董捷，仲帥

隧道下穿施工對(duì)夾層巖柱圍巖應(yīng)力影響研究

董捷1, 2，仲帥1, 2

(1. 河北建筑工程學(xué)院 土木工程學(xué)院，河北 張家口 075000；2. 河北省土木工程診斷、改造與抗災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 張家口 075000)

為探明交叉隧道夾層巖柱圍巖應(yīng)力變化規(guī)律及其影響因素，開(kāi)展重力條件下相似模型試驗(yàn)，采集新建隧道開(kāi)挖期間夾層巖柱附加應(yīng)力和既有隧道襯砌應(yīng)變，并進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)值計(jì)算。研究結(jié)果表明，新建隧道開(kāi)挖完成后，交叉點(diǎn)處夾層巖柱中圍巖應(yīng)力急劇下降；受下部隧道開(kāi)挖的影響，既有隧道軸向呈現(xiàn)“下凹”狀態(tài)，由于應(yīng)變監(jiān)測(cè)斷面兩側(cè)底部圍巖應(yīng)力相繼釋放，環(huán)向附加應(yīng)變由非對(duì)稱分布逐漸變?yōu)閷?duì)稱分布。夾層巖柱中圍巖應(yīng)力下降區(qū)域分布呈“漏斗”狀，既有隧道的遮蔽效應(yīng)使得交叉點(diǎn)處附加圍巖應(yīng)力小于其他部位；圍巖條件較好時(shí)，既有隧道底部附加圍巖應(yīng)力較小，隨著新建隧道開(kāi)挖跨度和體積損失率的減小，地層中附加圍巖應(yīng)力也逐漸減小。

交叉隧道；圍巖應(yīng)力；模型試驗(yàn)；數(shù)值計(jì)算

隨著我國(guó)交通運(yùn)輸事業(yè)迅速發(fā)展，公路、鐵路線路越發(fā)密集，受地形和選線的制約，新建隧道下穿既有隧道工程頻繁發(fā)生[1?2]。下穿隧道開(kāi)挖會(huì)擾動(dòng)周邊巖土體，使得既有隧道產(chǎn)生附加內(nèi)力及變形，夾層巖柱及隧道結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為也將變得極為復(fù)雜，當(dāng)擾動(dòng)達(dá)到一定限度時(shí)，會(huì)對(duì)既有隧道安全運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生不利影響。在分析新建隧道開(kāi)挖對(duì)臨近隧道的影響時(shí)，理論解析方法概念明確，可便捷地為工程提供參考[3]。Klar等[4]采用彈性連續(xù)體解和Winkler模型解來(lái)計(jì)算新建隧道施工引起既有管線隧道的位移和彎矩。LIU等[5]提出一種基于Winkler模型的疊加方法，可以用來(lái)獲取新建隧道零間隙下穿時(shí)既有隧道內(nèi)力變化情況，并通過(guò)有限元驗(yàn)證了該方法的有效性。張冬梅等[6]基于Kerr地基梁理論，提出一種新建隧道施工對(duì)既有隧道影響的解析方法，分析了地層損失率等參數(shù)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)縱向變形的影響。由于隧道間相互作用的復(fù)雜性，許多學(xué)者建立三維仿真模型進(jìn)行隧道近接施工的數(shù)值模擬研究。Ng等[7]進(jìn)行三維有限元分析，研究了既有馬蹄形隧道寬度和新建下穿隧道跨度比(B/D)對(duì)交叉隧道相互作用的影響。Avgerinos等[8]通過(guò)三維有限元方法，揭示了下穿隧道開(kāi)挖過(guò)程中既有隧道內(nèi)力和變形變化規(guī)律。林越翔等[9]建立盾構(gòu)隧道精細(xì)化模型，對(duì)新建隧道正交下穿期間既有盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)動(dòng)靜力響應(yīng)特性進(jìn)行了研究。來(lái)弘鵬等[10]依托西安地鐵某交叉隧道工程，構(gòu)建三維數(shù)值模型，研究了土倉(cāng)壓力、注漿壓力、注漿量等參數(shù)對(duì)既有隧道沉降和軌道高差的影響。李玉峰等[11]從既有隧道沉降和支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力方面考慮，分析了圍巖級(jí)別、交疊角度和夾層圍巖厚度等因素對(duì)交叉隧道施工的影響。此外，模型試驗(yàn)可以直觀反映隧道間相互作用而被廣泛使用。Ng等[12?13]開(kāi)展了新建隧道正交下穿既有隧道離心模型試驗(yàn)，研究了既有隧道斷面類型及隧道施工模擬方法對(duì)交叉隧道相互作用的影響，并進(jìn)行了數(shù)值反演分析進(jìn)一步了解新建隧道施工期間應(yīng)力傳遞機(jī)理。MA等[14]進(jìn)行了雙隧道正交下穿既有管線隧道離心模型試驗(yàn)及三維數(shù)值模擬，分析了雙隧道施工順序?qū)扔泄芫€的影響。張曉清等[15]通過(guò)排液法模擬新建隧道盾構(gòu)施工中的地層體積損失和質(zhì)量損失，開(kāi)展了隧道垂直下穿、上穿和上下穿越既有隧道情況下模型試驗(yàn)，研究了地表沉降特性和既有隧道縱向變形，并通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。上述研究取得了豐碩的成果，然而這些研究?jī)?nèi)容多涉及新建隧道施工所導(dǎo)致的既有隧道受力、變形以及地表沉降，有關(guān)隧道近接施工期間夾層巖柱圍巖應(yīng)力的研究也都集中在新建隧道并列近接的情況[16?17]，針對(duì)新建隧道下穿期間夾層巖柱圍巖應(yīng)力的研究則相對(duì)較少。隧道開(kāi)挖會(huì)導(dǎo)致圍巖應(yīng)力重新分布，對(duì)于新建隧道下穿既有隧道工程，交叉區(qū)段豎向附加圍巖應(yīng)力是既有隧道產(chǎn)生附加內(nèi)力及彎曲變形的重要影響因素[13]。因此，開(kāi)展夾層巖柱附加圍巖應(yīng)力分布及其影響因素研究對(duì)于明確既有隧道變形及內(nèi)力變化機(jī)理具有重要意義。基于此，本文開(kāi)展重力條件下相似模型試驗(yàn)，對(duì)新建隧道下穿期間既有隧道應(yīng)變及夾層巖柱應(yīng)力變化特性開(kāi)展研究，采用數(shù)值模擬的方法進(jìn)一步研究夾層附加圍巖應(yīng)力分布以及圍巖級(jí)別、下穿隧道跨度和體積損失率對(duì)附加圍巖應(yīng)力的影響，為新建隧道下穿既有隧道工程的設(shè)計(jì)與施工提供參考。

