隧道穿越地层接触带施工关键技术模型试验研究

杨文波 王宗学 张航 蒋雅君

西南交通大学土木工程学院，成都610031

隧道在穿越不同岩性地层接触带时，支护结构所承受围岩压力分布不均匀，导致支护结构局部受力过大而产生裂缝，同时由于围岩条件不同，隧道洞周会产生不均匀变形，给施工安全带来隐患，并且影响施工进度。因此隧道穿越接触带时采用合理的开挖支护体系显得尤为重要。

针对接触带隧道开挖问题国内外学者进行了大量研究。于丽等［1］以临县隧道为工程背景采用数值模拟的方法研究了浅埋土石分界高度及土石分界面位置对隧道初期支护结构安全性的影响。施玉晶等［2］结合上软下硬复合地层的特征，通过数值模拟方法对两种拱盖法修筑的隧道结构稳定性进行研究。李雪峰等［3］采用数值模拟的方法针对软硬不均地层对初期支护厚度、拱架间距、锚杆长度和间距在控制围岩变形和初期支护应力方面的效果进行了分析。王志杰等［4］采用室内试验和理论分析，从围岩物理力学性能、工程地质和水文地质条件、施工及人为因素等方面对土石分界处地层大变形机理进行了分析。刘扬等［5］采用砂子、石膏、水泥、混凝土透水增强剂制备相似材料，在此基础上制作含软弱地层的隧道模型，模拟在软硬交接带隧道开挖之后坚硬地层的裂纹扩展特性及隧道围岩的破坏过程。高新强等［6］通过开展大梁峁特长公路隧道水平泥岩砂岩互层段支护体系现场试验，研究水平泥岩砂岩互层段隧道初期支护中的锚杆轴力、围岩压力、钢架应力、混凝土应力、支护变形、二次衬砌中接触压力和混凝土受力特征。冉铭哲［7］针对隧道沿线土石分界地质情况，对土石偏压隧道结构安全性和围岩破坏模式展开了研究。孙文君等［8］以某浅埋公路隧道为工程背景，模拟了不同掘进方向和不同土石界面倾角下的隧道开挖反应，对比了不同掘进方向下的隧道开挖反应特征，分析了土石界面倾角对隧道开挖反应的影响。

上述研究成果对隧道穿越地层接触带时的开挖稳定性控制有很好的参考价值。但目前开展的研究大多采用数值分析的方法，极少采用模型试验的方法分析接触带，而且针对接触带隧道的开挖支护体系研究也相对较少。因此，本文以银西高速铁路贾塬隧道为背景，结合模型试验研究隧道穿越地层接触带时施工工法与支护结构参数，探究隧道围岩位移、初期支护与围岩间的接触压力、钢拱架应力的变化规律，并与现场监测数据进行对比，分析接触带隧道合理开挖支护体系，为快速、安全施工提供参考。

1 工程概况

贾塬隧道位于银西高速铁路甘肃段，总长11.86 km，最大埋深260 m，最小埋深14 m。设计为双线单洞，跨度约为14 m，净高约为12 m，净空面积约为100 m2。隧道横断面尺寸如图1所示。

图1 贾塬隧道横断面（单位：m）

贾塬隧道三次穿越长段落接触带，选取其中红黏土和砂岩夹泥岩的接触带作为研究对象。该接触带全长282 m，为整合接触地层，埋深240～260 m。隧道上部穿越地层为红黏土，成分以黏粒为主，结构紧密，土体较致密；下部穿越地层为砂岩夹泥岩，层状结构，强风化。红黏土与砂岩夹泥岩接触带隧道纵断面如图2所示。

图2 红黏土与砂岩夹泥岩接触带纵断面

2 模型试验设计

本次试验采用先加载后开挖的方式进行，使用两种土体来模拟接触带。由于隧址区水平构造应力较小，用自重应力场来模拟试验原始地应力场，试验过程中分部开挖隧道并及时施作初期支护，同时通过测量系统采集隧道不同部位的围岩位移、围岩与初期支护接触压力、钢拱架应力。

2.1 相似关系

采用1/50的几何相似比和1/1的重度相似比为基础相似比。根据相似理论推导出泊松比、应变、内摩擦角、弹性模量、强度、应力、黏聚力等的相似关系，实现在弹性范围内控制各物理力学参数的全相似性，推得各物理力学参数原型值与模型值的相似比关系，见表1。

表1 原型值与模型值的相似比

2.2 试验工况

为研究隧道穿越地层接触带时的合理开挖支护体系，结合现场施工情况，采用不同的施工工法及支护参数模拟开挖，探究隧道围岩位移、初期支护与围岩间的接触压力、钢拱架应力的变化规律。模拟试验工况见表2，其中，研究施工工法时所说的三台阶预留核心土法是指工况3。

3 模型材料与模型箱

3.1 围岩

模型土的配制以河砂为基材，加入一定比例的粉煤灰、煤油及石英砂，拟定了18种配比方案，并测量各配比下的土体参数。根据试样结果不断调配粉煤灰与石英砂的含量，以得到与实际地层土体相似的参数。

