破碎地层交叉隧道开挖稳定性研究与控制

2018-04-27陈淑珍孙敬涛

城市轨道交通研究 2018年3期

陈淑珍孙敬涛

（重庆工程职业技术学院，402260，重庆∥第一作者，讲师）

在地铁修建过程中，遇到超大断面隧道、交叉隧道及叠落隧道等复杂情况时，如未采用有效的加固措施和预处理方案，很容易造成掌子面失稳破坏，引发地面沉降甚至人员伤亡［1-4］。传统的交叉点隧道施工常采用砌碹、钢梁棚式或者锚杆支护等柔性支护方式，但这类支护在松散破坏的岩层中易发生较大变形，对隧道稳定性造成一定威胁。

现阶段在交叉隧道开挖稳定性与支护措施等方面的研究颇多。文献［5］利用相似模型试验来分析交叉隧道开挖引起的周边围岩位移响应规律，得出了围压位移变化规律。文献［6］结合交叉隧道采用双侧壁导坑施工法，分析了交叉隧道的施工步序对中间岩柱稳定性的影响，得出了合理的施工步序。文献［7］利用有限差分法分析了极小净距交叉隧道施工采用注浆加固措施的可行性，并得出最优支护方案。可见，针对交叠隧道或平行隧道的加固措施研究较多，但对交叉隧道存在中间岩柱的支护措施研究不多。

本文以地质环境复杂的青岛地铁3号线出入场线交叉隧道为工程背景，分析隧道开挖过程中的中间岩柱破坏机理，提出了3种支护方案，并对比各方案的加固效果，为工程安全、高效、优质施工提供理论指导。

1 交叉隧道破坏机理

1.1 隧道交叉点拱顶失稳破坏

地铁区间隧道一般采用直墙拱的形式，上部拱顶结构受力合理，可有效避免应力集中［8-9］。如图1所示，2个斜交的隧道会在相遇位置形成相贯线，使隧道拱顶结构的完整度遭到破坏，无法形成受力结构良好的拱形。当上部压力较大时，应力无法向两侧围岩稳定传递，从而在两拱相交处形成应力集中，造成支护结构发生塑性破坏。因此，在交叉隧道相遇范围内，若拱结构得不到有效加固，则不能将顶部压力有效拴缚在上部稳定围岩或传递至两侧基岩上，极易引起拱顶较大沉降位移。

图1 交叉隧道平面示意图

1.2 中间岩柱变形破坏

2个区间隧道相遇至分离范围内会形成1个近似三角形的不规则岩柱。该岩柱承受两侧隧道上部覆岩重量，其竖向承载力与隧道稳定性密切相关。岩柱失稳直接表现为竖向位移过大，其横向变形也可间接反映岩柱的应力状态。在隧道开挖过程中，岩柱体受到两侧隧道施工重复扰动。在两侧隧道岩土体的移走过程中，由于岩柱侧面缺少束缚力，中间岩柱的受力状态会由三向稳定状态变成危险的双向受力状态，使应力集中系数极度增加。该状态下，岩柱受到横向的拉伸力增加，易发生横向变形。当两侧隧道支护强度较低时，岩体单元会发生压缩破裂。横向变形诱发竖向变形增长，岩柱体由内而外造成塑性区扩展，应力集中点增多，最终导致岩柱整体失稳，从而发生碎裂、塌落。

2 交叉点加固措施

中间岩柱是不规则的棱柱，且其岩柱体应力在这一狭小的空间内发生多次传递。靠近隧道两侧的岩柱体在受到竖向压力后，会向隧道内部扩展，从而导致边缘岩体发生塑性破坏。因此，限制隧道边缘处岩体向隧道内扩展、及时控制围岩变形是提高交叉点隧道稳定性的重要措施。具体来说，即利用支护结构提供的较高强度支护力，将临空的隧道侧壁加固成有束缚的整体结构。

2.1 钢桁架支护

钢桁架是由锚索梁、预应力锚索、U型棚组成空间桁架结构（如图2所示）。利用树脂锚索的胶结固定作用，将桁架紧贴于围岩面上；利用桁架的封闭成环及拱形结构特点，可将围岩压力均匀地传递至隧道下部及两侧围岩。

