淺埋偏壓雙線隧道圍巖壓力計(jì)算及監(jiān)測分析

賴慧豐

(中鐵十八局集團(tuán)第五工程有限公司 渝黔項(xiàng)目部，重慶 綦江 401424)

隨著西部城市化建設(shè)的高速發(fā)展，未來一段時(shí)間內(nèi)大量復(fù)雜地形及地質(zhì)條件下的淺埋偏壓雙線隧道必將出現(xiàn)在山區(qū)城市之間。對于淺埋偏壓雙線隧道而言，受地形偏壓的作用，隧道結(jié)構(gòu)的圍巖壓力和變形特征尤其復(fù)雜[1-2]，嚴(yán)重影響其穩(wěn)定性，探明淺埋偏壓雙線隧道圍巖壓力分布特征是隧道設(shè)計(jì)施工前亟需解決的工程問題之一。

針對隧道圍巖壓力分布特征，國內(nèi)外許多學(xué)者開展了大量有益的研究，并取得了豐碩的成果。Han[3]、向亮[4]等基于圍巖與襯砌的相互作用對深埋黃土盾構(gòu)隧道圍巖壓力分布特征展開了研究，提出深埋盾構(gòu)隧道圍巖壓力的計(jì)算公式；劉志春[5]等結(jié)合95個(gè)典型擠壓性圍巖隧道的現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果，提出基于變形分級的擠壓性圍巖隧道圍巖壓力的計(jì)算方法；盧欽武[6]、楊小禮[7]、張治國[8]等推導(dǎo)了地震作用下淺埋隧道圍巖壓力的計(jì)算方法，并對其進(jìn)行參數(shù)敏感性分析；孫曦源[9]、張道兵[10]等基于極限分析法，確定了圍巖在承載力極限狀態(tài)下的破壞模式，推導(dǎo)了淺埋隧道圍巖壓力計(jì)算方法；Huang[11]、邱業(yè)建[12]等通過合理假定隧道的破壞模式，基于極限上限分析法，推導(dǎo)了淺埋偏壓小凈距隧道圍巖壓力的計(jì)算公式，并結(jié)合工程實(shí)例驗(yàn)證了求解方法的正確性。

本文依托重慶巴南至綦江高速公路某隧道工程實(shí)際，基于已有的淺埋偏壓雙線隧道圍巖壓力計(jì)算方法，分析了埋深、凈距和偏壓角度對隧道垂直壓力和側(cè)壓力系數(shù)的影響。結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，進(jìn)一步分析了隧道施工過程中圍巖和結(jié)構(gòu)力學(xué)特征響應(yīng)，并與理論分析結(jié)果進(jìn)行對比驗(yàn)證。

1 淺埋偏壓雙線隧道圍巖壓力計(jì)算理論

1.1 基本假定及滑裂破壞模式

假定巖土體為單一、均質(zhì)體，地表傾斜一定角度，左右隧道結(jié)構(gòu)對稱且同步施工，即不考慮施工工序的影響。其構(gòu)造的圍巖滑裂破壞模式如圖 1 所示，圖中E為共同破裂面的法向相互作用力，為安全起見取為 0。另外，假定圍巖壓力分布圖形與地表傾斜角度一致。

圖1 淺埋偏壓雙線隧道滑裂破壞模式

1.2 計(jì)算公式的推導(dǎo)

1.2.1 左、右洞外側(cè)側(cè)壓力系數(shù)計(jì)算

根據(jù)規(guī)范中給出的計(jì)算方法，左、右洞外側(cè)側(cè)壓力系數(shù)λ1和λ2分別為[13]

(1)

(2)

分別對式(3)～(4)求極值，可得左、右洞外側(cè)產(chǎn)生最大推力時(shí)的破裂角β1和β2分別為

(3)

(4)

式中θ為拱頂土柱兩側(cè)摩擦角(°)；α為地面傾斜角度(°)；φc為圍巖計(jì)算摩擦角(°)。

1.2.2 左、右洞內(nèi)側(cè)側(cè)壓力系數(shù)計(jì)算

根據(jù)規(guī)范中給出的計(jì)算方法，左、右洞內(nèi)側(cè)側(cè)壓力系數(shù)λ3和λ4分別為[14]

(5)

(6)

分別對式(5)～(6)求極值，左、右洞內(nèi)側(cè)產(chǎn)生最大推力時(shí)的破裂角β3和β4迭代公式分別為

(7)

(8)

式(7)～(8)中，β3、β4分別為左、洞內(nèi)側(cè)破裂面與水平面的夾角(°)；a1、a2分別為兩洞內(nèi)側(cè)破裂面交點(diǎn)至左、右洞內(nèi)側(cè)洞壁的距離(m)；h3、h4分別為a1/2、a2/2處洞底水平線至地面的距離(m)；H3、H4分別為左、右洞內(nèi)側(cè)洞底水平線至地面的距離(m)。

