硬塑粉質(zhì)黏土層深埋馬蹄形隧道開挖土拱演化分析

劉金慧 屈克軍 丁萬濤 王楊

摘要：硬塑狀粉質(zhì)黏土地層深埋馬蹄形隧道開挖易出現(xiàn)土拱效應(yīng)。以改進(jìn)的太沙基圍巖壓力理論為基礎(chǔ)，對上述馬蹄形隧道開展了數(shù)值計算和現(xiàn)場監(jiān)測試驗，分析隧道開挖全過程中圍巖豎向應(yīng)力重分布及地層沉降變化情況，得出壓力拱的形成及演化規(guī)律，并分析圍巖力學(xué)參數(shù)大小變化對壓力拱形態(tài)的影響。研究結(jié)果表明：壓力拱內(nèi)圍巖應(yīng)力及地層沉降變化顯著，可作為壓力拱高度和形狀的判斷依據(jù);壓力拱的形成與發(fā)展主要集中在掌子面前后約1倍隧道洞徑的距離，它主要分布在隧道上方90°的區(qū)域;壓力拱高度隨圍巖黏聚力及內(nèi)摩擦角的增大呈明顯的減小趨勢，但寬度對圍巖力學(xué)參數(shù)變化不敏感。研究成果為確定硬塑狀粉質(zhì)黏土地層深埋馬蹄形隧道的超前支護(hù)參數(shù)提供了參考，對指導(dǎo)隧道施工具有重要意義。

關(guān) 鍵 詞：馬蹄形隧道; 土拱效應(yīng); 硬塑狀粉質(zhì)黏土地層; 豎向應(yīng)力

中圖法分類號： U459.3 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.01.029

0 引 言

隧道開挖后，圍巖初始應(yīng)力場發(fā)生改變，圍巖自我調(diào)節(jié)形成新的二次應(yīng)力場[1]。圍巖應(yīng)力重分布過程中，如果應(yīng)力超過圍巖強度，隧道周邊圍巖將首先發(fā)生破壞，并逐步向圍巖深部發(fā)展，直至達(dá)到新的應(yīng)力平衡，此時圍巖產(chǎn)生一定的松動范圍，稱其為松動區(qū)[2]。由于圍巖顆粒間存在黏結(jié)力和摩阻力，隧道開挖后圍巖產(chǎn)生不均勻位移，松動區(qū)圍巖將壓力傳遞給相鄰不動部分巖體，這種荷載傳遞作用稱為土拱效應(yīng)[3-4]，土拱效應(yīng)的存在有效地提高了隧道整體穩(wěn)定性[5]。

