淺埋隧道圍巖受力計算分析及隧道襯砌支護研究

周盛龍

(中鐵十八局集團有限公司，天津 300222)

淺埋段軟弱圍巖自穩(wěn)能力較差，在隧道開挖時受到擾動較顯著，當支護沒有得到充分保障時，淺埋段發(fā)生延伸至地表塌陷災害事故的可能性遠高于深埋段[1-2]。為了保證淺埋隧道開挖施工的安全性和隧道圍巖穩(wěn)定性，已有大量學者對深埋段隧道兩種狀況進行了隧道圍巖塌落問題的研究[4-8]。Atkinson和Potts[9]基于上限定理和下限定理，分析了隧道在無黏性土地層楔體內(nèi)部的破壞機理，并通過模型試驗對楔體變形特性進行驗證。上述研究有力地推動了深埋圍巖破壞時的崩塌范圍和隧道變形機理研究的發(fā)展。然而淺埋隧道與深埋隧道由于地層特性不同，因而在圍巖塌落機理上存在較大的差異，且構(gòu)建隧道頂部恰當?shù)乃鋮^(qū)是分析隧道穩(wěn)定性及圍巖壓力的前提條件，由此探究不同埋深條件下隧道圍巖壓力分布關(guān)系顯得十分必要。本文在Hoek-Brown破壞準則的基礎(chǔ)上，分析得到了淺埋段隧道圍巖壓力的分布，基于隧道圍巖壓力巖隧道軸向變化規(guī)律確定隧道淺埋段的范圍，為類似工程提供借鑒。

1 工程概況

1.1 工程簡介

營盤梁隧道位于德陽市羅江縣白馬關(guān)鎮(zhèn)二酉村。左主線里程ZK15+984～ZK16+481，長度497m；右主線里程K15+967～K16+486,長度519m。按隧規(guī)、細則，并參考國內(nèi)類似工程經(jīng)驗，將左右洞路基設(shè)計線間距L=24m作為小凈距與分離式的分界點。本隧道左線ZK16+231～ZK16+481、右線K16+236～K16+486為小凈距段。本隧道圍巖等級分為Ⅳ、Ⅴ級，采用新奧法施工，復合式二次襯砌(營盤梁隧道進口見圖1)。公路等級為一級，主線設(shè)計行車速度80km/h，最小曲線半徑4000m。根據(jù)隧道建筑限界要求以及電纜溝、排水溝、隧道通風需要以及機電設(shè)施等所需空間尺寸確定了隧道襯砌內(nèi)輪廓斷面型式(隧道襯砌內(nèi)輪廓見圖2)。人行橫通道建筑限界凈寬2m，凈高2.5m；襯砌內(nèi)輪廓擬定為拱高3.1m的單心圓直邊墻結(jié)構(gòu)。

圖1 營盤梁隧道進口設(shè)計(單位：cm)

圖2 隧道主洞襯砌內(nèi)輪廓設(shè)計(單位：cm)

洞口位置、洞門型式選擇如下。

隧道進口，定左主線洞口里程為ZK15+984，采用削竹式洞門，明洞長20m；右線洞口里程為K15+967，采用削竹式洞門。為確保進洞安全，在暗洞進洞處拱部120°范圍設(shè)一環(huán)長30m的φ108管棚輔助進洞。

隧道出口，定左線洞口里程為ZK16+481，采用削竹式洞門；定右線洞口里程為K16+486，采用削竹式洞門。為確保進洞安全，主線隧道在暗洞進洞處拱部120°范圍設(shè)一環(huán)長30m的φ108管棚輔助進洞。

為確保隧道洞口排水順暢，避免雨水直接沖刷洞口，在隧道進、出口洞頂布置洞頂水溝；根據(jù)洞口地形、地貌、匯水面積及雨水排泄通道，在洞口邊仰坡開挖線3～5m以外設(shè)置洞外截水溝，隧道洞頂截水溝與路基水溝順接，形成完善的排水系統(tǒng)。

