偏壓隧道偏壓應(yīng)力比特征分析

于清楊，劉 偉，佴 磊，代樹(shù)林

吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130026

0 引言

隧道偏壓是指由于地形、地質(zhì)、施工等原因造成的兩側(cè)圍巖壓力呈現(xiàn)明顯的不均勻性，即一側(cè)壓力大、一側(cè)壓力小，使得圍巖左右兩側(cè)受力不均勻的現(xiàn)象，其會(huì)導(dǎo)致初期支護(hù)和二次襯砌受到偏壓荷載的作用，給施工和支護(hù)造成困難[1-4]。近年來(lái)，針對(duì)偏壓隧道的設(shè)計(jì)、施工、維護(hù)方法及圍巖穩(wěn)定性的研究成為熱點(diǎn)[5-9]。

目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于偏壓隧道的研究很多。程旭東等[10]利用ANSYS有限元程序計(jì)算和分析了在不同埋深、坡角、覆土厚度下，馬鞍形淺埋偏壓軟巖隧道開(kāi)挖中圍巖的應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律。王兵等[11]以模型實(shí)驗(yàn)及可靠度理論為基礎(chǔ)，對(duì)偏壓隧道開(kāi)挖產(chǎn)生松動(dòng)荷載的坍落范圍、地表裂縫、松動(dòng)土體的力學(xué)行為、荷載的統(tǒng)計(jì)特征及偏壓隧道襯砌結(jié)構(gòu)可靠度分析進(jìn)行了研究，分析了偏壓隧道的可靠指標(biāo)及失效概率。姜勇等[12]對(duì)巖石隧道，尤其是偏壓隧道的圍巖壓力確定方法及其結(jié)構(gòu)計(jì)算方法進(jìn)行了研究。彭琦[13]通過(guò)偏壓小凈距隧道圍巖壓力的理論與數(shù)值計(jì)算方法，對(duì)新奧法中圍巖與支護(hù)的共同作用力學(xué)原理、小凈距偏壓公路隧道圍巖壓力的計(jì)算方法、隧道圍巖的豎向應(yīng)力和水平側(cè)壓力的分布規(guī)律以及不同斜坡坡度、不同埋深和不同凈距條件下圍巖壓力的分布特征及變化規(guī)律等方面進(jìn)行了研究。張建[14]從理論分析、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和數(shù)值模擬等角度，對(duì)淺埋雙側(cè)偏壓小凈距隧道的圍巖壓力及施工力學(xué)效應(yīng)等進(jìn)行了較為深入的研究。鐘新樵[15]結(jié)合寶中線老頭溝隧道進(jìn)行了土質(zhì)偏壓隧道襯砌的模型試驗(yàn)，結(jié)果表明偏壓隧道的形成與圍巖性質(zhì)、地表的傾角、隧道覆土厚度、洞室形狀及尺寸及施工方法均有關(guān)。姜汶泉等[16]運(yùn)用數(shù)值模擬計(jì)算研究了地表傾斜引起的偏壓對(duì)隧道洞口淺埋偏壓地段受力、變形特性的影響。劉小軍等[17]針對(duì)地形偏壓隧道研究了圍巖類別、橫坡坡度、側(cè)覆土厚和最大埋深等因素對(duì)偏壓隧道的影響。王磊[18]分析了偏壓隧道的成因、判別方法及不同成因下圍巖壓力的計(jì)算方法，并研究了硬巖和軟弱圍巖分界面與地面夾角90°時(shí)圍巖壓力的計(jì)算方法，采用數(shù)值模擬方法，分析了不同地質(zhì)條件下的隧道二襯結(jié)構(gòu)。

上述對(duì)偏壓隧道的成因、穩(wěn)定性、應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律及施工影響規(guī)律進(jìn)行了研究，但沒(méi)有針對(duì)偏壓隧道偏壓應(yīng)力比，以及公路、鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范給出條件的偏壓應(yīng)力比進(jìn)行研究；此外，鐵路和公路設(shè)計(jì)規(guī)范中給出了偏壓隧道對(duì)應(yīng)的坡面傾角和隧道埋置深度，但并沒(méi)有相關(guān)理論來(lái)支撐規(guī)范[19]。本文對(duì)鶴大高速公路回頭溝隧道淺埋偏壓段展開(kāi)研究，通過(guò)數(shù)值方法定量分析規(guī)范對(duì)應(yīng)坡面傾角和埋深的偏壓應(yīng)力比，采用MIDAS軟件建立偏壓隧道數(shù)值模擬模型，分析了不同坡面傾角和埋置深度下偏壓隧道對(duì)稱兩側(cè)的豎向應(yīng)力比，提出用偏壓應(yīng)力比的判斷隧道偏壓的特征值，力圖找出偏壓隧道的力學(xué)規(guī)律，以期為偏壓隧道的設(shè)計(jì)、施工、支護(hù)提供參考。

