黄土十字交叉隧道开挖下支护结构变形特性研究*

杜广印 武 军 夏 涵 王 坤

(①东南大学岩土工程研究所，南京 211189，中国)(②中国人民解放军63926部队，北京 100192，中国)

0 引 言

黄土是在干旱和半干旱地区陆相沉积的一种特殊土，其基本特征表现为大孔隙、低含水率、遇水易崩解。潘振兴等(2020)研究了干湿循环作用下黄土内部裂隙发展的损伤演化过程。随着《“十三五”现代综合交通运输体系发展规划》的发布，未来西北交通网络不可避免地穿越黄土地区。因此，黄土场地的工程也会越来越多(刘弋博等，2020)。黄土地区的隧道建设，一般埋深较浅，由于土质松软、承载力低，建设中容易出现塌方、地表开裂等问题(于春，2013)，2010年开通的郑西高铁就是在这样的地质条件下建设完成的。

因黄土特殊，开挖后围岩压力计算方法就显得尤为重要。方钱宝等(2009)就基于黄土隧道的埋深提出了公式来计算其压缩模量、变形和弹性抗力系数；于丽等(2019)基于极限平衡理论提出浅埋黄土隧道围岩压力的计算方法。邵生俊等(2013)也基于隧道地基湿陷性变形提出了一种新的关于围岩压力的确定方法和评价方法，再结合试验得出湿陷系数并计算实际工况的湿陷变形量；范文等(2015)提出了黄土隧道地基湿陷压缩应力的解析计算方法，并通过数值模拟验证了其可靠性。

交叉结构的围岩稳定又是诸多地下工程建设的重点和难点，据统计，巷道顶板事故的30%～40%发生在交叉结构部位(平寿康等，1990)。这是由于隧道开挖后，会形成二次应力场，最大挤压位移位置向坑道方向移动(Liu et al.，2017)，并伴有顶板出现高剪切应力，同一高程水平开采比下穿开采对交叉口稳定性的影响更大(Abdellah et al.，2014)。由此可见，隧道交叉段最容易产生应力集中，应力集中区主要发生在两侧拱腰(白雅伟等，2020)，应力集中在交岔口左右前后一定范围(刘恒伟，2009)，其受力方式为拱顶上下截面整体受拉(谢顺意等，2012)，因此拱顶成为交叉隧道中最危险的部位(臧万军等，2012)。

针对交叉隧道的各类难题，郑保才等(2009)通过对浅埋暗挖法施工的地铁交叉隧道地表沉降观测得出，地表沉降规律基本呈Logstic曲线。闫自海等(2019)提出导洞爬坡反向施工的交叉隧道作业方法，既可以解决小隧道朝大隧道开挖的难题，又能保证分叉段的施工安全。就交叉隧道在地震工况下的稳定性问题。许庆君等(2020)研究得出，下穿隧道的环向应变峰值整体大于上跨隧道。李玉峰等(2015)提出的交叉隧道结构抗震设计方法，能够全方位地揭示交叉隧道地震动力响应和动力特性。综上所述，隧道十字交叉点的变形和破坏最大(郭保华等，2008)，交叉段“环口”局部变形明显(张志强等，2010)。

随着黄土地区大规模基础建设的开启，地铁换乘站、矿山交通枢纽等交叉硐室将会难以避免。目前，国内外关于黄土地区交叉隧道的研究相对匮乏，黄土隧道开挖的影响半径、围岩变形特征还不明确，因此有必要进一步开展黄土交叉隧道的相关研究。本文通过模型试验的方法，系统研究黄土交叉隧道围岩及支护结构各个部位围岩压力释放特征和变形规律，分析交叉隧道的开挖顺序对结构稳定的影响，为交叉隧道建设的设计和施工提供依据。

1 试验设备及过程

1.1 试验设备

物理模型试验采用的模型箱长×宽×高为2.0 m×2.0 m×2.0 m，外框架为钢架焊接，为观测开挖后土体位移，内装配20 mm厚的有机玻璃板。支护钢拱架为定制不锈钢构件，形状与尺寸如图1所示。试验中的钢拱架应变采用应变片监测，数据采集为多功能静态信号测试系统。应变片粘贴在钢拱架外侧(与土接触面)，粘贴方向为长边顺着钢拱架方向。待应变片与钢拱架粘贴牢固后，打上一层薄薄的玻璃胶来防止应变片在试验过程中损坏。三轴试验采用GDS三轴仪，研究不同含水率下的黄土应力-应变特征。