3.2 钢拱架和混凝土

模型钢拱架采用定制铜带模拟，通过等效刚度计算选定铜带厚度为0.8 mm、宽度为5 mm。实际施工过程中采用C25喷射混凝土，模型试验中用水和石膏来模拟，水和石膏配比为1∶1.06。

3.3 模型箱

模型试验箱尺寸为150 cm（长）×90 cm（宽）×135 cm（高）。为模拟开挖过程中隧道的受力状态，拟采用隧道-地层复合体模拟试验系统为加载系统，利用2个液压千斤顶作为加载执行元件，并通过反力梁、工字钢和钢板将千斤顶的压力转化为均布荷载。使用高精度液压稳压器为千斤顶提供稳定的可自动跟踪的压力油源，施加均布荷载为0.1 MPa。

4 模型试验装置与测量系统

4.1 围岩位移监测

围岩位移依次通过铜片、铅发丝线经由预埋传导杆传递到模型箱外侧的百分表进行测量。预埋传导杆为空心钢管，以保证内部铅发丝线不受土体和开挖的影响。铅发丝线一端系有金属垫片，固定在距离隧道较近的围岩中；另一端系在百分表上。当围岩发生位移时，可以通过没有弹性的铅发丝线将位移传至百分表，百分表通过磁力表座固定在模型箱上，精度为0.01 mm。综合考虑穿越接触带隧道施工特点，分别在拱顶、拱肩、拱腰和拱脚布置围岩位移测量装置。

4.2 接触压力及钢拱架应力监测

围岩与初期支护之间的接触压力由BY-3型压力盒采集，量程为0～2 MPa，精度为0.001 MPa，监测点分别位于拱顶、仰拱以及两侧拱肩、拱腰、拱脚，如图3所示。为监测钢拱架应力，在模型钢拱架内外侧成对布置8对应变片，测点布置与土压力盒相同。

4.3 模型试验过程

准备好试验材料后，将土逐层添加至模型箱并夯实，然后使用千斤顶加压至预定值，待液压稳定器压强值无明显变化时开挖。

根据现场施工情况，确定每次台阶错距和开挖进尺。使用钢尺测量台阶尺寸确保开挖精度，用油灰刀开挖并分次清理土渣。为保证衬砌厚度均匀一致，沿已有隧道轮廓开挖后，须进行扩挖，扩挖厚度与衬砌厚度一致。待开挖完成后架设两榀钢拱架，上、中、下台阶及仰拱钢拱架通过热缩管连接，待钢拱架连接完成后开始喷涂石膏水。为保证石膏能够与土体紧密贴合，须先用稀石膏水浸润开挖隧道周围土体，待围岩浸润后配制符合相似比的石膏，接近凝固时涂抹，待石膏凝固后开始下一循环的开挖。

5 开挖工法研究

为研究隧道穿越接触带时的适宜开挖工法，分别采用上下台阶法、三台阶法、三台阶预留核心土法三种工法开挖，分析其对隧道变形与结构受力的影响。

5.1 位移对比分析

不同开挖工法下模型监测点的位移时程曲线见图4。可知：随着开挖进尺的增加，围岩位移逐渐增大，且在开挖初期围岩位移增速很快，在下台阶开挖完成后围岩位移逐渐收敛；在监测断面开挖前隧道周围的围岩已经发生较大的预变形，拱顶处的位移变化最大，其次为拱肩，且拱腰和拱脚处的位移与拱顶位移相差较大。

三种开挖工法下围岩位移的最终稳定值见表3。可知：围岩位移从大到小依次为上下台阶法、三台阶法、三台阶预留核心土法；以三台阶法为对照工况进行分析，上下台阶法围岩位移较三台阶法增大了20%～42%，三台阶预留核心土法围岩位移较三台阶法减小了18%～34%；不同开挖工法对拱脚处的围岩位移影响最大，对拱顶处围岩位移影响最小。

表3 不同开挖工法下围岩位移稳定值

5.2 接触压力对比分析

利用土压力盒测量初期支护与围岩间的接触压力，根据相似比计算得到原型中初期支护与围岩间的接触压力，不同施工工法下接触压力分布见图5。可知：除拱顶、拱肩外其余部位的接触压力均较小，接触压力最大值位于拱顶处。模型左右两侧的接触压力差别较大，如采用三台阶预留核心土法时，左右拱肩处的接触压力分别为0.499、0.302 MPa。这是因为模型左右两侧土体交错开挖，导致模型左右两侧边墙围岩压力不对称。三种施工工法下初期支护与围岩间的接触压力分布规律相似，只是大小不同。

图5 不同施工工法下接触压力分布（单位：MPa）

拱顶、拱肩、拱腰、拱脚处接触压力的平均值见表4。可知：上下台阶法的接触压力最小，其次为三台阶法、三台阶预留核心土法，这说明当围岩位移较小时，围岩对结构的荷载更大；以三台阶法为对照工况进行分析，上下台阶法下接触压力较三台阶法减少了17%～65%，拱腰和拱脚处接触压力减少最为明显；三台阶预留核心土法接触压力较三台阶法增加了12%～32%，除拱肩处增大不明显外其余位置的接触压力均增大了30%左右。