U型棚结构是主动刚性支护，而锚索是被动柔性支护。当桁架刚性变形超过一定程度后，嵌固于围岩的柔性锚索逐渐发挥拉锚作用，将隧道周边的围岩应力传递至深层围岩，从而降低施加在U型棚上的压力，并且在围岩周边形成一层封闭的拱环，提高围岩自身稳定性。

图2 空间锚索桁架结构

2.2 中间岩柱加固

中间岩柱是决定交叉隧道稳定性的关键因素。中间岩柱的受力状态为危险的双向受力状态，且岩柱承担隧道断面加宽范围以上的塑性区岩层重力。

有效提高岩柱承载力需改变岩柱的受力状态，一是降低上部岩层重力荷载，二是增加中间岩柱的水平约束力。相应的中间岩柱加固方法如图3所示。在岩柱水平方向设置一定数量的锚索，锚索两端嵌固在岩柱的两侧，对锚索施加预应力并借助锁具对岩柱施加束缚力。通过调整此措施下的水平预应力，可实现改变中间岩柱应力状态，提高竖向承载力。

图3 中间岩柱加固方法示意图

3 工程案例分析

本文以某交叉隧道实例为研究对象，建立仿真模型，对不同中间岩柱加固方案进行模拟，以验证加固效果。

3.1 工程概况

青岛地铁某线车辆出入线与主线区间隧道相交。该工程隧道埋深10 m。隧道范围为上软下硬地层：上部土层厚3 m，为松散粉质黏土，岩体质量级别为Ⅵ级；中下部岩层为强风化花岗岩，岩体极软，呈浅肉红色，大部分结构构造已破坏；最下部为中风化花岗岩，岩体较软，为块状构造，节理裂隙发育。隧道全部位于强风化花岗岩层中，出入线隧道与区间隧道断面尺寸相同，且均采用矿山法施工。围岩地质力学参数如表1所示。

表1 地层物理力学参数

交叉隧道开挖初期支护采用锚网喷U型梁的方式。U型梁采用工字型钢，纵向间距为0.5 m，拱顶处锚索长3 m，拱脚处及直墙脚处均有锁脚锚索；厚400 mm的二次衬砌采用C30混凝土。

3.2 数值仿真模型建立

采用有限差分法计算软件，建立交叉隧道仿真模型（见图4），进行仿真模拟。模型中，结构锚索采用Pile单元，锚网喷采用Liner单元，二衬采用实体单元。模型总共有22 500个单元、75 200个节点。模型上边界为自由边界；左右及前后为水平连杆约束，限制了模型的水平方向位移；模型下边界为固定端约束，同时限制模型的水平及竖向位移。

图4 交叉隧道仿真模型

3.3 中间岩柱加固方案的模拟结果

中间岩柱的处理方案有3个。其中，方案一为中间岩柱不进行任何支护加固，方案二为采用锚网喷+锚索+U型梁支护，方案三为采用锚网喷+U型梁+中间岩柱预应力锚索加固。

3.3.1 隧道模型静态受力状态下位移分析

对三种方案进行模拟计算，得到隧道模型在静态受力状态下的位移云图（见图5）。

由图5 a）可知，采用方案一时，中间岩柱竖向沉降位移值达62 mm，岩柱尖端最大水平位移为48 mm，岩柱扩大端最大水平位移为36 mm，均超过了隧道拱顶沉降安全允许值。两隧道之间的岩柱竖向沉降位移与拱顶竖向沉降位移相同，通过位移可以判断，中间岩柱塑性区已贯通，中间岩柱已损坏。

由图5 b）可知，采用方案二后，岩柱的水平位移及竖向位移均较方案一有所降低。岩柱的尖端位置水平位移最大值仅为25 mm，较无支护时降低了48%；拱顶出现沉降较大的范围明显缩小，岩柱扩大段的最大水平位移为22 mm，比无支护时降低了66.7%；中间岩柱塑性区大幅减小。