1 試驗(yàn)方案

1.1 工程背景及相似材料

模型試驗(yàn)以某新建高速鐵路隧道小凈距下穿既有重載鐵路隧道工程為依托，2隧道間交疊角度為76°，新建隧道拱頂距既有隧道底部距離為16 m，上部隧道周邊巖體以強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r為主，下部隧道周邊巖體為中風(fēng)化凝灰?guī)r。2隧道均為單洞雙線隧道，跨度為14 m，高度為11.8 m，模型試驗(yàn)中既有隧道埋深設(shè)定為10 m。

本次模型所涉及關(guān)鍵物理量主要有幾何尺寸()，密度()，彈性模量()，應(yīng)力()，應(yīng)變()，泊松比()，黏聚力()和內(nèi)摩擦角()。試驗(yàn)為1條件下模型試驗(yàn)，因此重力加速度()相似比為C=1:1，考慮模型試驗(yàn)的成本和可行性，選定幾何相似比為C=1:50，密度相似比為C=1:1，根據(jù)根據(jù)Buckingham定律[18?19]確定模型相似關(guān)系(表1)。

以原型圍巖力學(xué)參數(shù)為目標(biāo)，選用石膏、石英砂、重晶石、鐵粉、甘油和水作為原料制備圍巖相似材料，經(jīng)過(guò)反復(fù)配比試驗(yàn)，確定中風(fēng)化凝灰?guī)r原料配合比為石膏:石英砂:重晶石:鐵粉:甘油:水=25:20:58:2:6:16，強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r原料配合比為石膏:石英砂:重晶石:鐵粉:甘油:水=28:14:71:1:4:25。襯砌在特制剛性模具中進(jìn)行預(yù)制，選用石膏、水泥和水作為襯砌相似材料原料。原型及相似材料物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。

