隧道掘進掌子面與前方碎屑流區(qū)域安全距離的計算

于琳茗，郭永春，張志強

（1.西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，四川成都610031；2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都610031）

隧道掘進掌子面與前方碎屑流區(qū)域安全距離的計算

于琳茗1，郭永春1，張志強2

（1.西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，四川成都610031；2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都610031）

隧道掘進過程中，掌子面和碎屑流地層之間的距離小于安全距離時，在高水壓和高地應(yīng)力的共同作用下，掌子面會由于經(jīng)受不住其后方的水土壓力而發(fā)生碎屑流?；谀?庫倫準則和極限平衡法，推導(dǎo)出隧道碎屑流安全距離的計算公式，并分析了各參數(shù)的影響。分析結(jié)果表明，安全距離隨碎屑流地層水頭高度、隧道洞徑的增大而增大，隨巖盤處和碎屑流地層處的內(nèi)摩擦角和黏聚力的增大而減小。通過引硫濟金引水隧洞和祁連山鐵路隧道典型實例對公式進行了驗證與分析。

安全距離；碎屑流；隧道

隧道碎屑流又稱“洞中泥石流”，是指隧道掘進過程中，遇到斷層破碎帶、飽和松軟圍巖、充填巖溶洞穴、侵入巖接觸破碎帶時引發(fā)的泥水混合物突然大規(guī)模涌出，是一種具極強破壞力的隧道地質(zhì)災(zāi)害［1-3］。

碎屑流具有突發(fā)性、破壞性、異常猛烈等特點，一旦發(fā)生，即會造成設(shè)備毀壞，支護沖垮、隧道堵塞等重大事故。楊新安等［4］通過分析國內(nèi)發(fā)生的多次隧道泥石流事故資料認為，隧道泥石流的發(fā)生過程一般可分為孕育、潛伏和發(fā)生3個階段，分析了其發(fā)生條件和一般特征，據(jù)此提出預(yù)防隧道泥石流的關(guān)鍵是使其不能同時具備3個形成條件，給出了若干技術(shù)措施。鐘偉泉［5］通過對魚跳水電站引水隧道施工中洞中泥石流發(fā)生及治理，討論了地下工程中泥石流的產(chǎn)生條件、特性，提出預(yù)防措施及具體治理方法。柴海樓［6］就碎屑流地質(zhì)災(zāi)害在引硫濟金工程冷龍嶺隧洞施工中的處理情況進行闡述，提出一種可行的深孔預(yù)注漿固結(jié)+大管棚超前支護綜合施工處理技術(shù)。劉超群等［7］在隧道掌子面與前方溶洞安全距離分析中采用了理論的方法計算安全距離，但在巖盤阻力計算時用垂直土壓力來代替巖盤上剪切面上的有效法向應(yīng)力，導(dǎo)致安全距離計算結(jié)果偏小。

蘭新鐵路祁連山隧道穿越F6和F7斷層破碎帶遇到大量碎裂散體物質(zhì)突涌而出，出現(xiàn)碎屑流現(xiàn)象。論文以此為背景，探討隧道碎屑流安全距離計算公式并分析各參數(shù)對安全距離的影響，為碎屑流地層的隧道設(shè)計與施工提供理論依據(jù)。

1　隧道碎屑流的工程地質(zhì)模型

隧道碎屑流形成的條件有碎屑物質(zhì)、水力條件、臨空面3個方面［8］。其中碎屑物質(zhì)是指由粒徑不大的塊碎石、斷層泥、黏土以及風(fēng)化物組成的混合物，在水的持續(xù)作用下有極強的流動性［9］。水力條件是指碎屑地層要有充足的水源和較高的地下水位，為碎屑流的啟動提供動力［10-11］。臨空面主要是指隧道開挖形成的掌子面，是碎屑流物質(zhì)的流通通道。只有同時具備上述3個條件時，碎屑流才會發(fā)生［12］。