图1 隧道钢拱架形状及尺寸

1.2 试验用土及其基本力学特征

模型试验用土为粉砂质黄土，土的基本物理性质指标如表1所示。由于试验土含水量低，无法重新配置相同含水量，故取回后直接用于试验，未经过风干处理。三轴试验用土为重塑粉砂质黄土，控制其含水率为11.4%(潘皇宋等，2019)和14.5%。

表1 粉砂质黄土力学参数

1.3 试验过程及方法

为尽可能消除线材埋置对试验结果的影响，采用重点区域多埋设传感器，普通位置少埋设传感器的原则，即主洞应变片布置在钢拱架拱顶、拱脚、直墙和底板，岔洞布置在拱顶、拱脚、直墙。图2为传感器布设平面图，图中Z1、Z2和Z3为主洞监测断面，C1E、C2E、C3E、C1W、C2W和C3W为岔洞监测断面。

图2 传感器布设平面图(单位：mm)

模型试验采用先埋设钢拱架后开挖的方式全断面人工开挖。如图3所示，主洞开挖时从南朝北挖，主洞贯通后再开挖岔洞。岔洞从西往东挖，西岔洞开挖结束后继续开挖东岔洞，开挖进尺为10 cm。实验过程不考虑地下水的影响。

图3 试验过程

2 不同含水率下的黄土应力-应变特征

不同含水率下的黄土应力-应变曲线，如图4所示。各围压下重塑黄土的应力-应变曲线为持续硬化型，根据《土工试验方法标准》(中华人民共和国国家标准编写组，2019)，取轴向应变ε1=15%对应的偏差应力为破坏偏差应力(σ1-σ3)f，作出重塑黄土剪切强度包络线，如图5所示。黄土的黏聚力和内摩擦角结果如表2所示，随着含水率升高，黏聚力和摩擦角呈现下降的趋势。模型试验所用黄土为12.5%，介于三轴试验11.4%和14.5%之间，且黄土应力-应变曲线为持续硬化型，适合开展模型试验研究。

图4 黄土应力-应变关系

图5 黄土三轴剪切强度包线

表2 三轴试验结果

3 隧道开挖后支护结构的变形特征

3.1 主岔洞开挖后主洞钢拱架应变特征

主洞开挖钢拱架变形影响如图6和图7所示(均取绝对值)。主洞开挖至40 cm处，Z3监测断面钢拱架首先变形，开挖至50 cm处，Z2断面开始变形，开挖至60 cm时，Z3断面才开始变形。由于应变片粘贴在钢拱架的外表面，且平行钢拱架宽度方向，拱顶是受到压应力，导致钢拱架下沉。当掌子面到达监测断面前后1D时，应变变化速率达到最大，约占主洞开挖总变化量的70%。主洞开挖至120 cm处，3个监测断面趋于平稳，应变变化已不明显，主洞开挖引起的应变约140～345 με。开挖引起的钢拱架变形距离约30 cm，这是由于开挖引起围岩松动，钢拱架开始发挥作用。

图6 主洞开挖引起各断面钢拱架应变变化

左岔洞开挖至40 cm处，Z1监测断面钢拱架再一次发生变形，随后Z2和Z3监测断面钢拱架也出现变形，当掌子面到达监测断面时变形速率达到最大。当掌子面到达监测断面前后1D时，应变变化值达到最大，约占主洞开挖总变化量的70%。随后，开挖至120 cm处变形逐渐趋于平稳，此时距监测断面距离也约为30 cm，开挖引起的应变约为150～200 με，约占总变化的2/5。岔洞开挖对主洞钢拱架的影响范围约3D。从变化量来看，拱顶的变化量最大，说明拱顶依然是最需要重点关注的部位。

3.2 主岔洞开挖后岔洞钢拱架应变特征

岔洞开挖钢拱架变形影响如图8和图9所示。与主洞开挖的规律相似，拱顶部位的变形最大。主洞开挖至监测断面约30 cm处，各个部位变形均发生变形，并持续增大，直至掌子面达到监测断面后，开始减小，逐渐趋于稳定。主洞开挖引起岔洞钢拱架变形量约为30～150 με。