1.2 試驗(yàn)裝置

根據(jù)原型尺寸、相似關(guān)系以及量測(cè)要求確定模型箱的幾何尺寸。模型箱尺寸為1.6 m×1.6 m×1.6 m(圖1)，由高強(qiáng)度鋼板制作而成，箱體左右兩面安裝有鋼化玻璃，方便對(duì)試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行觀測(cè)。同時(shí)，在模型箱內(nèi)部邊界敷設(shè)光滑聚乙烯薄膜以減少箱體與圍巖相似材料之間的摩擦。

表1 模型相似關(guān)系

表2 原型材料及模型相似材料物理力學(xué)參數(shù)

圖1 模型箱

1.3 測(cè)試內(nèi)容及試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)中對(duì)新建隧道開(kāi)挖過(guò)程中夾層巖柱圍巖應(yīng)力和既有隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)變進(jìn)行了采集。壓力盒共分為2組，用于采集夾層巖柱豎向圍巖應(yīng)力，一組位于交叉點(diǎn)正下方，沿深度向下布置，間距為8 cm，分別為A1~A4；另一組沿既有隧道線路方向布置于隧道底部，間距為20 cm，分別為B1~B7，其中B4與A1為同一測(cè)點(diǎn)；隧道下穿期間既有隧道交叉點(diǎn)處斷面通常處于最不利受力狀態(tài)[20]，因此將應(yīng)變監(jiān)測(cè)斷面布置在交叉點(diǎn)處，沿襯砌外表面均勻布設(shè)8組應(yīng)變片，用來(lái)監(jiān)測(cè)襯砌環(huán)向及縱向應(yīng)變。測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖2。

單位：cm

采用分層填筑法制備圍巖，每層填筑高度5 cm，在下一層圍巖填筑前進(jìn)行刮毛處理，從而保證圍巖材料的連續(xù)性。上部隧道襯砌預(yù)埋至隧道模型中，模型澆筑及養(yǎng)護(hù)完成后進(jìn)行下部隧道開(kāi)挖。

對(duì)于下部隧道結(jié)構(gòu)，不考慮支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)圍巖的支承作用，此時(shí)求得的圍巖應(yīng)力及襯砌應(yīng)變相當(dāng)于一種極端情況，試驗(yàn)結(jié)果相對(duì)于實(shí)際情況偏于安全[21?22]。下部隧道開(kāi)挖長(zhǎng)度為1.6 m，每段開(kāi)挖長(zhǎng)度為20 cm，每段開(kāi)挖包括上臺(tái)階、下臺(tái)階以及落底開(kāi)挖；每當(dāng)完成一個(gè)開(kāi)挖步，待壓力盒及應(yīng)變片讀數(shù)穩(wěn)定后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，隨后進(jìn)行下一步的開(kāi)挖。開(kāi)挖方案如圖3所示。

圖3 開(kāi)挖方案

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

為便于對(duì)比與分析，將試驗(yàn)結(jié)果按照相似關(guān)系轉(zhuǎn)換為模型對(duì)應(yīng)的實(shí)際值。

2.1 附加圍巖應(yīng)力

圍巖應(yīng)力結(jié)果分析采用相對(duì)應(yīng)力值，即各點(diǎn)開(kāi)挖后圍巖應(yīng)力的變化值，正值表示圍巖應(yīng)力變大，負(fù)值代表圍巖應(yīng)力減小。

圖4(a)為測(cè)點(diǎn)A1~A4附加圍巖應(yīng)力隨新建隧道開(kāi)挖變化曲線。隨著新建隧道不斷接近交叉點(diǎn)，交叉點(diǎn)處圍巖夾層開(kāi)始受到擾動(dòng)，在此期間各測(cè)點(diǎn)圍巖應(yīng)力有小幅度上升；當(dāng)掌子面與交叉點(diǎn)距離為?10~10 m范圍內(nèi)，新建隧道開(kāi)挖導(dǎo)致其上方圍巖松動(dòng)，各測(cè)點(diǎn)圍巖應(yīng)力急劇下降；隨著掌子面逐漸遠(yuǎn)離交叉點(diǎn)，隧道開(kāi)挖的影響逐漸減弱，圍巖應(yīng)力趨于穩(wěn)定。對(duì)比開(kāi)挖前后各測(cè)點(diǎn)圍巖應(yīng)力變化值，可見(jiàn)隨著與新建隧道垂直距離的增加，地層中附加圍巖應(yīng)力逐漸減小，其中，A1~A4測(cè)點(diǎn)圍巖應(yīng)力分別減小30.24，107.35，223.72和397.08 kPa。

