特大跨度小凈距隧道中間巖柱可靠度分析及其加固處理措施

胡金海，宋英龍，鄒偉彪

(1.福州機場二期高速公路有限公司，福建福州 350002;2.同濟大學(xué)地下建筑與工程系，上海 200092)

特大跨度小凈距隧道中間巖柱可靠度分析及其加固處理措施

胡金海1，宋英龍2，鄒偉彪2

(1.福州機場二期高速公路有限公司，福建福州 350002;2.同濟大學(xué)地下建筑與工程系，上海 200092)

魁岐2號隧道位于福州國際機場高速公路二期工程A3標段，隧道跨度達到19.9 m，中間巖柱最小凈距為11.7 m，為國內(nèi)首座雙向八車道小凈距隧道工程。針對魁岐2號隧道工程的特殊性，利用離散單元法對節(jié)理巖體中特大斷面小凈距隧道的受力情況進行了分析，根據(jù)可靠度理論，通過對魁岐2號特大斷面小凈距隧道中間巖柱的可靠性分析發(fā)現(xiàn)，對于特大斷面小凈距隧道，中間巖柱最薄弱的部位主要集中在巖柱上部，因此，對于特大斷面小凈距隧道施工過程中宜重點對巖柱上部進行加固處理。同時，根據(jù)不同圍巖級別中中間巖柱的可靠度值顯示，魁岐2號特大斷面小凈距隧道的凈距取值基本上是合理的，整體上能滿足穩(wěn)定性的要求。

大跨度隧道;小凈距;中間巖柱;節(jié)理;可靠度;離散元;UDEC;加固措施;魁岐2號隧道

0 前言

結(jié)構(gòu)可靠性是用可靠度來度量的。結(jié)構(gòu)可靠度定義為在規(guī)定的時間內(nèi)和規(guī)定的條件下結(jié)構(gòu)完成預(yù)定功能的概率，表示為Ps，相反，如果結(jié)構(gòu)不能完成預(yù)定的功能，則稱相應(yīng)的概率為結(jié)構(gòu)失效的概率，表示為Pf。結(jié)構(gòu)的可靠與失效為兩個互不相容事件，因此，結(jié)構(gòu)的可靠概率Ps與失效概率Pf是互補的，即:Ps+Pf=1，用概率來描述工程結(jié)構(gòu)的可靠性既科學(xué)合理，又能得出定量指標。

自A.M.Freudenthal［1］將可靠度分析方法正式引入工程結(jié)構(gòu)領(lǐng)域以來，結(jié)構(gòu)可靠度分析的理論及方法得到了很大的發(fā)展，已出現(xiàn)多種計算可靠度的方法［2］:全概率法、矩法、數(shù)值模擬方法、隨機有限元法、響應(yīng)面法、結(jié)構(gòu)體系可靠度計算方法等。

對于大斷面小凈距隧道，支護參數(shù)設(shè)計的一個非常重要方面，就是對中間巖柱進行加固支護設(shè)計。其目的主要是為了最大限度的保證中間巖柱的完整性，以提高開挖過程中圍巖的自承自穩(wěn)能力。故一定程度上，小凈距隧道設(shè)計、施工成功與否的關(guān)鍵就在于對中間巖柱加固處理的方法和效果。因而，對施工過程中巖柱的力學(xué)性態(tài)、加固支護方案，對中間巖柱結(jié)構(gòu)可靠度的研究，自然成了研究人員關(guān)注分析的重點對象。

隧道中間巖柱結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可靠度當前仍然是結(jié)構(gòu)可靠度分析中的難題。目前國內(nèi)外所研究的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可靠度分析方法都是將真實結(jié)構(gòu)的原型受力情況作了相當程度的簡化，對真實結(jié)構(gòu)原型受力情況進行可靠性分析非常困難，目前還無法實現(xiàn)，另外，在已提出的系統(tǒng)可靠度分析方法的實用性方面，還有失效模式的建立(破壞準則)、尋找主要失效模式及相關(guān)性等方面還存在許多問題。因而，隧道系統(tǒng)可靠度分析比之地面結(jié)構(gòu)更為困難，需要進一步研究以便解決這些存在的問題。

