大断面古土壤隧道围岩压力分布规律及支护结构受力特征分析——以银西高铁早胜3号隧道为例

叶万军， 吴云涛， *， 陈 明， 刘江涛

(1. 西安科技大学建筑与土木工程学院， 陕西 西安 710054； 2. 中铁十二局集团第四工程有限公司， 陕西 西安 710054)

0 引言

银西高铁作为我国《中长期铁路网规划》中高等级铁路福银高铁的组成部分，自东向西依次穿越咸阳塬、长武塬、早胜塬、董志塬等几大典型黄土塬区，大厚度的黄土覆盖层使得修建隧道成为高铁建设的有利方案之一。早胜3号隧道作为国内第一条大断面古土壤隧道，在保证大断面隧道施工安全的同时，又要考虑许多首次出现的地层情况，给设计和施工者带来了很大困扰。

国内学者对于古土壤进行了大量研究： 唐克丽等[1]通过对黄土剖面土样进行矿物组成和孢粉分析，揭示了干旱与半干旱环境演化过程； 杨萍等[2]通过对古土壤相关研究进行梳理，分析了全新世环境变化；陈留勤等[3]分析了古土壤在沉积环境解释和地层划分对比中的作用；赵景波等[4]研究了西安和宝鸡地区第1层古土壤发育时土壤有效水含量、重力水分布和水循环等问题；此外，文献[5-7]也对古土壤的特性进行了大量研究。对于大断面隧道，扈世民[8]通过对兰渝铁路进行现场监测，认为黄土隧道具有围岩变形量大、围岩变形持续时间长等特点；周云鹏[9]通过对唐塬隧道进行现场监测，认为隧道围岩压力的最大值出现在中轴线侧面40°左右，围岩的水平压力分布形式呈拱部线性增长、直墙部分均匀分布的特点；孟德鑫等[10]以宝兰客专西坡隧道为背景，分析了围岩压力和支护结构受力的规律；文献[11-14]通过现场监测和数值模拟的方法，对围岩压力、围岩稳定性和围岩变形情况进行了研究。

鉴于黄土与古土壤存在着明显的结构性差异[15]，同时早胜3号隧道作为首条古土壤隧道，缺乏相关工程经验，本文以早胜3号隧道为研究背景，通过室内试验获得古土壤的基本物理力学性质，并利用现场监测的方法对围岩压力分布规律和支护结构受力情况进行系统研究，以期对相似地层条件下隧道设计和施工提供一定依据。

1 工程背景

1.1 工程概况

早胜3号隧道为银西铁路控制性工程，设计为双线单洞，总长11 171.38 m。隧道穿越黄土梁塬沟壑区，地面高程为995～1 250 m，相对高差约255 m，北高南低，沟梁相间，冲沟下切较深，多呈“V”字形，两岸边坡高陡，局部发育滑坡、错落、溜坍和黄土陷穴等不良地质现象。

1.2 隧道设计参数

根据地质情况判别，古土壤地层为Ⅳ级围岩，采用Ⅳd型复合式衬砌支护，设计支护结构如图1所示。

Ⅳd型衬砌初期支护采用I20型钢拱架，间隔为0.8 m，拱墙、仰拱喷射混凝土厚度均为27 cm；拱部140°范围采用φ42 mm×3.5 mm热轧无缝钢管，长4 m，环向间距0.5 mm，边墙采用φ22 mm砂浆锚杆，每个台阶拱脚部位采用φ42 mm无缝钢管打设锁脚锚管，长度均为4 m，间距为1.0 m×0.6 m(环向×纵向)；连接筋采用φ22 mm钢筋制作，环向间距1 m，与拱架焊接牢固；二次衬砌采用钢筋混凝土，厚度为50 cm。