圖4(b)給出了測(cè)點(diǎn)B1~B7圍巖應(yīng)力隨新建隧道開(kāi)挖變化曲線。新建隧道開(kāi)挖完成后，測(cè)點(diǎn)B3~B5(交叉點(diǎn)附近)圍巖應(yīng)力有所降低，其余測(cè)點(diǎn)圍巖應(yīng)力均有所上升?？赡苁且?yàn)榻徊鎱^(qū)段巖柱受到隧道開(kāi)挖的影響開(kāi)裂、起隙；距離交叉點(diǎn)一定范圍外，巖體仍處于彈性變形階段，并起到了一定承載作用，因此圍巖應(yīng)力升高。

2.2 既有隧道附加應(yīng)變

選取4個(gè)典型開(kāi)挖階段既有隧道監(jiān)測(cè)斷面附加應(yīng)變進(jìn)行展示，如圖5所示，其中拉伸應(yīng)變?yōu)檎?，壓縮應(yīng)變?yōu)樨?fù)。

既有隧道軸向附加應(yīng)變分布見(jiàn)圖5(a)。隨著新建隧道的開(kāi)挖，襯砌軸向附加應(yīng)變逐漸增大，隧底、拱腳和拱腰處產(chǎn)生拉伸應(yīng)變，拱頂及拱肩處產(chǎn)生壓縮應(yīng)變。這是由于新建隧道開(kāi)挖致使上方圍巖產(chǎn)生應(yīng)力松弛現(xiàn)象，豎向應(yīng)力急劇下降，交叉點(diǎn)處夾層圍巖所提供的支承力也有所下降，使得既有隧道在交叉點(diǎn)附近沉降，進(jìn)而誘發(fā)隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生軸向彎曲變形，既有隧道呈現(xiàn)“下凹”狀態(tài)，監(jiān)測(cè)斷面襯砌外表面軸向附加應(yīng)變表現(xiàn)為“上負(fù)下正”。

(a) 軸向；(b) 環(huán)向

既有隧道環(huán)向附加應(yīng)變分布見(jiàn)圖5(b)。當(dāng)新建隧道距離交叉點(diǎn)較遠(yuǎn)時(shí)，監(jiān)測(cè)斷面下方巖柱受到擾動(dòng)較小，因此，既有隧道產(chǎn)生環(huán)向附加應(yīng)變較?。划?dāng)掌子面推進(jìn)至交叉點(diǎn)時(shí)，隧道附加應(yīng)變呈現(xiàn)明顯的非對(duì)稱性，這主要是由于隧道左側(cè)下方圍巖開(kāi)挖導(dǎo)致隧道左側(cè)底部圍巖應(yīng)力被釋放，既有隧道向左下側(cè)偏移，致使隧道外表面環(huán)向附加應(yīng)變呈現(xiàn)非對(duì)稱分布，隧底、右拱腳、左拱肩和拱頂產(chǎn)生拉伸應(yīng)變，其余部位為壓縮應(yīng)變；當(dāng)隧道貫通時(shí)，監(jiān)測(cè)斷面左右兩側(cè)圍巖應(yīng)力均已釋放，附加環(huán)向應(yīng)變近似呈現(xiàn)對(duì)稱分布；最終，除拱腰部位產(chǎn)生附加壓縮應(yīng)變，其余部位附加環(huán)向應(yīng)變均為拉伸應(yīng)變。

試驗(yàn)過(guò)程中，襯砌產(chǎn)生最大附加壓縮應(yīng)變?yōu)?5.96 με，遠(yuǎn)小于《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50010 —2010)中限值(3 300 με)；襯砌最大附加拉伸應(yīng)變?yōu)?5.69 με，當(dāng)襯砌初始拉伸應(yīng)變值較大時(shí)，襯砌結(jié)構(gòu)拉伸應(yīng)變很可能會(huì)超過(guò)混凝土極限拉伸應(yīng)變100~120 με[23]，此時(shí)襯砌會(huì)出現(xiàn)裂縫，對(duì)隧道結(jié)構(gòu)防水、承載能力產(chǎn)生不利影響。需要指出的是，隧底及拱腳處附加拉伸應(yīng)變較大，在新建隧道施工期間應(yīng)重點(diǎn)監(jiān)控，倘若襯砌出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象，應(yīng)及時(shí)修補(bǔ)并對(duì)下穿隧道施工方案進(jìn)行調(diào)整，從而保證既有隧道結(jié)構(gòu)安全。