近年來大量工程與試驗表明，隧道圍巖破壞是一漸進(jìn)性過程，圍巖中土拱的形成和發(fā)展與圍巖失穩(wěn)密切關(guān)聯(lián)，因此，國內(nèi)外眾多學(xué)者開展了土拱效應(yīng)對隧道圍巖的穩(wěn)定性影響研究。呂璽琳等[6]通過開展3組飽和圓礫地層盾構(gòu)隧道開挖面穩(wěn)定性物理模型試驗，發(fā)現(xiàn)當(dāng)覆蓋層達(dá)到一定厚度時，大尺寸圓礫間鎖固形成土拱。代仲海等[7]發(fā)現(xiàn)盾構(gòu)穿越緊鄰隧道時，當(dāng)盾構(gòu)開挖面穩(wěn)定后不同地層中掘進(jìn)產(chǎn)生的土拱效應(yīng)會減小所需的開挖支護(hù)力。劉克奇等[8]基于滑移線理論和極限分析上限定理，利用空間離散技術(shù)提出了一種考慮土拱效應(yīng)的盾構(gòu)施工掌子面三維滑移破裂模型，該模型的掌子面破壞區(qū)域形態(tài)更加接近離心試驗結(jié)果與數(shù)值計算結(jié)果。白維仕等[9]基于滑移線網(wǎng)絡(luò)法對黃土隧道坍塌拱及其承載力進(jìn)行了分析，認(rèn)為黃土的內(nèi)摩擦角和黏聚力對黃土隧洞圍巖坍塌范圍及土拱極限承載力影響不同。陳強等[10]針對目前對土體中土拱形態(tài)假設(shè)眾多、土拱形態(tài)的演變研究的不足，利用室內(nèi)模型裝置對土拱的形態(tài)和演變規(guī)律進(jìn)行了試驗研究。徐超等[11]利用模型試驗研究了不同加載條件對土拱效應(yīng)的影響。徐長節(jié)等[12]考慮松動區(qū)內(nèi)部主應(yīng)力軸偏轉(zhuǎn)對松動區(qū)土體應(yīng)力均勻分布的影響，對傳統(tǒng)的土拱效應(yīng)理論進(jìn)行了修正。李瑞林等[13]針對現(xiàn)有理論較少關(guān)注非極限狀態(tài)的土壓力計算的問題，建立了考慮土拱效應(yīng)的滑移面間非極限狀態(tài)土壓力計算模型。婁培杰等[14]考慮土拱效應(yīng)，通過薄層微分層析法，給出了淺埋隧道的松動土壓力計算公式。白廷輝等[15]研究了軟土深部盾構(gòu)開挖地層損失率對軟土土拱效應(yīng)的影響。陳其志等[16]通過設(shè)計室內(nèi)擋板下落模型試驗裝置，研究了砂土中松動土壓力及松動區(qū)位移破壞形式。陳強等[17]通過室內(nèi)平面應(yīng)變條件下的模型裝置實現(xiàn)土拱形態(tài)的可視化，探究了砂性土中土拱演變階段及影響因素。徐東等[18]通過土工離心模擬試驗，探討了上海黏土的成拱能力。路德春等[19]利用二次開發(fā)后的ABAQUS對隧道開挖過程進(jìn)行了三維有限元分析，從不均勻變形、應(yīng)力重分配、應(yīng)力路徑和地表沉降規(guī)律4個方面研究了由重力引起的大主應(yīng)力改變產(chǎn)生的土壓力拱效應(yīng)。崔蓬勃等[20]基于主應(yīng)力偏轉(zhuǎn)理論，推導(dǎo)出不同土拱效應(yīng)發(fā)揮程度下松動土壓力及盾構(gòu)極限支護(hù)力的計算公式。Terzaghi[21]通過活動門試驗證實了巖土力學(xué)領(lǐng)域土壓力拱效應(yīng)的存在，認(rèn)為土壓力拱效應(yīng)是由于土體的不均勻位移引起的，土壓力拱的形成改變了土體中荷載的傳遞路徑，引起應(yīng)力重分布，并把作用于拱上的荷載傳遞到拱腳及周圍巖土介質(zhì)中去。Nakai等[22]利用離心機(jī)模型試驗研究了土壓力拱效應(yīng)，利用數(shù)值方法分析了襯砌結(jié)構(gòu)上圍巖壓力的分布規(guī)律。Lee等[23]通過離心模型試驗和數(shù)值方法，研究了軟黏土中開挖隧道時的土拱效應(yīng)與隧道的穩(wěn)定性。喻波等[24]通過數(shù)值方法，分析了隧道開挖圍巖土壓力拱的形成過程，并以隧道洞頂上部圍巖能否形成穩(wěn)定的壓力拱作為隧道深、淺埋的劃分標(biāo)準(zhǔn)。鄭穎人等[25]以等效塑性剪應(yīng)變作為失效準(zhǔn)則，通過模型試驗與數(shù)值模擬方法，研究了隧道圍巖的破壞模式和深埋、淺埋的劃分標(biāo)準(zhǔn)。Chappell[26]認(rèn)為隧道開挖會導(dǎo)致圍巖變形和應(yīng)力重分布，其所產(chǎn)生的土拱可以對隧道圍巖起到穩(wěn)定作用。Lin[27]借助數(shù)值模擬手段通過分析隧道開挖過程中的土體應(yīng)力重分布規(guī)律，進(jìn)而研究隧道土拱演變規(guī)律。孫瀟昊等[28]通過模型試驗與顆粒流程序（PFC2D）研究了不同埋深下隧道土拱效應(yīng)的差異。

目前尚無能夠直接觀測土拱厚度與形狀的試驗手段，數(shù)值模擬仍是研究土拱效應(yīng)最主要的方法[3]。通過數(shù)值模擬方法建立三維隧道開挖模型，結(jié)合圍巖應(yīng)力和變形特征，對土拱效應(yīng)加以分析。本文選用適合模擬非線性巖土工程問題有限差分軟件FLAC3D[30]，對隧道開挖過程中的土拱效應(yīng)進(jìn)行分析。