蘭新鐵路祁連山隧道，具備典型的碎屑流形成條件。根據(jù)工程地質(zhì)勘查資料，斷層破碎帶即碎屑流地層區(qū)域，其碎屑物質(zhì)是發(fā)生隧道碎屑流的主要物質(zhì)，也是主要含水層。將斷層破碎帶簡化成直立的碎屑流地層，在隧道進口側(cè)，巖體是板巖，為不透水地層，在隧道出口側(cè)，巖體是砂巖，為透水層。因此，F(xiàn)7斷層破碎帶的地質(zhì)模型可概化成圖1所示的碎屑流地層模型。

圖1　隧道碎屑流工程地質(zhì)模型

2　隧道碎屑流力學(xué)分析模型

隧道掘進過程中，掌子面和臨界掌子面之間的距離小于某個距離時，在高水壓和高地應(yīng)力的共同作用下，掌子面會由于經(jīng)受不住其后方的水土壓力而發(fā)生碎屑流，而這個距離就是安全距離。根據(jù)圖1所示的縱斷面圖可將安全距離計算模型簡化為圖2。碎屑流發(fā)生的力學(xué)平衡條件是作用在臨界掌子面上的側(cè)向壓力FH不大于巖盤阻力FS，即：

根據(jù)力學(xué)平衡條件便可求出隧道碎屑流安全距離。

圖2　安全距離計算模型

2.1作用在臨界掌子面上的巖盤阻力FS

在深埋情況下，考慮到對稱性，可將力學(xué)分析模型簡化為圖3。

圖3　巖盤阻力力學(xué)分析模型

根據(jù)摩爾-庫侖強度理論計算如下：dθ段對應(yīng)的圓弧長度為0.5D·dθ（D為洞徑），作用在圓弧段的合應(yīng)力

式中，σ'1，σ'3分別為巖盤處豎向土壓力和側(cè)向土壓力。

巖盤處豎向土壓力σ'1可根據(jù)太沙基理論進行計算

式中，B'=D［1+tan（π/4-φ'/2）］/2，γ'為巖盤處巖體重度，H為隧道埋深，K0取1.0～1.5。

側(cè)向土壓力為

式中，λ'為巖盤處側(cè)壓力系數(shù)。

該圓弧段的剪應(yīng)力為

式中：φ'，c'分別為巖盤處巖體內(nèi)摩擦角和黏聚力。

該圓弧段的巖盤阻力為

式中，L為巖盤長度，即安全距離。

對式（6）積分可得巖盤阻力

2.2作用在臨界掌子面上的側(cè)向壓力FH

采用摩爾-庫侖法計算，見圖4。

圖4　摩爾-庫侖準則示意

由圖4幾何關(guān)系可得BC=ACsinφ

帶入?yún)?shù)化簡后可得

式中：σ1為碎屑流地層豎向土壓力；φ，c分別為碎屑流地層處巖體內(nèi)摩擦角和黏聚力。

碎屑流地層豎向土壓力σ1可根據(jù)太沙基理論進行計算

式中：B'=D［1+tan（π/4-φ/2）］/2，γ為碎屑流地層巖體重度，γw為水的重度，h為水頭高度。

則作用在臨界掌子面上的側(cè)向壓力FH為

2.3隧道碎屑流安全距離計算公式

由上節(jié)推導(dǎo)可得隧道碎屑流巖盤安全距離的計算公式為

另外，根據(jù)極限平衡法也推導(dǎo)出隧道碎屑流巖盤安全距離計算公式

2.4安全距離影響因素分析

1）隧道埋深、碎屑流地層水頭高度、隧道洞徑對安全距離的影響

由圖5可見，兩種方法的計算結(jié)果關(guān)系曲線趨勢一致，摩爾-庫侖法計算結(jié)果偏大，可以認為偏于安全。在埋深較小時，安全距離隨隧道埋深的增大而增大，當(dāng)埋深達到一定值時，由于土體的成拱效應(yīng)，埋深的增加并不會導(dǎo)致安全距離的增大。安全距離隨碎屑流地層水頭高度、隧道洞徑的增大而增大。這與實際工程中采用排水和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、三臺階七步開挖法等減小開挖斷面的工法相一致。