3 三維數(shù)值模擬

為深入了解隧道下穿對(duì)既有隧道的影響機(jī)制，采用數(shù)值模擬的手段對(duì)附加圍巖應(yīng)力在夾層中分布規(guī)律及影響因素進(jìn)行分析。首先，基于模型試驗(yàn)參數(shù)建立三維數(shù)值分析模型，將數(shù)值計(jì)算結(jié)果與模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證；在此基礎(chǔ)上對(duì)附加應(yīng)力在地層中的分布規(guī)律進(jìn)行分析；隨后設(shè)計(jì)不同工況討論圍巖級(jí)別、下穿隧道跨度和位移釋放率對(duì)夾層巖柱圍巖應(yīng)力的影響。數(shù)值模擬方案如表3所示，其中工況1為模型試驗(yàn)對(duì)照工況。

表3 數(shù)值模擬方案

3.1 數(shù)值模擬參數(shù)

圍巖選用服從Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則的理想彈塑性模型，襯砌結(jié)構(gòu)選用線彈性模型。對(duì)于試驗(yàn)對(duì)照工況，依照相似關(guān)系將模型試驗(yàn)中隧道凈距、圍巖參數(shù)、交疊角度、隧道斷面尺寸等參數(shù)轉(zhuǎn)換為原型參數(shù)后作為數(shù)值模擬參數(shù)。其余工況在試驗(yàn)對(duì)照工況的基礎(chǔ)上將交疊角度統(tǒng)一設(shè)定為90°，同時(shí)不考慮圍巖分層特性。依照《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB1003—2005)中各級(jí)圍巖物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)，選取數(shù)值模擬工況中不同等級(jí)圍巖計(jì)算參數(shù)(表4)。計(jì)算過(guò)程中對(duì)模型四周及底部邊界法向位移進(jìn)行約束，上表面采用自由邊界。

基于體積損失法對(duì)隧道開(kāi)挖進(jìn)行模擬，隧道開(kāi)挖后圍巖會(huì)向硐室凈空收斂，使得開(kāi)挖空間體積產(chǎn)生損失，體積損失率v定義如下[24]：

式中：為單位長(zhǎng)度圍巖的損失體積；max為無(wú)支護(hù)條件下單位長(zhǎng)度圍巖的損失體積。模型試驗(yàn)中沒(méi)有考慮支護(hù)條件，因此，在數(shù)值對(duì)照工況中體積損失率為100%。

表4 圍巖物理力學(xué)參數(shù)

3.2 數(shù)值模擬與模型試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

圖6對(duì)比了數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)中夾層巖柱附加圍巖應(yīng)力。數(shù)值模擬結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果一致性較好，不僅對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，也表明采用數(shù)值模擬手段對(duì)開(kāi)展夾層巖柱附加應(yīng)力分布是可行的。但是需要注意的是，數(shù)值模擬和試驗(yàn)中附加應(yīng)力分布規(guī)律還是存在著一定的差異。受到隧道開(kāi)挖的影響，交叉點(diǎn)處沿深度方向附加應(yīng)力均明顯下降，并且隨著與新建隧道距離的增加附加應(yīng)力有所降低，但在同一深度處，由于數(shù)值模擬中巖土體為連續(xù)介質(zhì)，難以反映夾層巖柱受到隧道開(kāi)挖產(chǎn)生的開(kāi)裂現(xiàn)象，導(dǎo)致交叉點(diǎn)處附加應(yīng)力衰減幅度小于試驗(yàn)結(jié)果。對(duì)于既有隧道底部附加應(yīng)力，二者均能反映出交叉點(diǎn)附近附加應(yīng)力減小，遠(yuǎn)離交叉點(diǎn)處圍巖附加應(yīng)力增加這一規(guī)律，在數(shù)值模擬所得曲線中可明顯看出在約±20 m存在拐點(diǎn)，而模型試驗(yàn)中該現(xiàn)象不明顯。這可能是由試驗(yàn)與數(shù)值模擬邊界條件的差異導(dǎo)致，模型試驗(yàn)中箱體和模型間的聚乙烯薄膜無(wú)法完全消除二者間的摩擦效應(yīng)，模型箱周邊巖土體和襯砌結(jié)構(gòu)的位移受到限制，導(dǎo)致了二者在邊界附近結(jié)果的偏差。

