接触带空间位置对隧道初期支护变形与结构应力影响研究

于 介,刘俊平,范世鸿,丁丰亮,杨文波,谷笑旭

(1.中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043； 2.银西铁路有限公司,宁夏吴忠 751100；3.中铁一局集团第五工程有限公司,陕西宝鸡 721006； 4.西南交通大学,成都 610031)

引言

随着我国交通的快速发展，越来越多的长大隧道在西部地区修建。大断面隧道在修建过程中经常会遇到穿越接触带地层的情况，由于接触带地层条件复杂，支护结构易发生变形、开裂等问题，严重时会发生塌方，影响施工安全。甘芳隧道[1]、蛟岭隧道[2]在穿越不同岩性接触带时都发生了塌方事故，还有工程实例表明接触带地层会导致支护结构发生开裂、大变形等病害[3-5]。因而，针对接触带地层的研究是十分必要的。

国内外学者针对接触带地层及类似复杂地层进行了相关研究，并取得了一定的成果。冯文凯分析了穿越接触带地层的隧道在开挖前后围岩应力状态与变形规律[6]；张会等研究了红黏土厚度对变形的影响[7]；袁矫等研究了隧道在穿越接触带时，隧道跨度对施工的影响[8]。徐礼华等针对接触带隧道采用CRD法修建时，不同开挖参数对隧道的影响[9]；徐海延等针对海底隧道在通过土石分界段时的施工方案进行了研究[10]；黄彬阐述了中南铁路大断面黄土隧道穿越土石分界段的施工要点[11]；王志杰等研究了隧道穿越不同岩性接触带出现软岩大变形时采取的整治措施[12]；张自光等通过数值模拟和现场监测研究了不同岩性接触带地层对地下洞室结构稳定性的影响[13]。李雪峰等对穿越接触带地层条件下隧道的初期支护应力及变形进行了研究，并对其进行了优化[14-15]；刘俊平等研究了隧道穿越长距离接触带过程中初期支护的应力变化规律[16]。在众多不良地质类型中，软弱夹层与接触带地层条件相似，相关的研究有一定参考价值。石少帅等对软弱夹层倾角及位置对围岩变形、破坏区及应力分布的影响规律进行了研究[17]；吴旭平等以钟鸣隧道为工程依托，深入分析含软弱夹层浅埋隧道的围岩变形规律[18]；黄锋等采用数值模拟和模型试验相结合的方式，研究了软弱夹层条件下的围岩松动[19]；昝世辉等以太阳庄隧道为工程依托，研究了隧道穿越软弱夹层过程中围岩变形特性及支护结构力学响应[20]；文海家等研究了含两条软弱夹层隧道的围岩开挖过程中的破坏模式[21]。

但目前关于接触带及相关地层的研究主要是从隧道支护结构变形、开挖工法以及支护方式开展的，针对隧道与接触带地层相对空间位置的研究较少。因此，以银西高铁贾塬隧道为依托，采用数值模拟方法研究了红黏土与砂岩夹泥岩接触带空间位置对隧道支护结构的影响规律，并结合隧道洞径，进一步分析不同隧道断面下接触带地层的影响高度，从而为类似地层条件下的隧道施工设计提供参考。

1 工程概况

贾塬隧道地处甘肃省庆阳市，是银西高铁控制性工程，隧道跨度14.60 m，高度为12.47 m，长11 860 m。穿越黄土沟壑区，地形破碎，冲沟发育，不良地质情况复杂，围岩分级多为Ⅳ、Ⅴ级。贾塬隧道主要穿越的接触带地层为红黏土与砂岩加泥岩接触带，接触带长282 m，其分界面与隧道轨面夹角为4°，近乎水平接触，如图1所示。

图1 红黏土砂岩夹泥岩接触带

2 三维数值计算模型

2.1 计算模型

根据贾塬隧道实际地质条件和施工条件，以接触带分界面相对隧道拱顶的垂直距离为变量，使用FLAC3D进行三维数值计算，如图2所示。为消除边界效应的影响，将模型高度设置为114 m，模型宽度设置为120 m，纵向深度为40 m。

图2 三维数值计算模型

模型前后左右和底面边界均采用法向固定，在计算过程中仅考虑自重应力场，通过在顶面施加均布荷载来模拟隧道实际埋深。根据地勘资料，贾塬隧道所穿越的红黏土砂岩夹泥岩接触带上覆红黏土，土层平均厚度为68 m，由于隧道拱顶距离模型上边界的距离小于68 m，所有在数值计算过程中，通过改变顶部均布荷载来确保不同工况下红黏土土层厚度相同。结合现场实际施工情况，在数值计算中采用三台阶预留核心土法进行开挖。