圖5　安全距離與隧道埋深、碎屑流地層水頭高度、隧道洞徑的關(guān)系

2）巖體物理力學(xué)性質(zhì)對安全距離的影響

由圖6可見，兩種方法的計算結(jié)果關(guān)系曲線趨勢基本一致，摩爾-庫侖法比極限平衡法的計算結(jié)果偏大。碎屑物質(zhì)和巖盤巖體的內(nèi)摩擦角和黏聚力對安全距離的影響趨勢一致。安全距離隨兩處的內(nèi)摩擦角和黏聚力的增大而減小。而在實際工程中采用注漿、大管棚等加固巖土體的工程措施與這一特點具有一致性。

圖6　安全距離與巖體物理力學(xué)參數(shù)的關(guān)系

3　實例驗證與分析

引硫濟金引水隧洞和祁連山隧道相距約2km，都是穿越祁連山的洞室工程，地質(zhì)條件基本相同，引用上述2條隧道對隧道碎屑流安全距離計算公式進行驗證與分析，巖體物理力學(xué)參數(shù)、隧道幾何尺寸分別見表1和表2。計算結(jié)果：引硫濟金隧洞安全距離僅2.01m；祁連山隧道安全距離為14.4m。

表1　巖體物理力學(xué)參數(shù)

表2　隧道幾何尺寸m

根據(jù)文獻資料介紹，引硫濟金工程引水隧洞由于在開挖過程中沒有采取必要的預(yù)防措施，掌子面開挖到碎屑流地層時，導(dǎo)致引水隧洞發(fā)生碎屑流。祁連山鐵路隧道借鑒了引水隧洞工程的經(jīng)驗，在洞室開挖過程中，取安全距離為12m，采取相應(yīng)的措施，安全通過了碎屑流地段。

4　結(jié)論與建議

通過摩爾-庫侖法和極限平衡法對隧道碎屑流安全距離進行研究，得到隧道碎屑流安全距離計算方法，探討了安全距離的影響因素，其主要結(jié)論如下：

1）在隧道開挖的過程中，根據(jù)隧道碎屑流安全距離公式，可以預(yù)估隧道開挖的安全距離；在接近安全距離時，及時采取必要的措施安全通過碎屑流地層。

2）通過安全距離影響性分析，得出隧道埋深、地下水水位、碎屑流地層和巖盤處巖體強度、隧道洞徑與安全距離的關(guān)系曲線。從關(guān)系曲線中可以得出降低地下水水位、加固碎屑流地層和巖盤處巖體強度、減小隧道洞徑可以有效降低安全距離，這與工程中采用的排水、注漿、管棚、三臺階七步開挖法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法等減小開挖斷面的工法具有較好的一致性。

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AbstractIn the process of the excavation of tunnel，when the distance between working face and debris flow strata is less than the safe distance，the tunnel debris flow will happen，because the working face cannot withstand high water pressure and high ground stress.Based on M ohr-Coulomb criterion and limit equilibrium method，the formula for the safe distance of tunnel debris flow was deduced，and influence on various parameters were analyzed.T he results show that safe distance increases with the increase of the water head and diameter of tunnel in debris flow strata，and decreases with the increase of angle of internal friction and cohesion in both laccolith area and debris flow strata.Yinliujijin diversion tunnel and Qilianshan railway tunnel are used as typical examples to verify the formula.

Calculation About Safe Distance for Tunnel Driving Between Working Face and Debris Flow Area Ahead

YU Linming1，GUO Yongchun1，ZHANG Zhiqiang2
（1.Faculty of Geosciences and Environmental Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031，China；2.School of Civil Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031，China）

Safe distance；Debris flow；T unnel

U452.2+7

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.04.13

1003-1995（2016）04-0047-04

（責(zé)任審編趙其文）

2015-09-25；

2015-12-15

國家自然科學(xué)基金（51278427）

于琳茗（1989—），男，碩士研究生。