1.2.3 垂直圍巖總壓力的計(jì)算

拱頂垂直壓力換算為分布荷載，假設(shè)隧道內(nèi)外側(cè)之間按線性變化，考慮地表偏壓的影響，淺埋偏壓雙線隧道圍巖壓力計(jì)算分布模式如圖2所示。

圖2 淺埋偏壓雙線隧道圍巖壓力計(jì)算模式

圖2中H1、H2、H3、H4可根據(jù)下式計(jì)算：

(9)

式中b為隧道開挖跨度(m)；h為隧道開挖高度(m)；h1、h2分別為左、右洞拱頂水平線至地面的距離(m)。

左洞外側(cè)、左洞內(nèi)側(cè)、右洞內(nèi)側(cè)和右洞外側(cè)拱頂垂直壓力為

(10)

2 工程背景

重慶巴南至綦江高速公路某隧道為一座雙線隧道，左線進(jìn)口里程 ZK51+985，出口里程 ZK52+880，長 895 m；右線進(jìn)口里程 K52+072，出口里程 K52+919，長 847 m。左線洞內(nèi)縱坡為 1%/895m 的單面下坡。右線洞內(nèi)縱坡為 1%/847m 的單面下坡。該隧道進(jìn)口洞口段淺埋偏壓，埋深較淺，地質(zhì)條件差。本文主要研究洞口淺埋偏壓段，隧道圍巖為三迭系上統(tǒng)須家河組石英砂巖、頁巖及三迭系中統(tǒng)雷口組頁巖夾泥灰?guī)r，巖體較破碎，遇水軟化，工程地質(zhì)性質(zhì)較差，屬V級圍巖。在V級圍巖段，隧道開挖跨度為 18.23 m，開挖高度為 11.99 m，襯砌內(nèi)輪廓擬定為三心圓曲墻結(jié)構(gòu)，隧道初支采用噴錨網(wǎng)支護(hù)，輔以鋼架加強(qiáng)，二襯采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。洞口段隧道橫斷面及空間位置關(guān)系如圖3所示。

圖3 洞口段隧道橫斷面及空間位置關(guān)系

3 淺埋偏壓雙線隧道圍巖壓力影響因素分析

根據(jù)式(1)～(10)，依托淺埋偏壓分離式隧道，分析埋深、凈距和偏壓角度對拱頂垂直壓力和側(cè)壓力系數(shù)的影響。圍巖級別為V級，計(jì)算參數(shù)的選取為：開挖跨度b=18.23 m，開挖高度h=11.99 m，圍巖重度γ=20 kN/m3，計(jì)算摩擦角φc=45°，拱頂土柱兩側(cè)摩擦角θ=25°。

3.1 埋深影響分析

兩隧道凈距為30 m，偏壓角度為0°和10°時(shí)，不同埋深下垂直壓力和側(cè)壓力系數(shù)見表1，其隨埋深的變化如圖4所示。

表1 埋深對隧道垂直壓力和側(cè)壓力系數(shù)的影響

由圖4可知，當(dāng)偏壓角度為 0°時(shí)，不同埋深下左、右洞外側(cè)側(cè)壓力系數(shù)相同，內(nèi)側(cè)側(cè)壓力系數(shù)也相同，但外側(cè)側(cè)壓力系數(shù)不隨埋深的變化而改變，內(nèi)側(cè)側(cè)壓力系數(shù)則隨埋深的增大呈線性增大。左、右洞內(nèi)側(cè)側(cè)壓力系數(shù)小于外側(cè)側(cè)壓力系數(shù)，且隨著埋深的減小，二者的差值越大，即偏壓效應(yīng)越顯著。由圖4和表1還可看出，隧道垂直壓力隨埋深的增大呈線性增大，兩洞內(nèi)側(cè)垂直壓力均大于外側(cè)垂直壓力。由于地面水平，且左、右洞為對稱結(jié)構(gòu)，兩洞內(nèi)外側(cè)垂直壓力均相同。當(dāng)偏壓角度為 10°時(shí)，不同埋深下左、右洞外側(cè)側(cè)壓力系數(shù)和內(nèi)側(cè)側(cè)壓力系數(shù)均不同，外側(cè)側(cè)壓力系數(shù)不隨埋深的變化而改變，內(nèi)側(cè)側(cè)壓力系數(shù)則隨埋深的增大呈線性增大。左、右洞隧道垂直壓力隨埋深的增大呈線性增大，兩洞內(nèi)側(cè)垂直壓力大于外側(cè)垂直壓力。

以上分析結(jié)果表明，對于淺埋偏壓雙線隧道，左、右洞內(nèi)側(cè)的垂直壓力大于外側(cè)的垂直壓力，隧道內(nèi)側(cè)拱頂承受更大的圍巖壓力，在施工時(shí)應(yīng)加強(qiáng)其拱頂部位的支護(hù)。