目前，常用的非連續(xù)巖體數(shù)值分析方法有兩種:離散單元法DEM(Distinct Element Method)和非連續(xù)變形分析方法DDA(Discontinuous Deformation A-nalysis)。非連續(xù)變形分析方法DDA是基于巖體介質(zhì)非連續(xù)性發(fā)展起來的，以模擬復(fù)雜加載條件下離散塊體系統(tǒng)的不連續(xù)大變形的力學(xué)行為為目的的平行于有限元法的一種數(shù)值方法。離散單元法DEM將所研究的區(qū)域劃分成一個個分立的多邊形塊體單元，單元之間可以看成角－角接觸、角－邊接觸或邊－邊接觸，而且隨著單元的平移和轉(zhuǎn)動，允許調(diào)整各單元之間的接觸關(guān)系，最終，塊體單元達到平衡狀態(tài)，也可能一直運動下去。王貴君等［3］應(yīng)用離散單元法對節(jié)理裂隙巖體中不同埋深無支護暗挖隧洞的穩(wěn)定性及其變形機理進行了數(shù)值分析;廖巍等［4］用離散單元法模擬分析了圍巖節(jié)理不同方位組合對巷道穩(wěn)定性的影響及破壞形式;王貴君［5］采用離散單元法，對節(jié)理裂隙巖體中大斷面隧洞圍巖及支護結(jié)構(gòu)的共同作用及施工過程力學(xué)狀態(tài)，進行數(shù)值分析;榮冠［6］在分析彭水地下廠房地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，采用3DEC程序建立了三維離散元數(shù)值計算模型，對地下廠房開挖支護全過程進行了計算，詳細分析了圍巖變形情況、應(yīng)力狀態(tài)、塑性區(qū)分布及穩(wěn)定性影響因素。

本文依托福州長樂國際機場高速公路二期工程魁岐2號雙向八車道特大跨度小凈距隧道工程，結(jié)合其復(fù)雜的節(jié)理巖體及其非連續(xù)性的特點，利用離散元軟件對節(jié)理巖體中不同圍巖級別中隧道施工后的應(yīng)力狀態(tài)計算結(jié)果以及巖體強度參數(shù)定義其破壞度，進而求得其可靠度指標。由于中間巖柱在施工過程中的力學(xué)行為特征，對圍巖穩(wěn)定性和支護結(jié)構(gòu)參數(shù)選取起著決定性作用，保證小凈距隧道中間巖柱的穩(wěn)定是小凈距隧道設(shè)計、施工的關(guān)鍵，故根據(jù)可靠度分析結(jié)果提出巖柱加固處理的建議。

1 工程概況

魁岐2號隧道位于福州國際機場高速公路二期工程A3標段，隧道長度為746 m，該隧道最大開挖跨度約19.9 m、拱高10.94 m、含仰拱總高度12.84 m，單洞標準斷面內(nèi)輪廓面積(路面以上)128.97 m2，含仰拱面積為159.49 m2。開挖毛洞中間巖柱凈距11.7～15.3 m，即(0.59～0.77)B(B為隧道最大開挖跨度)［7］，圖1為隧道設(shè)計斷面尺寸示意圖。按照《公路隧道設(shè)計規(guī)范》(JTG D70－2004)［8］中分離式獨立雙洞的最小凈距規(guī)定以及國際隧道協(xié)會斷面劃分標準［9］，該隧道屬于特大斷面小凈距隧道，同時類似于本隧道斷面之大、結(jié)構(gòu)之復(fù)雜，在國內(nèi)外隧道工程中也是極為罕見。

圖1 隧道設(shè)計斷面尺寸

隧道場址區(qū)屬低山丘陵地貌，地形起伏大，基巖大多直接裸露。洞身圍巖以微風(fēng)化花崗巖為主，圍巖級別為Ⅲ～Ⅱ級;進出洞口的圍巖以強、弱風(fēng)化花崗巖為主，圍巖級別為Ⅳ～Ⅴ級。本文針對性的選取出口段Ⅴ級圍巖淺埋隧道部分代表性進行分析。

勘探資料［10］表明，隧道修建區(qū)域節(jié)理裂隙發(fā)育，通過對隧道Ⅴ級圍巖掌子面節(jié)理進行調(diào)查、統(tǒng)計和擬合分析發(fā)現(xiàn)圍巖中共存在如下3組優(yōu)勢節(jié)理［11］:(1)節(jié)理組1:節(jié)理傾角約為61°，平均間距為0.74 m;(2)節(jié)理組2:節(jié)理傾角約為53°，平均間距為0.85 m;(3)節(jié)理組3:節(jié)理傾角約為73°，平均間距為1.26 m。