2.1 斷面選取

以哈爾濱地鐵采用礦山法施工的標(biāo)準(zhǔn)斷面隧道為研究對象。隧道所處地層為硬塑狀粉質(zhì)黏土，圍巖等級為V級，斷面由五心圓構(gòu)成，如圖3所示。

3.2 模型建立

模型長為48 m，寬為70 m，隧道底部至模型邊界的距離為30.53 m，埋深取22.73 m。隧道的尺寸按照圖3中隧道外輪廓進(jìn)行選取，模型底部為固定端，前后及左右邊界施加水平方向約束，上邊界為自由面，如圖4所示。Z軸為掘進(jìn)方向，臺階長度L=40 m，頂頭開挖斷面面積39.73 m2，臺階開挖斷面面積31.36 m2。

選用實體單元模擬圍巖，服從Mohr-Column準(zhǔn)則[31]。實際工程中采用格柵鋼拱架+噴射混凝土方式進(jìn)行初期支護(hù)：格柵間距為0.8 m，主筋直徑為22 mm;噴射混凝土為C25早強混凝土，厚度250 mm，選用梁單元模擬格柵，實體單元模擬噴射混凝土，初期支護(hù)服從彈性準(zhǔn)則。假定圍巖均質(zhì)和各向同性，在數(shù)值模擬過程中，不考慮巖體蠕變及地下水影響。圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)如表1，2所列。

在模擬過程中，在模型中部Z=24 m處設(shè)置監(jiān)測斷面（見圖5），通過掌子面與監(jiān)測斷面相對距離的變化來反映隧道開挖的時空效應(yīng)，達(dá)到研究土拱效應(yīng)演化規(guī)律的目的。圖中L為掌子面距監(jiān)測斷面的相對位置（Z軸正方向為隧道開挖方向，L為負(fù)值表示掌子面在監(jiān)測斷面后方，L為正值表示掌子面在監(jiān)測斷面前方）。

隧道開挖采用上下臺階法預(yù)留核心土方式循環(huán)開挖，臺階長度為4 m，每次開挖步長為0.8 m，選取10個相對位置進(jìn)行分析，所對應(yīng)的L分別為-23.2，-16.0，-6.4，-3.2，-1.6，0，3.2，6.4，12.0，16.0 m。為提取圍巖豎向應(yīng)力和地層沉降，在隧道上部選取5條路徑（見圖6）。

3 地鐵隧道土拱效應(yīng)演化規(guī)律分析

隧道開挖過程中，隨著掌子面與監(jiān)測斷面距離的變化，監(jiān)測斷面上圍巖應(yīng)力及地層沉降發(fā)生相應(yīng)改變，對應(yīng)的土拱分布范圍及形態(tài)也不盡相同。拱形區(qū)域的內(nèi)外邊界通過開挖斷面中心線上的主應(yīng)力-深度關(guān)系曲線的拐點確定。

3.1 圍巖豎向應(yīng)力變化規(guī)律

隧道上方P1路徑上圍巖豎向應(yīng)力在隧道開挖過程中的變化情況如圖7所示。圍巖壓應(yīng)力為正。

（1） 當(dāng)L=-23.2～-12.0 m時，圍巖豎向應(yīng)力由地表至隧道外輪廓呈現(xiàn)線性增加趨勢，大小與圍巖初始應(yīng)力基本相同。表明掌子面與監(jiān)測斷面距離大于2倍隧道跨度時，隧道開挖不會造成監(jiān)測斷面處應(yīng)力重分布;掌子面附近土體未擾動。

（2） 當(dāng)L=-6.4 m時，豎向應(yīng)力曲線在隧道拱頂上方約2 m處出現(xiàn)拐點，豎向應(yīng)力出現(xiàn)最大值，表明掌子面距離監(jiān)測斷面約1倍隧道跨度時，隧道開挖引起監(jiān)測斷面處圍巖應(yīng)力重分布，土拱效應(yīng)出現(xiàn)，土拱開始形成;曲線開始變?yōu)榉蔷€性但不顯著，表明土拱剛開始發(fā)育。

（3） 當(dāng)L=-3.2～0 m時，豎向應(yīng)力變化由地表向下呈明顯的先增大后減小趨勢，豎向應(yīng)力最大值逐漸減小，豎向應(yīng)力最大值點出現(xiàn)的高度逐漸增加，表明掌子面距離監(jiān)測斷面1倍隧道跨度以內(nèi)時，土拱效應(yīng)對監(jiān)測斷面有顯著的影響，土拱高度增加;曲線呈明顯的非線性，達(dá)到一定深度后應(yīng)力減小，曲線中帶有標(biāo)記的拐點變得明顯