隧道洞身采用復合式襯砌、曲墻帶仰拱的型式，按新奧法原理設(shè)計，初期支護采用噴錨網(wǎng)支護，需要時，輔以鋼架加強、濕噴工藝，二次襯砌采用混凝土或鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。襯砌及支護參數(shù)見表1。

表1 隧道平面線形與縱斷面設(shè)計 單位：cm

隧道中部設(shè)置人行橫通道1條。人行橫通道軸線與右洞隧道軸線交角為90°，人行橫通道兩端設(shè)置封閉門。橫通道縱坡若小于0.3%時，采用人字坡方式，確保橫通道排水通暢。人行橫通道采用復合式襯砌，初期支護以噴射混凝土、錨桿為主，二次襯砌為模筑混凝土，車行橫通道加強段采用鋼筋混凝土。支護參數(shù)根據(jù)結(jié)構(gòu)分析與工程類比相結(jié)合確定，并確定了人行橫通道里右線交點里程為K16+260，左線交點里程為ZK16+256.116。人行橫通道襯砌支護參數(shù)見表2。

表2 人行橫通道襯砌支護參數(shù) 單位：cm

1.2 工程地質(zhì)

隧址區(qū)主要不良地質(zhì)現(xiàn)象為巖石風化碎落，強風化巖體較破碎，風化卸荷、裂隙發(fā)育，巖體呈碎裂結(jié)構(gòu)，巖石多被風化成碎塊狀，在裂隙等切割作用下，斜坡巖體穩(wěn)定性變差，影響邊坡穩(wěn)定性，局部斜坡表層風化剝落現(xiàn)象較嚴重，陡坎風化卸荷裂隙巖體崩塌現(xiàn)象較嚴重。

2 隧道淺埋段影響范圍

2.1 Hoek-Brown破壞準則

在巖土工程中隧道圍巖穩(wěn)定性分析多依賴簡便且實用性強的屈服準則，其中Hoek-Brown破壞準則不僅能反映完整性較好的硬巖塊體變化性質(zhì)，而且適用于質(zhì)量較差的軟巖塊體變化性質(zhì)的計算。Hoek-Brown破壞準則通常用最小有效應(yīng)力和最大有效應(yīng)力的形式表達：

(1)

其中

(2)

(3)

(4)

式中σ1——最大主應(yīng)力；

σ3——最小主應(yīng)力；

σc——圍巖巖體單軸抗壓強度；

a、mb、s——圍巖巖體的三個無量綱參數(shù)；

mi——圍巖巖體常數(shù)；

D——圍巖巖體的擾動系數(shù)；

GSI——圍巖巖體強度指標。

2.2 Hoek-Brown破壞準則

現(xiàn)有研究表明[10-12]，在分析淺埋段隧道圍巖頂部的塌落面形狀時，塌落面頂部寬度L1隨隧道埋深的增加而逐漸減小，當隧道深度到達一定程度時，其頂部塌落面形成拱狀，且不再向上部延伸，此時塌落體沿隧道中線兩側(cè)向上合并成一個點。此時可認為隧道圍巖法向壓力達到最大值，此最大值處與洞口的距離定義為隧道淺埋段有效影響范圍。

在山嶺隧道掘進過程中如若圍巖支護不及時，極易出現(xiàn)“冒頂”的災害事故(隧道頂部塌落體見圖3，淺埋段隧道圍巖壓力見圖4)。在隧道埋深較小時，塌落體將持續(xù)延伸至地表，假設(shè)坍塌落體頂部寬度與底部寬度分別為L1、L0，在均質(zhì)巖石或巖土體中，塌塌落體具有左右對稱的規(guī)律表現(xiàn)。

圖3 淺埋隧道塌落

圖4 淺埋段隧道圍巖壓力

通過函數(shù)強極限值的方法可推到淺埋段影響范圍：

(5)

對式(5)化簡可得

(6)

(7)

其解為

(8)

計算得到隧道圍巖壓力為

(9)