2.2 模型参数

隧道围岩采用三维实体单元模拟，初期支护采用shell单元模拟，参数依据贾塬隧道地层土工试验物理力学参数确定，并采用等效弹性模量计算，最终确定的参数如表1所示。

表1 模型计算参数

结合现场监测断面的实际情况，根据接触带分界面相对隧道拱顶高度，设置3，5，10，15，20，27，35，41 m共8种不同工况，并建立相应的数值计算模型，对初期支护变形、受力规律进行分析。

2.3 监测断面与监测位置

为消除边界效应的影响，选取隧道靠近中间部位为监测断面，如图3(a)所示，监测断面共设置8个监测点，除拱顶和仰拱处，每个台阶有2处监测点，如图3(b)所示。结合实际施工情况，主要对初期支护的变形和应力进行监测。

图3 监测断面与测点的选取

3 接触带对隧道初期支护影响规律

根据各工况下监测断面的初期支护变形与应力变化进行分析，研究接触带分界面相对高度对隧道的影响规律。

3.1 初期支护变形分析

根据监测点处拱顶沉降值绘制时程曲线如图4所示。从图4可以看出，各工况下初期支护变形规律相同，各监测点在断面开挖前发生较小的预变形，变形主要发生在台阶开挖过程中，在开挖结束后，变形值逐渐收敛稳定。但各工况下监测点处的变形有所不同，随着分界面相对高度的增加，拱顶最终沉降值逐渐减小，当分界面相对高度为3 m时，拱顶沉降值最大，为58.92 mm；分界面相对高度为41 m时，拱顶沉降值最小，为42.71 mm；较前者减少了27.51%，因而分界面相对高度对隧道拱顶沉降影响较大。

图4 隧道拱顶沉降时程曲线

根据拱腰处监测点的水平收敛值绘制时程曲线如图5所示，其变形变化规律与拱沉降相似，但不同的是受开挖过程的影响，在监测断面中台阶开挖时拱腰处水平收敛值有所波动。从稳定后的变形值可以看出，分界面相对高度为3 m时，拱腰处水平收敛值最大，为7.05 mm；分界面高度为41 m时，拱腰水平收敛值最小，为6.41 mm；两者相差9.08%，二者较为接近。相比于拱顶沉降而言，接触带地层对拱腰收敛影响相对较小。

图5 拱腰水平收敛时程曲线

结合其他监测点处的水平收敛值与竖向沉降值可发现接触带对隧道监测点的水平方向变形的影响小于竖直方向的影响。以拱肩处变形为例作进一步说明，分界面相对高度为3 m时，拱肩处水平变形值和竖向变形值分别为5.33，21.64 mm；当分界面相对高度为41 m时，拱肩处水平变形值和竖向变形值分别为5.07，16.75 mm,,则接触带地层在两种不同相对高度下，对拱肩处水平变形值和竖向变形值的分别减小了4.88%，22.60%。

3.2 初期支护应力分析

接触带地层对隧道的影响为分析相对高度对结构的影响，对不同工况下初期支护应力进行分析，发现不同工况下，初期支护压应力分布规律相同。图6列出了相对高度为3，10，20，41 m四种工况下压应力云图，并标明了最大压应力所在位置与数值。从图6可以看出，接触带分界面高度对于初期支护应力分布规律无影响，最大压应力均位于拱肩处，从拱肩向下，初期支护所受压应力逐渐减小。其余各工况下接触带地层对最大应力的具体数值如表2所示。

图6 最大压应力分布位置

从图6可以看出，接触带分界面的相对高度主要影响隧道初期支护所受最大压应力的数值，随着相对高度增大，最大压应力数值从17.85 MPa逐渐减小至14.74 MPa，相差约16.85%。则接触带地层会影响隧道初期支护的最大应力但不影响其应力分布。

表2 部分工况下初期支护最大应力 MPa

3.3 数值计算结果可靠性验证

为验证数值计算结果的可靠性，选取DK279+046作为监测断面，验证数值计算结果的可靠性。DK279+046监测断面为砂岩夹泥岩，接触带分界面距拱顶上方14 m处，如图7所示。

图7 DK279+046监测断面

表3为现场初期支护变形监测结果，从表3可以看出，监测断面拱顶沉降值依次大于上台阶收敛、中台阶收敛、下台阶收敛，与数值计算结果的规律相同；监测断面工况与数值计算中相对高度为15 m时的工况相近，此时拱顶沉降值为46.12 mm，和现场监测结果43.00 mm相近；数值计算中的拱肩与现场监测中上台阶监测点相近，两侧拱肩收敛值为33.59 mm，与上台阶收敛变形相近。说明数值计算与施工实际相符，验证了计算结果的可靠性。

表3 变形监测结果 mm

3.4 接触带分界面高度影响分析

从前述分析可看出，不同相对高度下接触带地层对隧道的影响有所不同，影响因子能够反映初期支护变形和最大应力值在不同接触带高度下的变化规律，以及接触带地层对其的影响程度。选取各个工况中初期支护变形、初期支护应力的最大值作为分母，各工况下的初期支护变形、初期支护应力为分子，并定义分界面影响因子λh。通过分界面影响因子，绘制初期支护变形、支护应力随相对高度变化的曲线，进一步分析穿越接触带分界面高度对隧道的影响规律。分界面影响因子计算公式如下