1 工程實(shí)例

1.1 回頭溝隧道概況

回頭溝隧道位于吉林省白山市江源區(qū)與通化市柳河縣交界處，洞口位于回頭溝。隧道左幅起止樁號(hào)為L(zhǎng)K315+655—LK316+275，全長(zhǎng)620.00 m，右幅起止樁號(hào)RK315+680—RK316+340，全長(zhǎng)660.00 m；隧道斷面凈空高度、寬度分別為10.25 m和10.00 m。山區(qū)內(nèi)相對(duì)高差大于500.00 m，山體的整體坡度為25°～30°，隧道通過(guò)海拔高度為814.00～930.40 m的地段。隧道洞身穿過(guò)的巖性主要為角礫巖、強(qiáng)風(fēng)化片麻巖、中風(fēng)化花崗片麻巖、中風(fēng)化片麻巖。洞口段節(jié)理裂隙發(fā)育程度:Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎；Ⅲ級(jí)圍巖節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體較破碎。

1.2 回頭溝隧道現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)力監(jiān)測(cè)

選取鶴大高速公路回頭溝隧道進(jìn)出口淺埋段隧道進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)力監(jiān)測(cè)，地質(zhì)條件如圖1所示。現(xiàn)場(chǎng)分別在拱頂、左側(cè)拱肩、左側(cè)拱腳、右側(cè)拱肩、右側(cè)拱腳處安裝YT-ZX-0100系列應(yīng)變傳感器進(jìn)行測(cè)量，傳感器安裝位置及編號(hào)如圖2所示。

圖1 隧道工程地質(zhì)條件Fig.1 Engineering geological condition of tunnel

圖2 表面?zhèn)鞲衅鞑荚O(shè)位置圖Fig.2 Layout of a surface sensor

傳感器測(cè)量應(yīng)變結(jié)果通過(guò)多通道數(shù)據(jù)采集處理器采集，按照傳感器標(biāo)定值將測(cè)量應(yīng)變轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)力值，應(yīng)力值測(cè)量結(jié)果如表1所示。

表1 回頭溝隧道LK316+260斷面應(yīng)力值

2 數(shù)值模型

本次研究以典型的雙線鐵路隧道回頭溝隧道為例，進(jìn)行偏壓應(yīng)力比特征分析，該方法同樣適用于其他類型的隧道。參照鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范，結(jié)合鶴大高速公路回頭溝隧道工程淺埋偏壓段的設(shè)計(jì)參數(shù)，建立雙線隧道模型如圖3所示，隧道高度為10.00 m，跨度為12.30 m。整個(gè)模型的寬度為44.00 m，下邊界距離中心為28.00 m。地應(yīng)力場(chǎng)為自重應(yīng)力場(chǎng)，左右邊界為水平約束，下邊界為雙向約束，地表為自由面。

圖3 偏壓隧道模型圖Fig.3 Model diagram of unsymmetrical load tunnel

圍巖本構(gòu)模型選用彈塑性模型，根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范，Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)(石)、Ⅳ級(jí)(土)和Ⅴ級(jí)圍巖的物理力學(xué)參數(shù)[19]見(jiàn)表2。

表2 模型物理力學(xué)參數(shù)表

3 偏壓應(yīng)力比特征分析

3.1 偏壓應(yīng)力比定義及計(jì)算方法

《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[19]提出鐵路偏壓隧道的判定方法為：作用于隧道襯砌上的偏壓力，應(yīng)視地形、地質(zhì)條件以及外側(cè)圍巖的覆蓋厚度確定。一般情況下，Ⅲ—Ⅴ級(jí)圍巖，地面傾斜、隧道外側(cè)拱肩至地表的垂直距離h等于或小于表3所列數(shù)值時(shí)，應(yīng)按偏壓隧道設(shè)計(jì)[19]。本文按照《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》，選取表3所對(duì)應(yīng)數(shù)值，以回頭溝隧道為工程依托建立數(shù)值模型，對(duì)雙線鐵路隧道偏壓應(yīng)力比特征值進(jìn)行分析。

表3 不同地面坡度隧道外側(cè)拱肩山體最大覆蓋厚度及示意圖

注： “*”表示缺少統(tǒng)計(jì)資料，設(shè)計(jì)時(shí)可通過(guò)工程類比或經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)取值。

定義偏壓應(yīng)力比為：同樣埋深情況下隧道左右側(cè)洞壁上對(duì)應(yīng)點(diǎn)的豎向應(yīng)力比值。為了計(jì)算偏壓應(yīng)力比，如圖4所示，在隧道壁選取典型的1～8個(gè)點(diǎn)作為應(yīng)力分析點(diǎn)，分別對(duì)應(yīng)隧道頂部(點(diǎn)1)、左右拱肩(點(diǎn)2、3)、左右邊墻(點(diǎn)4、5)、左右墻角(點(diǎn)6、7)和底部(點(diǎn)8)。研究主要計(jì)算了左右拱肩的應(yīng)力比(Δ1)和左右邊墻的應(yīng)力比(Δ2)：

(1)

(2)