图8 主洞开挖引起钢拱架变化

图9 岔洞开挖引起钢拱架应变变化

左岔洞开挖至40 cm处，C1W监测断面钢拱架再一次发生变形；随后在50 cm和60 cm处，C2W和C3W监测断面钢拱架也分别出现变形；右岔洞开挖至90 cm处，C1W监测断面钢拱架再一次发生变形；随后C2W和C3W监测断面钢拱架也出现变形，变形逐渐增大。当掌子面到达监测断面前后1D时，应变变化值达到最大，约占主洞开挖总变化量的80%。随后，开挖至120 cm处变形逐渐趋于平稳，应变约为150～350 με。

4 结果与讨论

从应变结果来看，均是在掌子面到达监测断面约30 cm时发生变化，也是掌子面超过监测断面30 cm左右时趋于稳定。由于隧道直径为20 cm，故开挖影响的范围约为掌子面前后各1.5D。超过此范围后，岔洞已无影响，因此可以认为，水平方向对相邻的建筑物影响范围也应该小于1.5D。而竖直方向由于变形更大，因此影响范围更大，上下相邻的隧道建议间隔距离大于1.5D。

主洞和岔洞的支护结构变形的变化量最大的部位均为拱顶，其次是底板，然后是直墙，最后是拱腰。拱顶变形大因为拱顶承受着上覆土层的所有荷载，竖向应力大，围岩受力类型为张拉应力，故变形是最大的；而拱腰主要是受到侧向的剪切应力，且侧向应力相较于竖向应力值更小，因此拱腰的变形要比拱顶小。在普通单个隧道中，由于仰拱存在，底板的变形不大，而在两个等截面的交叉隧道中，由于中部空间太大，开挖后土体回弹引起底板变形增大。对比直墙与拱腰结果可以看出，拱形可以更好地将侧向荷载传递，因此变化量较小，而直墙受力向内弯曲，因此也就更容易发生变形。设计时，特别是交叉段部位，由于承受较大范围的围岩压力，应着重考虑交叉段部位的钢拱架的稳定性，防止支护失效。

岔洞开挖后，交叉段部位的钢拱架均会发生二次变形，其变形量约为150 με，而隧道开挖总的变形量约为500 με，约占2/5。距离交叉段较远位置(约1D)，二次开挖引起的变形为30 με，总的变形量约为200 με，约占1/7。分析得到，岔洞开挖对交叉段具有较大影响，约为十字交叉段钢拱架总变化量的2/5，且开挖位置越近，影响越大。

隧道开挖掌子面前后0.5D位置的钢拱架应变变化值均很大。隧道开挖后，形成围岩二次应力场，围岩迅速变形以协调二次应力场，故变形迅速。由于试验采用了先支护后开挖的方式，钢拱架的变化量占到总变化量的70%以上，说明钢拱架对限制围岩变形起到了重要作用。因此对于地下硐室开挖而言，掌子面后围岩变形迅速，应及时做好支护。

5 结 论

本文通过三轴试验研究了不同含水率下重塑黄土的应力-应变特征，采用模型试验研究了主隧道开挖对次隧道和次隧道开挖对主隧道的影响，分析了开挖过程中支护钢拱架应变，得到如下结论：

(1)无论是主洞还是岔洞，拱顶的变形都是最大的，说明交叉隧道的薄弱点依然是拱顶，在设计时应以拱顶的荷载设计更为安全。

(2)开挖的横向影响范围约为掌子面前后各1.5D，超过2D后对横向相邻建筑物基本无影响；但是如果相邻建筑为纵向，那么影响范围会更大。因此，建议水平相邻建筑建设大于1.5D。

(3)对于交叉隧道而言，无论是主洞开挖还是岔洞开挖均互相影响，影响达到总变化量的2/5，而且两者距离越近影响越大，设计时应充分考虑其影响。

(4)从掌子面前后0.5D范围来看，无论是主洞开挖还是岔洞开挖，钢拱架的变化量占到总变化量的70%以上，说明钢拱架对围岩稳定性有较大影响。

(5)对于地下硐室开挖而言，变形并非线性变化，而是在掌子面前后0.5D变形变化迅速，因此施工时应做好及时支护。