圖4 側(cè)壓力系數(shù)和垂直壓力隨埋深變化圖

3.2 凈距影響分析

兩隧道拱頂埋深為10 m，偏壓角度為0°和10°時(shí)，不同凈距下垂直壓力和側(cè)壓力系數(shù)見表2，其隨凈距的變化如圖5所示。

表2 凈距對隧道垂直壓力和側(cè)壓力系數(shù)的影響

圖5 側(cè)壓力系數(shù)和垂直壓力隨凈距變化圖

由圖5可知，當(dāng)偏壓角度為0°時(shí)，埋深一定時(shí)，隨著凈距的增大，左、右洞外側(cè)垂直壓力和側(cè)壓力系數(shù)保持不變，基本不受凈距的影響。隨著凈距的增大，左、右洞內(nèi)側(cè)垂直壓力逐漸減小，內(nèi)側(cè)側(cè)壓力系數(shù)逐漸增大，而變化速率逐漸減小并趨于穩(wěn)定。結(jié)果表明，隨著凈距的減小，隧道內(nèi)側(cè)垂直壓力和側(cè)壓力系數(shù)受凈距的影響越顯著，兩洞之間相互影響逐漸增大。當(dāng)偏壓角度為10°時(shí)，左、右洞外側(cè)側(cè)壓力系數(shù)不隨凈距的變化而改變，內(nèi)側(cè)側(cè)壓力系數(shù)隨著凈距的增大逐漸增大。隨著凈距的增大，左、右洞內(nèi)外側(cè)垂直壓力均逐漸減小。

以上分析結(jié)果表明，對于淺埋偏壓雙線隧道，埋深相同且偏壓角度一定時(shí)，隨著凈距的增大，隧道內(nèi)側(cè)側(cè)壓力系數(shù)越大，內(nèi)側(cè)垂直壓力越小，趨于單洞開挖狀態(tài)。

3.3 偏壓角度影響分析

兩隧道拱頂埋深為10 m，兩洞凈距為30 m時(shí)，不同偏壓角度下垂直壓力和側(cè)壓力系數(shù)見表3，其隨偏壓角度的變化如圖6所示。

表3 偏壓角度對隧道垂直壓力和側(cè)壓力系數(shù)的影響

由圖6可知，隨著偏壓角度的增大，左洞外側(cè)和右洞內(nèi)側(cè)側(cè)壓力系數(shù)逐漸減小，而左洞內(nèi)側(cè)和右洞外側(cè)側(cè)壓力系數(shù)逐漸增大，即各洞淺埋側(cè)側(cè)壓力系數(shù)減小，深埋側(cè)側(cè)壓力系數(shù)增大。由此可見，偏壓角度越大，巖柱兩側(cè)側(cè)壓力系數(shù)差值越大，中夾巖柱兩側(cè)偏壓現(xiàn)象越嚴(yán)重，穩(wěn)定性越差。另外，左洞內(nèi)、外側(cè)垂直壓力隨偏壓角度的增大逐漸減小，右洞內(nèi)、外側(cè)垂直壓力隨偏壓角度的增大逐漸增大，主要是因?yàn)殡S著偏壓角度增大，左洞埋深隨之減小，而右洞埋深隨之增大。從圖6中還可看出，偏壓角度越大，中夾巖柱兩側(cè)圍巖壓力差值越大，偏壓效應(yīng)越顯著。

圖6 側(cè)壓力系數(shù)和垂直壓力隨偏壓角度變化圖

4 淺埋偏壓雙線隧道圍巖壓力監(jiān)測分析

為進(jìn)一步分析淺埋偏壓雙線隧道圍巖壓力特征，根據(jù)現(xiàn)場情況選取右洞進(jìn)口段某斷面，對鋼拱架應(yīng)力和兩層支護(hù)間壓力進(jìn)行監(jiān)控量測分析。該斷面處隧道埋深為 10 m，凈距為 30 m，偏壓角度為10°。

4.1 監(jiān)控量測項(xiàng)目

鋼拱架應(yīng)力監(jiān)測采用JMZX-212HAT表面型智能弦式數(shù)碼應(yīng)變計(jì)測量，分別布置在左、右洞隧道拱頂、拱腰和拱腳處上下翼緣，每個(gè)監(jiān)測斷面共布置10個(gè)應(yīng)變計(jì)。應(yīng)變計(jì)在鋼拱架架立后噴射混凝土施作前安裝。

