富水程度及飽水時(shí)間對(duì)隧道掌子面穩(wěn)定性影響

安永林，曾賢臣，趙丹，岳健，胡文軒，歐陽鵬博

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富水程度及飽水時(shí)間對(duì)隧道掌子面穩(wěn)定性影響

安永林1, 2，曾賢臣2，趙丹3，岳健1, 2，胡文軒2，歐陽鵬博2

(1. 湖南科技大學(xué) 巖土工程穩(wěn)定控制與健康監(jiān)測(cè)省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 湘潭 411201；2. 湖南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201；3. 長沙市軌道交通集團(tuán)有限公司，湖南 長沙 410000)

為了分析富水程度及飽水時(shí)間對(duì)隧道掌子面穩(wěn)定的影響，建議非飽和圍巖強(qiáng)度參數(shù)是圍巖含水量或者飽和度的函數(shù)；飽和圍巖強(qiáng)度參數(shù)是圍巖飽水時(shí)間的函數(shù)。如受實(shí)驗(yàn)及經(jīng)費(fèi)限制，則可根據(jù)圍巖軟化系數(shù)以及Hoek-Brown準(zhǔn)則，確定圍巖不同飽和度下的圍巖強(qiáng)度參數(shù)。進(jìn)而提出基于強(qiáng)度折減法和上限法分析礦山法隧道掌子面穩(wěn)定的思路，并給出相應(yīng)的算例。研究結(jié)果表明：隨著飽水時(shí)間的增長和飽和度的增加，掌子面安全系數(shù)降低；采用臺(tái)階法能夠顯著提高掌子面的穩(wěn)定性。

隧道工程；掌子面穩(wěn)定；富水隧道；極限分析法；強(qiáng)度折減法

因掌子面不穩(wěn)定而發(fā)生的坍方事故常見報(bào)道，如長沙營盤路隧道掌子面坍方、殺虎口隧道坍方和南山隧道坍方等事故；因此，越來越多地引起了學(xué)術(shù)界和工程界的高度關(guān)注，很多基礎(chǔ)和應(yīng)用問題亟待解決：Broms等[1]總結(jié)了開挖面坍塌破壞與鼓出破壞與地表超載以及地層強(qiáng)度參數(shù)的關(guān)系，并提出了隧道穩(wěn)定系數(shù)的概念；Davis等[2]進(jìn)一步應(yīng)用極限分析法分析了4種破壞模式下的隧道穩(wěn)定上、下限解；Anagnostou等[3]構(gòu)建了開挖面?zhèn)}筒破壞模式，并基于極限平衡法推導(dǎo)了開挖面支護(hù)力公式；Nomikos等[4]基于理論方法分析了偏壓應(yīng)力下拱頂塊體的穩(wěn)定性；Loganathan等[5]應(yīng)用離心模型試驗(yàn)分析了隧道與樁變形。由于春節(jié)或者其他方面的原因，一些隧道會(huì)停工，等到復(fù)工時(shí)，掌子面卻發(fā)生了坍方。這個(gè)就涉及到飽水圍巖隨時(shí)間軟化導(dǎo)致掌子面失穩(wěn)的問題，因此開展飽水時(shí)間對(duì)掌子面穩(wěn)定性的影響分析，有重要的工程現(xiàn)實(shí)意義。本文主要基于強(qiáng)度折減法以及極限分析法，并結(jié)合不同富水程度以及飽水時(shí)間下圍巖的力學(xué)參數(shù)，對(duì)掌子面穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

1 不同富水程度及飽水時(shí)間下圍巖力學(xué)參數(shù)

1.1 室內(nèi)試驗(yàn)確定圍巖力學(xué)參數(shù)

對(duì)于重大隧道工程，可以對(duì)富水地段的圍巖進(jìn)行取樣，開展不同室內(nèi)單軸以及三軸等實(shí)驗(yàn)，獲得相應(yīng)的力學(xué)參數(shù)[6]，并對(duì)相關(guān)參數(shù)用相應(yīng)的函數(shù)進(jìn)行擬合。對(duì)于非飽和圍巖，不同富水程度下的圍巖強(qiáng)度參數(shù)，即黏聚力和內(nèi)摩擦角，是圍巖含水量或者飽和度的函數(shù)；對(duì)于飽和圍巖，則采用圍巖強(qiáng)度參數(shù)是圍巖飽水時(shí)間的函數(shù)，函數(shù)形式采用常系數(shù)+負(fù)指數(shù)的形式。

