(hù)變形、支護(hù)應(yīng)力隨相對高度變化的曲線，進(jìn)一步分析穿越接觸帶分界面高度對隧道的影響規(guī)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(hù)變形值或最大應(yīng)力值。

圖8、圖9分別為初期支護(hù)變形影響因子曲線與最大應(yīng)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(nèi)，說明二者受接觸帶分界面相對高度影響較??；(2)拱頂沉降和初期支護(hù)最大壓應(yīng)力受接觸帶分界面高度的影響較大，影響因子最大可達(dá)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(dāng)接觸帶分界面高度小于15 m時，初期支護(hù)變形、最大應(yīng)力受接觸帶的影響相對較大；當(dāng)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(hù)變形影響因子曲線

圖9 初期支護(hù)最大應(yīng)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?shù)南鄬Ω叨炔粩鄿p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(jìn)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(jìn)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(shù)為變量設(shè)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?shù)母叨热绫?所示。

4.2 不同斷面形狀下接觸帶影響分析

根據(jù)監(jiān)測斷面的監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行分析，不同工況下初期支護(hù)變形以及應(yīng)力分布變化規(guī)律相似，但數(shù)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(hù)變形及最大應(yīng)力進(jìn)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(yīng)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(hù)變形與最大應(yīng)力值

引入影響因子對不同隧道斷面下的初期支護(hù)變形值和最大應(yīng)力進(jìn)行分析，如圖10所示，根據(jù)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?。?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?。?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(hù)變形和應(yīng)力的影響高度在1.0倍洞徑以內(nèi)。

圖10 不同隧道斷面影響因子曲線

5 結(jié)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(jìn)行三維數(shù)值模擬，研究了不同隧道形狀下相對高度對初期支護(hù)的影響規(guī)律，并結(jié)合隧道洞徑得出以下結(jié)論。

(1)隨著相對高度的增加，接觸帶對隧道初期支護(hù)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(hù)所受最大應(yīng)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(hù)應(yīng)力分布規(guī)律，最大應(yīng)力的位置不會改變，均位于拱肩處。

(2)通過影響因子曲線發(fā)現(xiàn)，接觸帶對隧道初期支護(hù)的影響隨著相對高度的增加呈曲線變化，當(dāng)接觸帶分界面相對隧道拱頂?shù)木嚯x不斷增加時，接觸帶對初期支護(hù)的影響會逐漸減弱，對賈塬隧道而言，當(dāng)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(jìn)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(hù)的影響高度在1.0倍洞徑以內(nèi)。