兩層支護(hù)間壓力采用JMZX-5020Am智能記憶型雙模土壓力盒測量，分別布置在左、右洞隧道拱頂、拱腰和拱腳初期支護(hù)和二襯之間，每個(gè)監(jiān)測斷面共布置5個(gè)壓力盒。壓力盒在初襯施作后防水層布設(shè)前安裝。應(yīng)力計(jì)和壓力盒均采用JMZX-2001綜合測試儀采集數(shù)據(jù)，并進(jìn)行溫度修正。應(yīng)力計(jì)和壓力盒位置和現(xiàn)場布置圖如圖7～8所示。

圖7 鋼拱架應(yīng)力測點(diǎn)布置圖 圖8 兩層支護(hù)間壓力測點(diǎn)布置圖

4.2 監(jiān)控量測結(jié)果分析

圖9為右洞進(jìn)口段某選取斷面鋼拱架各測點(diǎn)外翼緣和內(nèi)翼緣應(yīng)力時(shí)程曲線。由圖9可知，監(jiān)測斷面鋼拱架各測點(diǎn)內(nèi)外翼緣及應(yīng)力均為壓應(yīng)力。鋼拱架拱頂和內(nèi)外拱腰應(yīng)力較大，而拱腳部位應(yīng)力較小。其中內(nèi)側(cè)拱腰和拱腳應(yīng)力均大于外側(cè)對應(yīng)部位，與前文雙線隧道內(nèi)側(cè)的垂直壓力大于外側(cè)的垂直壓力結(jié)論是一致的，反映了淺埋偏壓雙線隧道中夾巖柱側(cè)圍巖受到了較大的擾動(dòng)。鋼拱架各測點(diǎn)應(yīng)力在約 20 d后基本不再變化。

圖9 右洞選取斷面鋼拱架各測點(diǎn)應(yīng)力時(shí)程曲線

圖10 右洞選取斷面兩層支護(hù)間壓力時(shí)程曲線

圖10為右洞進(jìn)口段某選取斷面兩層支護(hù)間壓力時(shí)程曲線。由圖10可知，隧道拱頂處兩層支護(hù)間壓力最大，主要是因?yàn)樽蠖礊楸馄酱髷嗝嫠淼?。?nèi)側(cè)拱腰和拱腳兩層支護(hù)間壓力均大于外側(cè)對應(yīng)部位，說明支護(hù)結(jié)構(gòu)在中夾巖柱側(cè)提供了較大的支護(hù)抗力，也反映了中夾巖柱受到了較大的擾動(dòng)。拱頂和內(nèi)外拱腰兩層支護(hù)間壓力在監(jiān)測初期兩天內(nèi)呈現(xiàn)急劇增大而后又急劇減小的變化趨勢，應(yīng)是拆模所致。右線拱頂處兩層支護(hù)間壓力穩(wěn)定后為236.14 kpa，與前文圍巖壓力理論計(jì)算結(jié)果(埋深為10 m，凈距為30 m，偏壓角度為10°時(shí)，右線垂直壓力為234.04～238.79 kpa)基本一致，驗(yàn)證了理論分析結(jié)果的正確性和合理性。

5 結(jié)束語

(1)隨著隧道埋深的減小，內(nèi)側(cè)側(cè)壓力系數(shù)逐漸減小，外側(cè)側(cè)壓力系數(shù)不變，內(nèi)外側(cè)側(cè)壓力系數(shù)差別逐漸增大，偏壓現(xiàn)象越顯著。垂直壓力隨埋深的增大呈線性增大，兩洞內(nèi)側(cè)垂直壓力均大于外側(cè)垂直壓力，內(nèi)側(cè)拱頂承受更大的圍巖壓力。

(2)隨著凈距的增大，左、右洞內(nèi)側(cè)垂直壓力逐漸減小，內(nèi)側(cè)側(cè)壓力系數(shù)逐漸增大，而變化速率逐漸減小并趨于穩(wěn)定，兩洞之間的相互影響逐漸減小。

(3)隨著偏壓角度的增大，各洞淺埋側(cè)側(cè)壓力系數(shù)逐漸減小，深埋側(cè)側(cè)壓力系數(shù)逐漸增大，中夾巖柱兩側(cè)側(cè)壓力和垂直壓力差別逐漸增大，偏壓現(xiàn)象越顯著。

(4)結(jié)合鋼拱架應(yīng)力和兩層支護(hù)間壓力的現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析了隧道施工過程中圍巖和結(jié)構(gòu)力學(xué)特征，驗(yàn)證了理論分析結(jié)果的正確性。

本文淺埋偏壓雙線隧道圍巖壓力理論計(jì)算主要是從極限平衡角度出發(fā)的，并未考慮到諸如隧道施工方法，輔助施工措施，支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度和架設(shè)時(shí)間及其與圍巖的接觸狀態(tài)等因素對圍巖壓力的影響，故存在一定的局限性，仍需進(jìn)一步發(fā)展完善，以期獲得綜合考慮多種因素的淺埋偏壓雙線隧道圍巖壓力分布特征。