非飽和圍巖：

飽和圍巖：

式中：為圍巖含水量；為圍巖黏聚力；為圍巖內(nèi)摩擦角；為飽和圍巖飽水時(shí)間；1~4，1~4和1~4為擬合系數(shù)。

1.2 基于軟化系數(shù)以及Hoek-Brown準(zhǔn)則確定圍巖力學(xué)參數(shù)

上述方法需要開展大量的室內(nèi)試驗(yàn)。如果經(jīng)費(fèi)及實(shí)驗(yàn)條件有限，則可根據(jù)圍巖軟化系數(shù)以及Hoek-Brown準(zhǔn)則，確定圍巖不同飽和度下的圍巖強(qiáng)度參數(shù)，具體步驟如下。

1) 巖石浸水飽和后強(qiáng)度降低的性質(zhì)，稱為軟化性，用軟化系數(shù)表示，即巖石試件的飽和抗壓強(qiáng)度csat與干抗壓強(qiáng)度0的比值，即：

不同飽和度巖石單軸抗壓強(qiáng)度的擬合公式[7?8]：

2) Hoek-Brown巖石破壞準(zhǔn)則的表達(dá)式[9?10]：

式中：1和3分別為破壞時(shí)的最大、最小主應(yīng)力；b，和是量綱為一的材料常數(shù)，由式(11)~(13)確定。

式中：為地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)；m為巖石的材料常數(shù)；為節(jié)理巖體擾動(dòng)系數(shù)；

3) 依據(jù)等面積思想，將曲線形的 Hoek?Brown圍巖破壞準(zhǔn)則轉(zhuǎn)化為線性的Mohr?Coulomb準(zhǔn)則，圍巖的黏聚力和內(nèi)摩擦角可由式(14)~(15)確定[10]。

式中：3max為側(cè)限應(yīng)力的上限值，由式(16)確定：

式中：和為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，根據(jù)Hoek的建議，對(duì)于深埋隧道，和分別取值為0.47和?0.94；為巖體的重度；為隧道埋深；為巖體強(qiáng)度，由式(17)確定：

2 掌子面穩(wěn)定的極限分析法

2.1 礦山法隧道掌子面穩(wěn)定分析原理

極限分析原理見文獻(xiàn)[11]。本文利用文獻(xiàn)[12]求解支護(hù)力的公式并結(jié)合強(qiáng)度折減法來分析富水程度以及飽水時(shí)間對(duì)掌子面穩(wěn)定性的影響。

對(duì)于盾構(gòu)隧道(見圖1)，需要用土倉壓力來維持開挖面的穩(wěn)定，因而用支護(hù)力判斷開挖面是否穩(wěn)定以及確定極限支護(hù)力的研究是合理的，也具工程指導(dǎo)意義。但是對(duì)于礦山法(新奧法)隧道來說，以支護(hù)力來判斷掌子面的穩(wěn)定性，有點(diǎn)不太合理，因?yàn)樗淼篱_挖后，掌子面是不存在支護(hù)力的，支護(hù)力為0，如下圖2中所示的3=0。

為了將極限分析的結(jié)果應(yīng)用于礦山法，此處將支護(hù)力稱為虛擬支護(hù)力，應(yīng)用強(qiáng)度折減法對(duì)圍巖的強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行折減，應(yīng)用折減后的參數(shù)求解掌子面虛擬支護(hù)力，當(dāng)虛擬支護(hù)力為0時(shí)的折減系數(shù)，即為掌子面的穩(wěn)定安全系數(shù)，這樣就避免了支護(hù)力的概念，所得的安全系數(shù)在工程應(yīng)用中也容易認(rèn)可。

圖1 盾構(gòu)法開挖面情況

圖2 掌子面應(yīng)力狀態(tài)

2.2 虛擬支護(hù)力公式

掌子面的破壞模式[12]由2個(gè)剛性塊體①，③和一個(gè)剪切區(qū)②構(gòu)成(見圖3)：塊體①為一頂角為2的三角形′；塊體③為一等腰三角形，線與水平方向夾角為π/4+/2；剪切區(qū)②為一以對(duì)數(shù)螺旋線圍成的剪切區(qū)，點(diǎn)為對(duì)數(shù)螺線中心點(diǎn)，點(diǎn)和點(diǎn)分別為對(duì)數(shù)螺線的起點(diǎn)和終點(diǎn)。