表4 不同开挖工法下接触压力平均值

采用三台阶预留核心土法开挖，对模型土体的扰动更小，产生的围岩位移更小，接触压力反而增大了。这是由于在极限围岩位移范围内，位移减小，支护阻力更大，应力重分布的结果由支护结构承担一部分，造成接触压力增大。

5.3 钢拱架应力对比分析

不同开挖工法下钢拱架应力分布见图6。可知，各工况下钢拱架内外侧均受应力。三台阶预留核心土法钢拱架外侧所受应力最大，其次为三台阶法、上下台阶法，应力最大值均位于拱顶处，分别为207.10、151.59、123.5 MPa；以三台阶法为对照工况进行分析，上下台阶法下围岩的钢拱架应力较三台阶法减少了20%～30%，但上下台阶法围岩位移较三台阶法增大了20%～42%；三台阶预留核心土法钢拱架应力较三台阶法减少了20%～40%，其围岩位移较三台阶法减少了18%～34%。上下台阶法、三台阶法、三台阶预留核心土法下钢拱架拱顶与拱肩处外侧应力差占拱顶应力的百分比依次为29%、30%、28%，拱腰与拱脚处外侧应力差占拱腰应力的百分比依次为49%、55%、9%，三台阶预留核心土法的钢拱架应力分布更均匀。

图6 不同开挖工法下钢拱架应力分布（单位：MPa）

结合围岩位移分析可知，当围岩位移较小时结构须承受更大的压力以约束围岩的位移变形，采用不同的开挖工法时拱顶、拱肩处的位移、初期支护与围岩间的接触压力、钢拱架应力都较大，建议现场施工时对拱顶、拱肩进行加固处理。总的来说，三种开挖工法中三台阶预留核心土法对围岩位移的限制效果最好，其开挖引起的初期支护与围岩间的接触压力、钢拱架的应力分布更加均匀，数值也在安全范围内。

6 合理支护参数研究

三台阶预留核心土法不同支护参数下隧道围岩位移、初期支护与围岩间的接触压力及钢拱架应力见图7。可知，钢拱架间距为80 cm时随着初期支护厚度的增加，隧道竖向变形最大值减小了44%，水平收敛最大值变化不大，初期支护与围岩间的接触压力及钢拱架应力减小了约50%，说明增加初期支护厚度能较好地限制隧道围岩位移，明显改善初期支护结构的受力；初期支护厚度为30 cm时随着钢拱架间距的减小，隧道竖向变形最大值减小了25%，初期支护与围岩间的接触压力及钢拱架应力减小了20%，这说明钢拱架间距对围岩位移及初期支护结构受力的影响有限。

图7 不同支护参数下隧道围岩位移、接触压力及钢拱架应力

7 现场监控量测验证

为进一步分析模型试验结果的可靠性，将DK278+410里程断面（开挖支护体系与模型试验工况3相同）现场监测数据与之对比分析，结果见表5。将现场监测数据处理后得到的初期支护与围岩间的接触压力及钢拱架应力分布见图8。由于地形复杂多变及监测元件安装和读数的误差，现场监测数据小于模型试验的结果。对比现场监测和模型试验的结果发现，隧道位于红黏土地层中的拱顶、拱肩、拱腰监测点初期支护与围岩间的接触压力及钢拱架应力要大于位于砂岩夹泥岩地层中拱脚监测点的初期支护与围岩间的接触压力及钢拱架应力。由此可知，在红黏土地层中，由于红黏土自稳能力较差，所以初期支护承受较大的围岩压力，而在砂岩夹泥岩地层中，围岩稳定性较好，初期支护承受的围岩压力也较小。总体来看，现场监测和模型试验的结果相差不大，验证了模型试验的可靠性。

表5 现场监测值与模型试验值

图8 现场监测接触压力及钢拱架应力分布（单位：MPa）

8 结论

针对红黏土与砂岩夹泥岩接触带地层上软下硬的特点，通过模型试验研究了隧道穿越接触带时施工工法与支护结构参数，并结合现场监控量测数据进行验证。得出以下结论：

1）隧道穿越红黏土与砂岩夹泥岩接触带时，上下两种地层围岩位移、受力相差较大。拱顶、拱肩是关系隧道穿越接触带施工安全的关键环节，现场施工时须对拱顶、拱肩进行加固处理。

2）三种开挖工法中三台阶预留核心土法对围岩位移的限制效果最好，其开挖引起的初期支护与围岩间的接触压力、钢拱架应力更大，但分布更加均匀且数值在安全范围内。

3）初期支护厚度和钢拱架间距均对隧道的安全有着重要的影响，增加初期支护厚度和减少钢拱架间距均能减少围岩位移、改善支护结构受力效果，但是，与初期支护厚度相比，钢拱架间距对隧道安全的影响有限。

4）与现场监控量测数据对比分析，现场监测和模型试验的结果相差不大，验证了模型试验的可靠性。