由图5 c）可知，采用方案三时，岩柱尖端最大竖向位移为16 mm，比方案二降低了36%；岩柱扩大端最大竖向位移为15 mm，比方案二降低了31.8%。隧道上部沉降范围明显降低，中间岩柱未出现塑性区贯通的现象，岩柱稳定性得到保证。

由上述分析可见，在中间岩柱施加水平向的预应力锚索，可提高中间岩柱的稳定性，明显改善岩柱尖端的受力状态。

3.3.2 施工过程的位移模拟计算

主隧道先施工至交叉点的开始位置，做完二次衬砌之后，再施工两分支隧道至交汇点。

隧道施工过程中，中间岩柱的扩大端处及尖顶端处竖向位移为施工稳定的控制点。各加固方案的岩柱竖向位移仿真计算结果见图6。

图6 a）为方案一的岩柱位移曲线。岩柱尖端初始位移为10 mm；当掌子面经过交叉点继续推进时，岩柱尖端竖向位移迅速增加，增至30 mm时逐渐趋于稳定岩柱扩大端，初始位移为5 mm；当掌子面经过隧道交叉点继续推进时，岩柱扩大端位移也开始迅速增加，且增加速度先小后大，最终岩柱扩大端位移稳定为38 mm。根据中间岩柱应力的模拟计算结果，在隧道施工完成后，中间岩柱尖端出现的集中应力最大值达8.5 MPa，在岩柱扩大端出现的集中应力最大值为5.6 MPa，而且岩柱侧边处的应力较大，岩柱中心的应力较小。

图5 采用不同中间支柱加固方案的仿真模拟位移云图

图6 b）是方案二的中间岩柱位移曲线。当隧道开挖至中间岩柱位置时，岩柱尖端竖向位移迅速增加；在施做U型梁及上部拱顶锚索后，岩柱尖端的位移增速有减缓的趋势，但并不明显。根据应力模拟计算结果，在U型梁施加的位置，围岩应力是上升的，且靠近岩柱的围岩应力比远离岩柱的围岩应力高。掌子面继续推进至中间岩柱尖端一侧，岩柱竖向位移继续增加，但是沉降曲线有平缓过渡段。这说明方案二可抑制竖向位移的发展，但不能减少竖向位移的发生。

图6 c）为方案三的岩柱竖向位移，当隧道开挖至交叉点时岩柱尖端竖向沉降开始增加；打设岩柱预应力锚索之后，竖向位移开始平缓发展；随着隧道继续掘进，竖向位移再次增加；待相应位置的锚索打设完成之后，位移再次平缓发展；甚至随着掌子面的推进，竖向位移还有下降的趋势。

综合比较方案二与方案三可以看出，中间岩柱在预应力锚索加固（方案三）下，竖向位移及最大主应力值均比岩柱无水平锚索加固（方案三）低。

3.4 工程实例验证

在青岛地铁3号线交叉隧道开挖过程中，首先开挖主隧道，开挖至设计交叉点位置时，分别向左右两侧同时施工分支隧道A和分支隧道B。主隧道初期支护采用锚网喷及锚索支护，施工至交叉隧道时主隧道的二衬同时做完，待强度达到要求后再施工2条分支隧道。分支隧道的初期支护与主隧道相同，并采用方案三进行中间岩体加固。根据岩柱的宽度和高度，按照间排距2 m×2 m布置预应力锚索。U型棚采用36 U型钢，其水平间距为0.5 m。

图6 各加固方案岩柱竖向位移

图7为隧道拱顶竖向位移及邻近中间岩柱处侧墙水平位移的模拟及实际监测曲线。由图7可见，当掌子面推进至中间岩柱位置时，拱顶竖向位移及侧墙水平位移均开始较快增加；当掌子面继续推进时，位移均缓慢增加。模拟曲线与实测数据变化基本吻合。掌子面推进越过中间岩柱时，模拟与实测位移曲线逐渐趋于平缓。其中拱顶竖向最大沉降实测值为26.0 mm，模拟值为26.2 mm；侧墙最大水平位移实测值为18.0 mm，模拟值为17.6 mm。位移均在安全允许范围之内，表明方案三施工是可行的、安全的。