2離散元計算模型

離散單元法是專門用來解決不連續(xù)介質(zhì)問題的數(shù)值模擬方法，該方法把節(jié)理巖體視為由離散的巖塊和巖塊間的節(jié)理面所組成，允許巖塊平移、轉(zhuǎn)動和變形，而節(jié)理面可被壓縮、分離或滑動。因此，離散元法比較適合用來研究節(jié)理巖體中相關(guān)工程問題。

根據(jù)魁岐2號特大斷面小凈距隧道的賦存條件，采用離散元數(shù)值分析軟件UDEC4.0［12］對其破壞過程進行數(shù)值計算分析。計算模型中隧道埋深約為50 m，圍巖級別為Ⅴ級。依據(jù)隧道開挖尺寸的影響范圍，模型的左右邊界約為隧道開挖跨度的5倍，上邊界至地表自由面，并假設(shè)地表為水平狀態(tài)，下邊界至開挖洞底距離約為5倍洞高，兩側(cè)邊界條件采用水平方向單向位移約束，底部邊界條件采用水平方向和垂直方向雙向位移約束。并根據(jù)工程地質(zhì)概況建立如圖2所示的數(shù)值計算模型。

圖2 平面計算模型

模型中巖塊假定為理想彈塑性介質(zhì)，符合Mohr－Coulomb彈塑性模型，由于巖體的抗拉強度遠低于其抗壓強度，因此在離散元UDEC中Mohr－Coulomb彈塑性模型集合了Mohr－Coulomb強度準則和拉破壞屈服準則，即當巖體所承受的拉應(yīng)力超過其抗拉強度時，巖體材料即發(fā)生拉破壞。模型中節(jié)理采用Coulomb平面接觸滑動模型，巖石和節(jié)理的變形強度參數(shù)根據(jù)魁岐2號隧道地質(zhì)資料選?。?0］，如表1所示。

表1 巖石及節(jié)理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)

3 可靠度指標的計算

隧道作為地下結(jié)構(gòu)，其真實的受力情況非常復(fù)雜，影響受力的各種隨機變量的統(tǒng)計特征沒有收集全，對各種失效模式的認識還較初步，因而隧道系統(tǒng)可靠度分析比之地面結(jié)構(gòu)更為困難。因此，本文結(jié)合節(jié)理巖體特點及上述離散元模型的計算結(jié)果，可靠度計算過程如下。

(1)利用離散元對節(jié)理巖體中不同圍巖級別中隧道施工后的應(yīng)力狀態(tài)計算結(jié)果以及巖體強度參數(shù)定義其破壞度為:

其中:σf可根據(jù)式(2)和式(3)求得。

式中:σ1——計算所得到的最大主應(yīng)力;σ3——計算所得到的最小主應(yīng)力;c——巖體的粘聚力;φ——巖體的內(nèi)摩擦角。

(2)由于η是表示圍巖的接近破壞度的量值，所以稱其為破壞接近度。一般認為當η=1時，中間巖柱已破壞;當η＜1時，中間巖柱未破壞。而如果把中間巖柱凈距減小到破壞度完全貫通即η=1時作為評判中間巖柱是否破壞的標準，顯然是不合理的，因為，此時中間巖柱已處于破壞的臨界狀態(tài)，若僅僅依靠外界加固的作用，必定會大大增加工程造價。因此，認為小凈距隧道中間巖柱的破壞接近度應(yīng)避免η=0.7的區(qū)域貫通［9］。

(3)由于破壞接近度和可靠度之間的關(guān)系，即: Ps+Pf=1，從而可以得出中間巖柱的可靠度，根據(jù)小凈距隧道中間巖柱的破壞接近度應(yīng)避免η=0.7的區(qū)域貫通的原則可知中間巖柱可靠度標準為Ps≥0.3。