图1 隧道支护结构分布示意图Fig. 1 Sketch of tunnel support structure distribution

隧道开挖断面面积为153 m2，属于特大断面，采用三台阶七步开挖法，台阶高度比为1∶1∶1，上台阶的台阶长度控制在3～5 m，中台阶的台阶长度控制在5～8 m，开挖循环进尺控制在每次不大于2榀拱架。安全步距为： 仰拱初期支护封闭成环距掌子面不大于35 m，二次衬砌距掌子面不大于90 m。

1.3 监测断面情况

在早胜3号隧道3#斜井西安方向布设1组监测断面，里程为DK192+050，埋深为220 m，从隧道纵断面图(见图2)可以看出，此处为隧道穿越黄土塬区。

图2 隧道纵断面图Fig. 2 Longitudinal profile of tunnel

2 古土壤工程特性

从早胜3号隧道多处取样，均发现土体呈红褐色、硬塑、稍湿，富含钙质结核和铁锰菌丝体，结构致密，土质均匀。通过对密度、含水量、液塑限以及相对密度的测试，得到古土壤的基本物理性质指标，见表1。

通过对古土壤剪切强度、膨胀性能以及水理性进行测试，认为古土壤具有剪切强度大、弱膨胀性、不具有湿陷性、结构性较差的特点。具体指标见表2。

表1 古土壤的物理性质指标

表2 古土壤的强度、膨胀性、水理性指标

3 现场试验方案

根据古土壤地层的分布情况，选择试验里程为DK192+050，在该断面从拱顶至仰拱依次选择10个点进行测试(测点分布见图3)，分别采用振弦式土压力盒测试围岩压力、表面应变计测试钢拱架变形以及钢筋应力计测试2榀钢架间的应力(见图4)。

图3 监测设备埋设断面图Fig. 3 Layout of monitoring equipment

图4 监测设备现场埋设 Fig. 4 Site equipment embedding plan

4 试验结果分析及讨论

4.1 围岩压力变化情况

围岩压力变化曲线如图5所示，围岩压力包络图见图6。

图5 围岩压力变化曲线Fig. 5 Pressure variation curves of surrounding rock

图6 围岩压力包络图 (单位： MPa)

Fig. 6 Envelope diagram of surrounding rock pressure (unit: MPa)

由图5和图6可以看出： 1)各测点曲线大致经历了急剧变化—缓慢变化—平稳变化3个阶段。考虑隧道开挖对岩土体的影响，认为该过程为土体卸荷过程，开挖会使土体裂隙不断扩张，从而造成土体松动，使得围岩松动压力增大，但随着作用于土体的支护结构产生作用，土体裂隙得到有效控制，松动压力由缓慢变化状态逐渐变为平稳变化状态。 2)1#、2#、3#点均为上台阶测点，其中1#点变化幅度最大，开挖结束后拱顶土体完全临空，围岩压力稳定时达到了0.11 MPa。 3)4#、5#点分别为中台阶左、右两侧测点，从图像可以看出，4#点围岩压力明显大于5#点，分析原因认为，由于采用三台阶七步开挖工法，同一里程左右两侧开挖相差1个施工循环，在施工右台阶时，上台阶和左侧钢拱架已能够较好地控制围岩变形，因此造成右侧围岩压力较小。此外，4#点在第18天时压力出现突变，但在第19天恢复正常，认为可能是由于数据记录过程中的误录，并不影响4#点的增长规律。4)6#、7#点围岩压力较小，且变化幅度较小。5)对于仰拱处测点，8#点围岩压力明显大于其他各点，即拱脚处围岩压力大于其余各点，与理论相符。

由图6可以看出，左侧点压力明显大于右侧点，由于深埋隧道基本不存在偏压情况，因此分析认为三台阶七步开挖法是造成围岩压力分布不均的主要原因。从三台阶七步开挖法示意图(见图7)可以看出，该工法实质是将隧道断面划分成多个小的部分，采用分部开挖来保证隧道的稳定。但由于各分部的卸荷方式不同，因此造成围岩压力分布不均。当开挖拱顶(图7中编号1部分)时，相当于对拱顶围岩进行了轴向卸荷，拱顶土体缺乏支撑，处于临空状态；开挖左侧中台阶(图7中编号2部分)时，由于右侧相比左台阶滞后1个工作循环，造成左侧中台阶开挖后，拱顶和右侧土体均有向左侧挤压的趋势。当开挖右侧中台阶时，拱顶及左侧支护已形成，因此造成左侧围岩压力大于右侧；而对于仰拱，虽然同样为轴向卸荷，但此时支护结构已成型、共同分担围岩压力，因此仰拱处围岩压力小于拱顶。