式中：σy2、σy3、σy4、σy5分別為點(diǎn)2、3、4、5處的豎向應(yīng)力。

圖4 應(yīng)力分析點(diǎn)示意圖Fig.4 Schematic diagram of stress analysis points

3.2 各級(jí)圍巖偏壓應(yīng)力比特征分析

按照定義的分析條件，應(yīng)用建立的分析模型，對(duì)隧道一次開(kāi)挖進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，分析獲得的V級(jí)、Ⅳ(土)、Ⅳ(石)、Ⅲ級(jí)圍巖各分析點(diǎn)豎向應(yīng)力結(jié)果分別見(jiàn)表4、5、6、7。

表4 Ⅴ級(jí)圍巖各計(jì)算點(diǎn)的應(yīng)力值

表5 Ⅳ(土)級(jí)圍巖各計(jì)算點(diǎn)的應(yīng)力值

表6 Ⅳ(石)級(jí)圍巖各計(jì)算點(diǎn)的應(yīng)力值

表7 Ⅲ級(jí)圍巖各計(jì)算點(diǎn)的應(yīng)力值

根據(jù)定義的偏壓應(yīng)力比計(jì)算方法，計(jì)算各級(jí)圍巖的偏壓應(yīng)力比，結(jié)果見(jiàn)表8。

表8 各級(jí)圍巖偏壓應(yīng)力比

由表8各級(jí)圍巖偏壓應(yīng)力比計(jì)算結(jié)果可知：

對(duì)于Ⅴ級(jí)圍巖，按照鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范，坡度為1∶1.50、1∶2.00、1∶2.50時(shí)，拱肩處偏壓應(yīng)力比和邊墻處偏壓應(yīng)力比的值都基本在1.00左右，基本沒(méi)有偏壓。

對(duì)于Ⅳ級(jí)土圍巖，坡度為1∶1.25、1∶1.50、1∶2.00、1∶2.50時(shí)，拱肩處的偏壓應(yīng)力比為2.23～3.20，出現(xiàn)明顯偏壓；而邊墻處偏壓應(yīng)力比為1.00左右，幾乎沒(méi)有偏壓。

對(duì)于Ⅳ級(jí)巖石圍巖，坡度為1∶1.50和1∶2.00時(shí)，拱肩處的偏壓應(yīng)力比為4.31和3.34，出現(xiàn)明顯偏壓；而邊墻處偏壓應(yīng)力比為1.00左右，幾乎沒(méi)有偏壓。

對(duì)于Ⅲ級(jí)圍巖，坡度為1∶0.75、1∶1.00和1∶1.50時(shí)，拱肩處的偏壓應(yīng)力比為8.69、11.55和7.45，偏壓比值較大，隧道出現(xiàn)明顯偏壓；而對(duì)于邊墻處，偏壓應(yīng)力比為1.00左右，沒(méi)有明顯偏壓。

從以上分析結(jié)果可以看出：在規(guī)范給定條件下，拱肩處豎向應(yīng)力比隨著圍巖級(jí)別的提高而逐漸增大；拱墻處豎向應(yīng)力比隨著圍巖級(jí)別的提高，值基本在1.00左右，變化不大。拱肩處豎向應(yīng)力比隨著圍巖級(jí)別、坡度的不同有較大變化，故可用拱肩處豎向應(yīng)力比特征值來(lái)界定隧道偏壓，為安全起見(jiàn)，Ⅲ級(jí)圍巖拱肩豎向應(yīng)力比取7.45、Ⅳ(土)級(jí)圍巖拱肩應(yīng)力比取2.23、Ⅳ(石)級(jí)圍巖拱肩應(yīng)力比取3.34、Ⅴ級(jí)圍巖拱肩處應(yīng)力比取1.06，當(dāng)隧道兩側(cè)拱肩處所受豎向應(yīng)力大于此值時(shí)可視為偏壓隧道。

結(jié)合回頭溝隧道進(jìn)出口淺埋段的地質(zhì)情況及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果：Ⅴ級(jí)圍巖，拱肩處豎向應(yīng)力比為1.14>1.06，符合回頭溝隧道進(jìn)出口淺埋段為偏壓隧道的工程實(shí)際，側(cè)面驗(yàn)證了數(shù)值模擬的正確性，從而為偏壓隧道的定量界定提供參考。

4 結(jié)論

1)在規(guī)范給定條件下，拱肩處豎向應(yīng)力比隨著圍巖級(jí)別的提高，逐漸增大。

2)在規(guī)范給定條件下，邊墻處豎向應(yīng)力比均在1.00左右，即在規(guī)范給定條件下，邊墻處不存在偏壓。

3)可以將拱肩處應(yīng)力比作為定量判別隧道是否偏壓的特征值。

4)在保證安全的前提下，當(dāng)Ⅲ級(jí)圍巖拱肩應(yīng)力比大于7.4、Ⅳ(土)級(jí)圍巖拱肩應(yīng)力比大于2.2、Ⅳ(石)級(jí)圍巖拱肩應(yīng)力比大于3.3、Ⅴ級(jí)圍巖拱肩處應(yīng)力比大于1.1時(shí)，可將隧道考慮成偏壓隧道。