所得隧道淺埋段影響范圍有效長度為

(10)

以上式中σc——巖體的單軸抗壓強度，MPa；

σt——巖體的單軸抗拉強度,MPa；

A、B——三軸試驗所得無量綱常數(shù)；

h——隧道埋深,m;

γ——圍巖上部土體重度,kN/m3；

b——淺埋隧道截面寬度的1/2。

3 隧道巖體參數(shù)分析

3.1 參數(shù)對圍巖法向壓力分析

對式(9)分析可知，圍巖壓力主要受巖土參數(shù)、隧道寬度及坡角影響。為了分析各參數(shù)對隧道淺埋段圍巖壓力分布的影響，選取工程正常范圍內(nèi)的參數(shù)，具體選取如下：γ=21kN/m3，α=21°，A=0.2，B=0.8，b=4.5m，σs=0.011MPa，σc=2.1MPa，σt=0.06MPa。

由圖5可知，坡角對隧道圍巖壓力峰值影響較小，但其增大時會使得隧道淺埋段范圍內(nèi)的土體壓力增大，使隧道圍巖壓力達到峰值點時間有所提前。巖體參數(shù)B的的增大會導致隧道圍巖壓力增大；參數(shù)A與參數(shù)B對圍巖壓力作用相反。巖體重度在隧道淺埋段的影響相較于參數(shù)A、參數(shù)B的影響較弱，圍巖壓力隨巖體重度增大而增大。隧道斷面寬度的影響較大，淺埋段范圍隨寬度增大而增加，且隧道圍巖壓力隨寬度增加上升較明顯。較大的抗拉強度可以有效提高隧道圍巖的抗壓承載能力。

圖5 參數(shù)與圍巖壓力關(guān)系曲線

3.2 參數(shù)與隧道淺埋段有效影響范圍

由式(10)可知，巖體參數(shù)A、B及γ和隧道寬度是影響隧道淺埋段范圍的主要因素，設(shè)定參數(shù)組合如下：γ=18kN/m3，B=0.8，L0=5m，α=20°，σc=5MPa。圖6為不同參數(shù)條件下隧道淺埋段有效影響范圍隨參數(shù)A變化曲線。

對圖6進行分析可知，隧道淺埋段距離(Lcr)與巖體參數(shù)A的關(guān)系曲線呈現(xiàn)下降趨勢，規(guī)律接近指數(shù)函數(shù)，且在不同巖體參數(shù)影響下，參數(shù)A下降程度有所變化。隧道寬度b和巖體參數(shù)B對隧道淺埋段有效影響范圍有較大的影響，具體表現(xiàn)為隨兩參數(shù)的增加有效影響范圍明顯擴大。隧道淺埋段有效影響范圍隨巖體抗壓強度的減小呈現(xiàn)增大的趨勢，在圖中表現(xiàn)為在保持巖體抗壓強度不變的情況下，例如當巖體抗壓強度均為5MPa時，軟巖與硬巖隧道淺埋段有效影響范圍相差近5倍；巖體重度對隧道淺埋段有效影響范圍造成的影響較小，可忽略?？芍?，隧道淺埋段有效影響范圍除了受巖體本身的強度影響以外，隧道寬度也是有必要考慮的因素之一。

圖6 不同參數(shù)隧道淺埋段有效影響范圍

4 隧道二次襯砌安全性評價

以本次研究區(qū)的設(shè)計資料與地層條件為基礎(chǔ)，應(yīng)用荷載結(jié)構(gòu)法進行評價，計算采用二次襯砌承受荷載的80%，分擔釋放荷載占比統(tǒng)計見表3。荷載結(jié)構(gòu)法在隧道中的應(yīng)用方法見圖7。圖中，k為地層彈簧的彈性常數(shù)；e1、e2分別為側(cè)向土壓力與膨脹地壓；Wg為結(jié)構(gòu)自重；W為上部土壓。