图7 三台阶七步开挖法示意图

Fig. 7 Sketch of three-bench seven-step excavation method

4.2 拱架间轴力变化情况

钢拱架间轴力变化曲线如图8所示，钢拱架间轴力包络图见图9。

图8 钢拱架间轴力变化曲线

Fig.8 Variation curves of axial force of two adjacent steel arches

图9 钢拱架间轴力包络图 (单位： kN)

Fig. 9 Envelope diagram of axial force of two adjacent steel arches (unit: kN)

由图8可以看出，刚开始时钢拱架间轴力变化较大，当监测持续至20多d时，相邻2榀钢拱架间轴力趋于稳定。分析认为： 在监测初期，由于支护结构尚未成环，拱架间缺乏相互约束，拱架间轴力受施工影响较大；当支护结构成环后，相邻拱架在连接筋作用下形成整体，共同分担受力。因此，拱架间轴力变化逐渐变缓。而当混凝土强度达到设计值时，拱架、钢筋网片、锚杆组成的复合式衬砌结构形成，各部分支护结构间协调分担受力，使得拱架间轴力变化趋于平稳。同时，由图8可以看出，2#点的变化趋势出现异常，认为开挖中台阶时，可能受到施工影响，出现了跳跃性变化，但当支护结构完整时恢复正常。

钢筋应力计标定书规定，受压为正，受拉为负，由图9测试结果可以看出，钢拱架间轴力以受压为主。分析认为： 钢拱架作为支护结构的主体，除了受到围岩纵向及侧向的压力外，还受到平行开挖面推进方向的压力。隧道开挖形成临空面，隧道除洞内方向均约束围岩变形，因此只能沿洞内方向变形(见图10)，以便达到新的稳态，该过程中会形成部分变形土体作用于支护结构，使得相邻支护结构间以受压为主。另外，虽然轴力量值个别点变化幅度较大，但均不超过100 kN，钢拱架轴力较大值出现在4#点和拱脚处，与其围岩压力相对应。

图10 围岩向洞内挤出情况示意图Fig. 10 Sketch of extrusion of surrounding rock to tunnel

4.3 拱架变形情况

表面应变计通过固定支座固定于钢拱架内侧翼缘来获得拱架的变形情况，为了能够更加方便直观，将变形换算为拱架受力情况，并绘制了钢拱架环向受力包络图。钢拱架表面应变变化曲线如图11所示，钢拱架环向受力包络图见图12。

图11 钢拱架表面应变变化曲线

Fig. 11 Variation curves of surface strain of steel arch frame

图12 钢拱架环向受力包络图 (单位： kN)

Fig. 12 Envelope diagram of circumferential force of steel arch frame (unit: kN)

由图11可以看出，钢拱架的变形同样取决于支护结构的完整程度和混凝土的强度。随着支护结构的完善，钢拱架变形趋于缓慢； 当混凝土强度逐渐接近并达到设计值时，钢拱架的变形达到最终稳态。在监测曲线中，除了1#和3#点曲线存在个别点突变外，其余各点变化曲线均正常。