(a) A1~A4；(b) B1~B7

3.3 附加圍巖應(yīng)力分布

以模型試驗(yàn)對(duì)照工況為例，選取A1~A4所在地層附加圍巖應(yīng)力云圖進(jìn)行展示，如圖7所示。圖中圍巖應(yīng)力增加為正，減小為負(fù)。

由圖7可知，新建隧道開(kāi)挖會(huì)導(dǎo)致夾層圍巖應(yīng)力狀態(tài)重新分布，表現(xiàn)為隧道正上方圍巖豎向應(yīng)力降低，與新建隧道水平距離超過(guò)一定范圍后豎向應(yīng)力增加；豎向應(yīng)力下降區(qū)域隨著與新建隧道距離的增加不斷擴(kuò)大范圍，同時(shí)衰減幅度也逐漸減小，豎向應(yīng)力下降區(qū)域在地層中呈現(xiàn)為“漏斗”狀分布。新建隧道拱頂上方豎向應(yīng)力衰減幅度明顯高于周邊豎向應(yīng)力增加幅度，其中既有隧道下方附加應(yīng)力低于其余部位，這主要是由于既有隧道結(jié)構(gòu)承擔(dān)了上部圍巖傳遞的荷載，起到了一定的遮攔效應(yīng)[14]，并且距離既有隧道越遠(yuǎn)，遮攔效應(yīng)越弱。

單位：kPa

3.4 附加圍巖應(yīng)力影響因素分析

新建隧道下穿引起圍巖夾層產(chǎn)生的附加應(yīng)力是既有隧道彎曲變形的重要因素。圖8為不同圍巖級(jí)別、下穿隧道跨度和體積損失率時(shí)交叉點(diǎn)處附加圍巖應(yīng)力沿深度變化曲線。

由圖8(a)可知，當(dāng)圍巖級(jí)別從V級(jí)變?yōu)镮V級(jí)和III級(jí)時(shí)，既有隧道底部豎向附加應(yīng)力減少了77.8%和94.4%，說(shuō)明隨圍巖條件的改善，隧道開(kāi)挖對(duì)既有隧道的影響也逐漸減弱。隨著深度的增加，圍巖條件越好，附加圍巖應(yīng)力越大，這是由于圍巖條件較好時(shí)，巖體重度相對(duì)較大，在埋深相同的部位初始豎向圍巖應(yīng)力也就越大，新建隧道開(kāi)挖時(shí)周邊應(yīng)力釋放程度要大于高等級(jí)圍巖。與此同時(shí)，由于巖性較好，隧道壓力拱邊界距離新建隧道也就越近，夾層巖柱中受影響范圍也有所減小，既有隧道底部附加圍巖應(yīng)力也相對(duì)較小。

由圖8(b)可知，當(dāng)隧道跨度減小時(shí)，新建隧道開(kāi)挖引起周邊應(yīng)力釋放程度會(huì)有所降低，對(duì)既有隧道的影響也會(huì)減小。其中，當(dāng)跨度由14 m減小到 7 m時(shí)，深度14 m處圍巖應(yīng)力減少34.7%，深度0 m處圍巖應(yīng)力減少27.0%。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，附加圍巖隨新建隧道跨度的變化并非呈現(xiàn)線性關(guān)系，跨度由14 m減小到10.5 m時(shí)地層附加圍巖應(yīng)力減小幅度明顯低于跨度由10.5 m減小到7 m的情況。

由圖8(c)可知，圍巖夾層中附加圍巖應(yīng)力隨著體積損失率的減小而逐漸降低。隧道開(kāi)挖是一個(gè)體積釋放及應(yīng)力釋放的過(guò)程，隧道開(kāi)挖引起周邊地層位移，最終在圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的作用下趨于穩(wěn)定。同時(shí)，隧道開(kāi)挖也引起地層中初始應(yīng)力的釋放，所釋放的應(yīng)力則由圍巖以及支護(hù)結(jié)構(gòu)承擔(dān)，二者基本成線性關(guān)系[25]?？刂菩陆ㄋ淼荔w積損失率能夠減小隧道開(kāi)挖引起的應(yīng)力釋放現(xiàn)象，對(duì)既有隧道的擾動(dòng)也會(huì)有所降低。因此，對(duì)于新建隧道下穿既有隧道工程，尤其是大斷面、小凈距下穿的情況，下部隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)及時(shí)施做，并盡早閉合，限制夾層巖柱的松動(dòng)變形，避免圍巖應(yīng)力大量釋放，造成既有隧道產(chǎn)生超量附加應(yīng)變。