其中，Nmax=max{Ni}(i=1,2,…,8)

其中，Ni可为初期支护变形值或最大应力值。

图8、图9分别为初期支护变形影响因子曲线与最大应力影响因子曲线。由图可知：(1)拱腰收敛和仰拱隆起受接触带分界面高度的影响较小，分界面影响因子在0.9以内，说明二者受接触带分界面相对高度影响较小；(2)拱顶沉降和初期支护最大压应力受接触带分界面高度的影响较大，影响因子最大可达到0.72和0.83；(3)接触带相对高度为15 m时各曲线曲率较大，则当接触带分界面高度小于15 m时，初期支护变形、最大应力受接触带的影响相对较大；当接触带分界面高度大于15 m时，受接触带的影响较小。则红黏土砂岩夹泥岩接触带分界面相对隧道拱顶高度大于15 m时，接触带对隧道的影响可以忽略不计。

图8 初期支护变形影响因子曲线

图9 初期支护最大应力影响因子曲线

4 不同隧道断面形状的影响高度

通过前述分析可知，随着分界面与隧道拱顶的相对高度不断减小，接触带对隧道的影响不断减弱，且相对高度超过一定距离后，接触带地层对隧道不再有明显的影响。为进一步分析接触带地层的影响高度，探究不同隧道断面形状下接触带地层的影响高度，分别对速度160 km/h单线隧道、250 km/h双线隧道、350 km/h双线隧道3种不同隧道断面形状进行模拟，3种隧道断面形状均为马蹄形，具体尺寸如表4所示。

表4 不同隧道断面尺寸 m

4.1 模拟工况

为对比不同隧道断面下接触带地层的影响高度，以隧道洞径的倍数为变量设置从0.2倍洞径到3倍洞径9种不同的接触带高度，3种隧道断面均为马蹄形断面，则水平跨度即为各工况下的洞径。每种工况下接触带分界面相对隧道拱顶的高度如表5所示。

4.2 不同断面形状下接触带影响分析

根据监测断面的监测结果进行分析，不同工况下初期支护变形以及应力分布变化规律相似，但数值上存在明显差异。选取相对高度最小(0.2D)和相对高度最大(3.0D)两种工况下开挖后初期支护变形及最大应力进行分析，如表6所示。从表6可以看出，不同隧道断面下接触带地层对拱顶沉降影响最大，在3种隧道断面中，拱顶沉降值的比值在0.73～0.88，其次是最大应力，比值在0.81～0.93，而拱腰收敛的比值仅在0.92～0.98。从上述分析可以看出，接触带地层对不同位置处变形值的影响存在明显差异，对拱顶沉降的影响大于对拱腰收敛的影响。

表5 接触带对不同断面隧道影响分析模拟工况

表6 不同工况下初期支护变形与最大应力值

引入影响因子对不同隧道断面下的初期支护变形值和最大应力进行分析，如图10所示，根据曲线曲率变化可以看出：(1)时速160 km单线隧道在接触带分界面相对隧道拱顶超过1.0倍洞径后，受接触带的影响明显减小；(2)时速250 km双线隧道在相对高度超过0.8倍洞径后，接触带的影响明显减小；(3)相对高度超过1.0倍洞径后，接触带对时速350 km双线隧道的影响有所减小。综合上述3种不同隧道断面，则红黏土砂岩夹泥岩接触带对隧道初期支护变形和应力的影响高度在1.0倍洞径以内。

图10 不同隧道断面影响因子曲线

5 结论

以贾塬隧道为工程依托，通过FLAC3D软件对红黏土砂岩夹泥岩接触带进行三维数值模拟，研究了不同隧道形状下相对高度对初期支护的影响规律，并结合隧道洞径得出以下结论。

(1)随着相对高度的增加，接触带对隧道初期支护的影响不断减小，且对竖向变形的影响大于对水平变形的影响；初期支护所受最大应力从17.85 MPa减小至14.75 MPa，但相对高度的增加不会影响初期支护应力分布规律，最大应力的位置不会改变，均位于拱肩处。

(2)通过影响因子曲线发现，接触带对隧道初期支护的影响随着相对高度的增加呈曲线变化，当接触带分界面相对隧道拱顶的距离不断增加时，接触带对初期支护的影响会逐渐减弱，对贾塬隧道而言，当相对高度超过15 m后，接触带不再对隧道有明显影响。

(3)通过对时速160 km单线隧道、时速250 km双线隧道、时速350 km双线隧道3种不同隧道断面的影响因子曲线图进行分析，接触带地层的影响高度分别为1.0倍洞径、0.8倍洞径、1.0倍洞径，则红黏土砂岩夹泥岩接触带地层对隧道初期支护的影响高度在1.0倍洞径以内。