圖3 掌子面極限分析

式中：為掌子面虛擬支護(hù)力；為圍巖重度；隧道開挖高度；為地表超載；，N和N分別為重度、超載和黏聚力的承載系數(shù)。

其中，破壞區(qū)域幾何尺寸關(guān)系如下：

2.3 強(qiáng)度折減法

基于強(qiáng)度折減法，令：

式中：為折減系數(shù)，即隧道掌子面的最小穩(wěn)定安全系數(shù)；′為按值折減后的圍巖黏聚力；′為按值折減后的圍巖內(nèi)摩擦角。

2.4 掌子面穩(wěn)定安全系數(shù)

′和′代入式(18)，并令=0，則：

式(26)是一個(gè)非線性方程，通過試算或編程可以求得隧道掌子面的最小穩(wěn)定安全系數(shù)：用求解非線性fzero方程函數(shù)，可以直接求出值；另外也可0.01步長進(jìn)行遍歷查詢，有等于0的即為安全系數(shù)；沒有，這組相鄰的一個(gè)正的支護(hù)力與一個(gè)負(fù)的支護(hù)力對(duì)應(yīng)的折減系數(shù)，進(jìn)行線性內(nèi)插或平均。

改變富水情況和飽水時(shí)間，則可以得到不同富水程度和飽水時(shí)間下的掌子面穩(wěn)定性系數(shù)。

3 實(shí)施案例

3.1 不同富水程度下掌子面穩(wěn)定性

某隧道圍巖粉砂巖[13]，試驗(yàn)測(cè)得了其單軸干燥強(qiáng)度，單軸飽和抗壓強(qiáng)度，依據(jù)1節(jié)內(nèi)容，可以確定不同飽和度(不同富水程度下)圍巖的內(nèi)摩擦和黏聚力。利用上一節(jié)的內(nèi)容，可以得到不同飽和度下掌子面穩(wěn)定系數(shù)如下圖所示，并且給出了采用全斷面法和臺(tái)階法下掌子面穩(wěn)定性的對(duì)比，其中臺(tái)階法，假定破壞只發(fā)生在上臺(tái)階，中下臺(tái)階認(rèn)為是穩(wěn)定的，所以取掌子面高度為上臺(tái)階高度3.6 m；全斷面法假定破壞發(fā)生在整個(gè)開挖高度。(見圖4~5)。為了做對(duì)比驗(yàn)證，給出了文獻(xiàn)[13]方法以及Vermeer[14]方法的對(duì)比。

圖4 不同飽和度下的安全系數(shù)與虛擬支護(hù)力

從圖4~5可以看出：

1) 隨著飽和度的增加，虛擬支護(hù)力增大，掌子面安全系數(shù)降低，當(dāng)飽和度達(dá)到0.3時(shí)，掌子面穩(wěn)定安全系數(shù)小于1，表示掌子面會(huì)失穩(wěn)；從曲線的斜率來看，低含水量時(shí)，隨著含水量的增加，掌子面穩(wěn)定安全系數(shù)降低的梯度要大；而高含水量時(shí)，隨著含水量的增加，掌子面穩(wěn)定安全系數(shù)降低的梯度要小。所以隧道施工宜盡量保持干燥環(huán)境中施工，做好地下水的防排。

2) 對(duì)比臺(tái)階法和全斷面法，可知，采用臺(tái)階法能夠顯著提高掌子面的穩(wěn)定性；臺(tái)階法相對(duì)于全面來講，開挖面積減小，開挖高度減小，圍巖一次釋放的荷載較小。采用臺(tái)階法時(shí)，當(dāng)飽和度為0.7時(shí)，掌子面才會(huì)失穩(wěn)。所以對(duì)于軟弱富水地層，不宜采用全斷面開挖，盡量采用分部開挖或臺(tái)階法開挖，縮短一次開挖進(jìn)尺和開挖高度。

圖5 不同開挖方法下安全系數(shù)