在對魁岐2號隧道中間巖柱可靠度分析時，仍然采用在中間巖柱中布置監(jiān)測點的方法對小凈距隧道中間巖柱的狀態(tài)進行監(jiān)測，同時為了比較全面掌握中間巖柱的賦存狀態(tài)，在對依托工程魁岐2號中間巖柱可靠度分析時，選取中間巖柱中心處及其距中心處左右各3 m處特征點為研究對象，具體特征點選擇如圖3所示。

圖3 中間巖柱可靠度分析特征點布置圖

4 計算結(jié)果及其分析

用離散元數(shù)值分析軟件UDEC4.0對其破壞過程進行數(shù)值計算，通過對小凈距隧道中間巖柱布置的監(jiān)測點的狀態(tài)進行監(jiān)測，得出依托工程魁岐2號特大斷面小凈距隧道不同圍巖級別條件下中間巖柱特征點的可靠度值如表2、圖4所示。

表2 中間巖柱特征點的可靠度值

圖4 不同圍巖級別中特征點可靠度

分析以上對依托工程魁岐2號特大斷面小凈距隧道不同圍巖級別中中間巖柱特征點的可靠度數(shù)值，可以得出如下規(guī)律:

(1)隨著隧道圍巖巖性的改善，中間巖柱的可靠度逐漸提高;對于同一級別圍巖，中間巖柱的上部可靠度最低，中間巖柱的底部可靠度次之，而中間巖柱的中部可靠度最高，這也說明了對于特大斷面小凈距隧道，中間巖柱最薄弱的部位主要集中在巖柱上部，因此，對于特大斷面小凈距隧道施工過程中宜重點對巖柱上部進行加固處理，這也是特大斷面小凈距隧道受力狀況的一個重要特征。

(2)中間巖柱中心處的可靠度最小值為0.503，滿足應(yīng)避免中間巖柱的可靠度0.3的貫通標準，說明依托工程魁岐2號特大斷面小凈距隧道的凈距取值的設(shè)計是合理的。

5 巖柱合理加固方案分析

根據(jù)已有的工程實踐和經(jīng)驗，針對中間巖柱所采用的加固措施主要有:超前注漿預(yù)加固、加長錨桿、對拉錨桿加固以及他們的組合等。

注漿預(yù)加固是廣泛采用的一種方法，既可以單獨應(yīng)用于較大凈距隧道(通常大于1B)中間巖柱的加固，也可與對拉錨桿、預(yù)應(yīng)力錨桿結(jié)合應(yīng)用于近距離的小凈距隧道的巖柱加固。對于質(zhì)量較差的圍巖，巖柱進行注漿加固可以起到較好的效果，這主要與注漿對提高圍巖參數(shù)效果明顯有關(guān)，注漿后圍巖抗拉、抗剪強度顯著提高，尤其對于裂隙發(fā)育的巖體，注漿后漿液充填裂隙及軟弱結(jié)構(gòu)面，可以避免或減小應(yīng)力波在巖體內(nèi)反射及折射引起巖體內(nèi)部拉伸破壞，起到了很好的加固作用。對于質(zhì)量較好的圍巖，由于可注漿性要差，提高圍巖力學(xué)性質(zhì)參數(shù)較為困難，因此采用注漿加固要慎重。

水平對拉錨桿通常用于隧道凈距在6 m以下的中間巖柱，且可適當施加預(yù)應(yīng)力，超過6 m時可用系統(tǒng)錨桿替代，且在巖柱部分可適當加長。水平預(yù)應(yīng)力對拉錨桿對裂隙可起到閉合的作用，并可有效阻止巖體內(nèi)部質(zhì)點的相對位移，避免造成拉伸破壞，提高其抗拉、抗剪強度。對于質(zhì)量較差的圍巖，由于其變形較大，若采用預(yù)應(yīng)力錨桿會產(chǎn)生較大的預(yù)應(yīng)力損失，與一般普通錨桿效果相差不大;相反，對于質(zhì)量較好的圍巖，由于其變形較小，采用預(yù)應(yīng)力加固效果較好。

因此，根據(jù)對特大斷面小凈距隧道巖柱可靠度分析結(jié)果，隨著隧道圍巖級別的差異，也僅從定性的角度按質(zhì)量較差的圍巖、質(zhì)量較好的圍巖分別對加固措施進行探討和說明。