由图12可以看出，上台阶1#、2#和3#点的变形曲线普遍高于其余各点，这是因为拱顶围岩在重力作用下较为松动，在竖向直接作用于支护结构；而对于中下台阶，除去7#点外，变化幅度均不大。反观7#点，此处围岩压力较小，为0.003 MPa，而拱架间的轴力为50.315 kN,因此认为拱架的变形不完全因为围岩压力作用，两榀拱架间的相互作用也产生了一定影响。10#点变化趋势不同于其余各点，前期变化相对急剧，认为当支护结构成环后，此时混凝土强度尚未形成，仰拱处的钢拱架既要承受成环拱架的重力，又要分担围岩压力，因此变形量相对较大；但随着时间的推移，混凝土强度逐渐形成，支护结构形成整体，分担了仰拱处拱架的受力，拱架变形趋于平稳。同时，从图12可以看出，上台阶、仰拱底部受力(变形)最大，而拱脚处受力(变形)相对仰拱底部受力(变形)较小。

综合看来，拱架受力(变形)大多集中于上台阶和仰拱底部。当遇到不良地层时，如果在焊接拱架时能够加强薄弱点的强度，将有利于支护结构更好地发挥作用。

4.4 钢拱架三维变形模式分析

结合钢拱架间轴力包络图和钢拱架环向受力包络图，得到钢拱架三维受力图(见图13)。可以看出，钢拱架除了受到洞周围岩压力外，还受到相邻拱架间的作用力。而钢拱架作为受压构件，主要承担围岩压力，但此时钢架间不均匀分布的轴力会削弱支护结构的作用效果。分析认为,理想工况(见图14)时，当拱架间各点同时受拉或受压时，相当于相邻拱架间存在预应力，支护结构整体作用，能够表现出较好的性能；当拱架单侧拉压或一侧抗拉、一侧抗压时，围岩压力不能完全作用在拱架上，使得一部分力作用在拱架间的连接筋上，不利于支护结构的稳定。

根据钢拱架三维受力示意图，同时结合该断面围岩压力，分析认为1#点围岩压力为0.110 MPa时，钢拱架的环向力和拱架间的轴力分别为762.5 kN和10.327 kN；而2#点围岩压力为0.006 MPa时，钢拱架的环向力和拱架间的轴力分别为435.8 kN和32.125 kN；同样对于3#点，钢拱架的环向力和拱架间的轴力分别为382.89 kN和11.695 kN。从以上3个监测点可以看出，相邻两监测点在相同方向上应力变化趋势的不同反映了实际工程中拱架受力具有不规律性，拱架容易产生局部扭曲，分散受力效果。因此，建议推行一体化钢拱架。

图13 钢拱架三维受力示意图 (单位： kN)

Fig. 13 Sketch of three-dimensional stress of steel arch frame (unit： kN)

(a) 相邻拱架两侧上下同时拉(压) (b) 相邻拱架一侧上压下拉

(c) 相邻拱架一侧上拉下压 (d) 相邻拱架两侧上拉下压

图14钢拱架间连接筋理想受力方式

Fig. 14 Stress mode of connecting bars between steel arch frames

5 结论与讨论

以银西高铁早胜3号隧道为依托，结合现场监测得到以下结论：

1)围岩压力大致经历了急剧变化—缓慢变化—平稳变化3个阶段，同时围岩压力分布在拱脚处最大，并表现出左侧明显大于右侧的情况。考虑土体应力路径变化情况，认为三台阶七步法开挖对围岩压力分布产生了重要影响。

2)相邻2榀拱架间轴力以受压为主，在支护结构尚不完整和混凝土强度未达到设计值时，钢拱架间轴力变化曲线尚未达到稳态。因此，钢架的完整程度以及与混凝土的协作关系直接影响了轴力变化情况，从而影响了支护结构整体的受力性能。

3)钢拱架在上台阶以及仰拱底部的变形较大，因此，认为钢拱架的变形主要集中在上台阶和仰拱底部。遇到不良地质条件时，应该人为增加这2处钢架规格，从而提高支护结构强度。

4)拱架受力表现出三维受力的特点，除了受到洞周围岩竖向和侧向压力外，还受到相邻钢架间的作用力，并且呈现出局部受压或受拉以及扭曲的特点。因此，建议推行一体化钢拱架。

本次试验结论主要针对古土壤大断面深埋隧道，对于浅埋或偏压古土壤隧道还需要进一步开展现场试验。