3.2 不同飽水時(shí)間下掌子面穩(wěn)定性分析

根據(jù)1節(jié)內(nèi)容，可以獲得不同飽水時(shí)間下圍巖的黏聚力和內(nèi)摩擦角[15]。假定某個(gè)隧道的圍巖是該巖性，隧道開挖高度采取7 m，圍巖埋深200 m，圍巖重度為22 kN/m3，不同飽水時(shí)間下圍巖的黏聚力和內(nèi)摩擦角見圖6(a)，掌子面穩(wěn)定安全系數(shù)見圖6(b)。從圖6可以看出：隨著飽水時(shí)間的增長，掌子面穩(wěn)定安全系數(shù)降低；所以對(duì)于停工時(shí)，為了保持掌子面的穩(wěn)定，宜對(duì)掌子面進(jìn)行加固，并做好掌子面的防排水處理，防止圍巖長時(shí)間飽水下，降低掌子面的穩(wěn)定性。

3.3 討論

1) 本文所得的虛擬支護(hù)力介于文獻(xiàn)[13]和文獻(xiàn)[14]之間；安全系數(shù)比文獻(xiàn)[14]的要小。本文與文獻(xiàn)[13]的不同，主要是采取的破壞模式不同所致。在常規(guī)的極限分析中，要事先假定破壞模式，不同的破壞模式，導(dǎo)致結(jié)果有差異，采取極限有限元法或者強(qiáng)度折減有限元法可以避免破壞模式的假定。對(duì)于極限有限元，已有人開發(fā)，但是商業(yè)版極限有限元軟件還非常少，這是以后努力研究的方向。與文獻(xiàn)[14]的差別在于，本文是二維模式，而文獻(xiàn)[14]是三維有限元強(qiáng)度折減法，考慮了空間效應(yīng)，所以安全系數(shù)較本文高。

2) 對(duì)于不同富水程度以及飽水時(shí)間下掌子面的穩(wěn)定，本文只是以強(qiáng)度參數(shù)和結(jié)合極限分析進(jìn)行考慮，未考慮弱化的動(dòng)態(tài)過程，以及對(duì)于軟弱圍巖，還存在蠕變效應(yīng)，本文均未考慮，這個(gè)在以后的研究中，應(yīng)考慮。

(a) 黏聚力；(b) 安全系數(shù)

4 結(jié)論

1) 非飽和圍巖的強(qiáng)度參數(shù)是圍巖含水量或者飽和度的函數(shù)；飽和圍巖強(qiáng)度參數(shù)是飽水時(shí)間的函數(shù)。宜可根據(jù)圍巖軟化系數(shù)以及Hoek-Brown準(zhǔn)則，確定圍巖不同飽和度下的圍巖強(qiáng)度參數(shù)。

2) 基于強(qiáng)度折減法和上限法分析礦山法隧道掌子面是可行的。隨著飽和度的增加和飽水時(shí)間的增長，掌子面安全系數(shù)降低；采用臺(tái)階法能夠顯著提高掌子面的穩(wěn)定性。

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(編輯 蔣學(xué)東)

Influence of water content and saturation time on the stability of tunnel face

AN Yonglin1, 2, ZENG Xianchen2, ZHAO Dan3, YUE Jian1,2, HU Wenxuan2, OUYANG Pengbo2

(1. Hunan Provincial Key Laboratory of Geotechnical Engineering for Stability Control and Health Monitoring, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201, China;2. School of Civil Engineering, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201, China;3. Changsha Metro Group Co., Ltd, Changsha 410000, China)

In order to analyze the influence of water content and saturation time on the stability of tunnel face, for unsaturated surrounding rock, the strength parameter of surrounding rock is suggested to be the function of the water content or saturation of surrounding rock; for saturated surrounding rock, the strength parameter of surrounding rock is the function of the time of water saturation of the surrounding rock; and the form of the function is proposed to be the constant coefficient plus negative exponential function. If it is limited by experiments and funds, the strength parameters of surrounding rocks can be estimated by the Hoek-Brown criterion. Then the stability of the tunnel face is analyzed based on the upper bound method combined with the strength reduction method, and the application cases are presented. The results show that: with the increase of saturation, the safety factor of the tunnel face is reduced; in low water content, with the increase of water content, the gradient of the stability factor of the tunnel face is reduced steeply; with the increase of saturation time, the safety factor of tunnel face is reduced; the stability of the tunnel face is significantly improved by the bench excavation method.

tunnel engineering; face stability;rich water tunnel; limit analysis method; strength reduced method

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2019.05.020

U495.2

A

1672 ? 7029(2019)05 ?1260 ? 06

2018?07?11

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51408216, 51308209)

安永林(1981?)，男，安徽壽縣人，副教授，博士，從事隧道與地下工程研究；E?mail：aylcsu@163.com