(a) 圍巖級(jí)別；(b) 下穿隧道跨度；(c) 體積損失率

4 結(jié)論

1) 受到下穿隧道開(kāi)挖的影響，交叉點(diǎn)處夾層巖柱中圍巖應(yīng)力急劇下降，距離新建隧道越近圍巖應(yīng)力減小幅度越大。對(duì)于既有隧道底部與圍巖接觸應(yīng)力，交叉點(diǎn)附近圍巖應(yīng)力下降，遠(yuǎn)離交叉點(diǎn)的部分圍巖應(yīng)力有所上升。

2) 既有隧道軸向附加應(yīng)變?yōu)椤吧县?fù)下正”，隧道沿軸向呈現(xiàn)“下凹”狀態(tài)。既有隧道隧底附加拉應(yīng)變最大，施工期間應(yīng)對(duì)隧道基底受力狀態(tài)重點(diǎn)監(jiān)控。

3) 數(shù)值計(jì)算基本能夠反映隧道開(kāi)挖期間夾層巖柱圍巖應(yīng)力變化。新建隧道上方圍巖應(yīng)力下降區(qū)域在地層中呈“漏斗”狀分布，距離新建隧道垂直距離越遠(yuǎn)圍巖應(yīng)力下降區(qū)域越大并且衰減幅度越??；其中，由于既有隧道的遮攔效應(yīng)，交叉點(diǎn)處附加圍巖應(yīng)力明顯低于其他部位。

4) 隨圍巖條件的改善，隧道開(kāi)挖對(duì)既有隧道的影響逐漸減弱；新建隧道跨度和體積損失率減小均會(huì)使得夾層中附加圍巖應(yīng)力減小。對(duì)于新建隧道下穿既有隧道工程，宜及時(shí)采取支護(hù)措施以控制新建隧道結(jié)構(gòu)變形，避免圍巖應(yīng)力大量釋放，以減少對(duì)既有隧道的影響。

本文試驗(yàn)及數(shù)值模擬設(shè)定的條件為淺埋交叉隧道，當(dāng)隧道埋深增加時(shí)圍巖應(yīng)力狀態(tài)會(huì)發(fā)生顯著變化，結(jié)論在深埋交叉隧道中的適用性需要進(jìn)一步驗(yàn)證。

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Influence of under-crossing on the rock stress of pillar between crossing tunnels

DONG Jie1, 2, ZHONG Shuai1, 2

(1. Hebei University of Architecture, Zhangjiakou 075000, China; 2. Hebei Key Laboratory for Diagnosis, Reconstruction and Anti-disaster of Civil Engineering, Zhangjiakou 075000, China)

A similar model experiment under gravity conditions was carried out to research the variation law of rock stress and its influencing factors in the interlayer rock pillar. The additional stress of interlayer rock pillar and the induced strain of the existing tunnel lining during the excavation of new tunnel were collected, and correspondingly numerical calculation was carried out. The results show that the rock stress of the interlayer rock pillar at the intersection decreases drastically after the completion of the new tunnel excavation. The existing tunnel is bent downward along its axis under the influence of the lower tunnel excavation. Due to the successive release of rock stress on both sides of the strain monitoring section, the additional hoop strain gradually changes from asymmetric distribution to symmetric distribution. And the decreased surrounding rock stress in the interlayer rock pillar has a funnel-shaped distribution. The shielding effect of the existing tunnel makes the surrounding rock stress at the intersection less than other parts. When the rock condition is good, the induced rock stress at the bottom of the tunnel is small. With the decrease of the span and volume loss rate of the new tunnel, the additional surrounding rock stress in the stratum decreases gradually.

crossing tunnel; rock stress; model experiment; numerical calculation

U25

A

1672 ? 7029(2020)04 ? 0947 ? 10

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20190588

2019?06?30

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51878242)；河北省高等學(xué)?？茖W(xué)技術(shù)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(ZD2018244)；河北省人才工程培養(yǎng)資助項(xiàng)目(A201901067)

董捷(1980?)，男，河北張家口人，教授，博士，從事交通工程防災(zāi)減災(zāi)研究；E?mail：493564550@qq.com

(編輯 陽(yáng)麗霞)