對于Ⅳ～Ⅵ級等質(zhì)量較差的圍巖，巖柱加固以注漿方式為主，輔以錨桿支護綜合選取。在此種圍巖中，大斷面小凈距隧道其巖柱上部即雁形部應(yīng)力狀態(tài)相對最差，因此，對該部位進行相關(guān)加固處理是非常必要的，可以較好的改善和提高巖柱及隧道的整體穩(wěn)定性。

需要說明的是，巖柱底部拱腳部位應(yīng)力狀態(tài)也相對較差，如果把注漿范圍擴大至拱腳，顯然可以較好的改善其應(yīng)力狀態(tài)，但是一般來說它對洞室的整體穩(wěn)定性影響不大，而且仰拱開挖支護回填后，拱腳的變形、塑性區(qū)的發(fā)展均可以得到非常有效的抑制和控制，而從注漿加固的工程實踐和經(jīng)濟性方面考慮，一般也很少對拱腳部進行注漿加固。重點是對巖柱雁形部采用注漿加固和預(yù)應(yīng)力錨桿加固等方式，加固示意如圖5所示。

圖5 巖柱注漿加固區(qū)范圍及雁形部錨桿支護示意圖

6 結(jié)語

福州長樂國際機場高速公路二期工程魁岐2號隧道為特大斷面小凈距隧道，且隧道修建區(qū)域節(jié)理極其發(fā)育，本文通過離散元軟件對特大跨度小凈距隧道中間巖柱可靠度分析，得到如下結(jié)論。

(1)隨著隧道圍巖巖性的變好，中間巖柱的可靠度逐漸提高;對于同一級別圍巖，中間巖柱的上部可靠度最低，中間巖柱的底部可靠度次之，而中間巖柱的中部可靠度最高，說明了對于特大斷面小凈距隧道，中間巖柱最薄弱的部位主要集中在巖柱上部，這也是特大斷面小凈距隧道受力狀況的一個重要特征。

(2)中間巖柱中心處的可靠度最小值滿足中間巖柱的可靠度的標準，說明依托工程魁岐2號特大斷面小凈距隧道的凈距取值的設(shè)計是合理的。

(3)通過對可靠度計算結(jié)果分析，提出了中間巖柱加固的合理建議:重點是對中間巖柱雁形部采用注漿加固和預(yù)應(yīng)力錨桿加固等方式，而可靠度同樣相對較低的巖柱下部則沒有必要進行注漿加固。

［1］A.M.Freudenthal.Safety of Structures［J］.Trans.ASCE，1947，112.

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［5］王貴君.節(jié)理裂隙巖體中大斷面隧洞圍巖與支護結(jié)構(gòu)的施工過程力學(xué)狀態(tài)［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2005，24(8):1328－1334.

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Reliability Analysis on Middle Rock Pillar in Small Clear Space Tunnels with Super Span and the Reinforcement Measures

HU Jin-hai1，SONG Ying-long2，ZOU Wei-biao2(1.The Second Phase Project of Fuzhou International Airport

Highway Corporation，F(xiàn)uzhou Fujian 350002，China;2.Department of Geotechnical Engineering，Tongji University，Shanghai 200092，China)

Kuiqi No.2 tunnel is belonged to tender section A3 of the phase II project of Fuzhou International Airport Highway.It is the first small clear space tunnel project for 8 lanes in China with the span of 19.9 meters and with the middle rock pillar of minimum clear distance about 11.7 meters.According to the specialty of Kuiqi No.2 tunnel and based on discrete element method，some numerical simulation analysis is conducted to analyze the initial surrounding rock stress to the tunnel.The results show that the worst position of mechanical state in large-section tunnel is in the upper portion of middle rock pillar in weak surrounding rock，so special reinforcement measures should be used there.According to the reliability value of middle rock pillar in different rock mass，the net distance between Kuiqi No.2 small clear space tunnels with super span is reasonable to satisfy the stability requirement.

super span tunnel;small clear space;middle rock pillar;joint;reliability degree;DEM;UDEC;reinforcement measures;Kuiqi No.2 tunnel

U443.15

A

1672－7428(2012)03－0077－05

2011－08－22

胡金海(1966－)，男(漢族)，福建仙游人，福州機場二期高速公路有限公司董事長，公路與城市道路專業(yè)，從事工程建設(shè)管理工作，福建省福州市，fz.hjh@163.com。