表3 分擔釋放荷載占比統(tǒng)計

在構(gòu)建計算模型時，首先要應(yīng)用荷載結(jié)構(gòu)法，且二襯需承受80%的荷載，并對膨脹地壓和結(jié)構(gòu)自重進行設(shè)置；其次是采用平面應(yīng)變方法模擬二襯用梁單元，并劃分仰拱與二襯為數(shù)段梁單元；然后再施加彈性抗力，僅對受壓處設(shè)置彈簧單元，模擬巖石抗壓不收拉的實際。以設(shè)計與地勘資料為基礎(chǔ)，隧道襯砌結(jié)構(gòu)采用承受80%的荷載進行計算時，安全系數(shù)最小值為3(見圖8)，本次研究的襯砌設(shè)計滿足施工要求。

圖8 二次襯砌安全系數(shù)雷達圖

建立模型對圍巖與支護穩(wěn)定性進行評價時，首先需要采用平面應(yīng)變單元對襯砌適用段長進行分析；應(yīng)用梁單元與桁架對襯砌結(jié)構(gòu)與錨桿進行單元模擬；通過臺階法對二維隧道進行模擬；規(guī)范設(shè)置圍巖應(yīng)力釋放的數(shù)據(jù)；設(shè)置模型位移、旋轉(zhuǎn)約束時，上部設(shè)置為自由，下部及左右設(shè)置為位移約束；設(shè)定適合的膨脹地壓與自重為荷載計算條件。襯砌適用段計算模型見圖9。

圖9 襯砌適用段計算模型

應(yīng)用新奧法理論對初期支護圍巖穩(wěn)定性進行評價，該理論通過圍巖自承能力對支護中荷載分擔值進行確定，初期支護及二襯支護后圍巖穩(wěn)定性數(shù)值模擬云圖見圖10。由圖10(a)的塑性應(yīng)變與區(qū)域圖可以看出，初期支護安全系數(shù)值為1.57，不小于1.3，反映出本次研究的初支系數(shù)符合設(shè)計要求，安全性能較強。由圖10(b)的塑性應(yīng)變與區(qū)域圖可以看出， 二襯支護安全系數(shù)值為1.66，不小于1.3，襯砌符合設(shè)計要求，安全性能較強。

圖10 初期支護及二襯支護后圍巖穩(wěn)定性數(shù)值模擬云圖

5 結(jié) 語

本文基于Hoek-Brown破壞準則對圍巖壓力的淺埋段有效影響范圍進行了推導，得到了淺埋段圍巖壓力隨位置變化的變化規(guī)律，主要結(jié)論如下：對淺埋段的影響范圍進行了分析，隧道圍巖壓力隨埋深變化明顯，可以視為淺埋；隧道圍巖壓力隨埋深變化不明顯，理論上趨于定值，可將其視為隧道深埋段；隧道圍巖壓力隨巖石抗拉強度增大而減小，隧道寬度、巖體重度和地表坡度增加而增大；隧道軸線坡度和巖石強度對淺埋影響段范圍有明顯影響。隨隧道寬度b和巖體參數(shù)B的增加有效影響范圍明顯擴大。隧道淺埋段有效影響范圍隨巖體抗壓強度的減小呈現(xiàn)增大的趨勢；巖體重度對隧道淺埋段有效影響范圍造成的影響較小，可忽略。

隧道襯砌結(jié)構(gòu)采用承受80%的荷載進行計算時，安全系數(shù)最小值為3，襯砌設(shè)計滿足施工要求。初期支護安全系數(shù)值為1.57，不小于1.3，反映出本次研究的初支系數(shù)符合設(shè)計要求，安全性能較強。二襯支護安全系數(shù)值為1.66，不小于1.3，襯砌符合設(shè)計要求，安全性能較強。本次研究的評價方法在隧道施工中具有較強的可靠性與適應(yīng)性，能夠為其他砂泥巖隧道工程施工設(shè)計提供相應(yīng)的指導，對設(shè)計方案能夠有較為準確的評價與定量分析，確保了隧道建設(shè)與公路運營的安全性。