（4） 當(dāng)L=0～6.4 m時，掌子面通過監(jiān)測斷面，豎向應(yīng)力大幅減小，土拱高度迅速增加，此階段土拱發(fā)展最為迅速。因為掌子面完全暴露，同時支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計剛度尚未完全形成，壁后空隙尚未完全填充。當(dāng)掌子面與監(jiān)測斷面距離大于6.4 m后，豎向應(yīng)力基本不再變化，土拱穩(wěn)定。穩(wěn)定后的豎向應(yīng)力曲線形態(tài)與Terzaghi試驗實測曲線odf（見圖1）一致，驗證了數(shù)值模擬分析土拱效應(yīng)的合理性。

（5） 當(dāng)遠(yuǎn)離開挖面約2倍隧道跨度時，從主應(yīng)力-深度關(guān)系曲線發(fā)現(xiàn)工作面距離監(jiān)測站較遠(yuǎn)，監(jiān)測斷面土體基本未出現(xiàn)擾動，該開挖階段可能相當(dāng)于太沙基模擬條件下的平面應(yīng)變。對比分析隧道開挖全過程中圍巖豎向應(yīng)力曲線的變化規(guī)律可以發(fā)現(xiàn)，土拱的形成與發(fā)展主要集中在掌子面前后1倍隧道跨度范圍。

提取土拱穩(wěn)定后監(jiān)測斷面上P1～P55條路徑上圍巖豎向應(yīng)力曲線（見圖8）。P1～P4四條路徑上圍巖應(yīng)力曲線變化規(guī)律基本一致，應(yīng)力曲線均存在拐點，拐點所對應(yīng)的高度即為該路徑上土拱區(qū)域的上邊界，P5路徑上圍巖豎向應(yīng)力線性增加，與圍巖初始應(yīng)力變化趨勢相同，表明土拱效應(yīng)在隧道橫斷面上未發(fā)展到此區(qū)域。將豎向應(yīng)力曲線拐點所對應(yīng)的位置相連即可得到隧道上方土拱的形態(tài)，如圖9所示。

3.2 地層沉降變化規(guī)律

在路徑P1上選取1～4號測點，如圖6所示，與拱頂?shù)木嚯x分別為0，2，8，14 m，隧道開挖過程中4個測點沉降值與距掌子面距離關(guān)系如圖10所示。

結(jié)合圖16及式（12）可知：當(dāng)內(nèi)摩擦角在23°～35°范圍內(nèi)變化時，土拱高度隨內(nèi)摩擦角增大線性降低。同樣地，提取不同黏聚力與內(nèi)摩擦角組合下路徑P1～P5上的圍巖豎向應(yīng)力可得出土拱形態(tài)。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，對該粉質(zhì)硬塑狀粉質(zhì)黏土來說，在不同組合下土拱變化主要體現(xiàn)在高度上，寬度保持基本不變，土拱主要集中在隧道拱頂90°范圍。綜合分析可知，土拱形態(tài)與圍巖參數(shù)存在密切聯(lián)系，圍巖性質(zhì)的好壞對土拱的高度有著顯著的影響。實際工程中應(yīng)當(dāng)結(jié)合圍巖性質(zhì)，針對土拱做出前期預(yù)判。對于圍巖狀況不理想的工況可以采取注漿改良等措施，提高圍巖c、φ值以充分發(fā)揮利用土拱效應(yīng)的作用。

6 結(jié) 論

（1） 對于深埋軟弱圍巖隧道而言，隧道開挖后隧道上方形成土拱。土拱內(nèi)圍巖應(yīng)力及地層沉降變化顯著，可根據(jù)隧道開挖后隧道上方豎向應(yīng)力和地層沉降變化曲線對土拱的高度和形狀加以判斷。

（2） 土拱的形成是一個隨隧道開挖逐漸形成的過程，在掌子面前后約1倍隧道跨度范圍內(nèi)土拱效應(yīng)發(fā)展最為顯著。對本文的硬塑狀粉質(zhì)黏土地層來說，土拱的范圍主要集中在隧道上方90°左右范圍，施工應(yīng)重點對此區(qū)域圍巖變形加以關(guān)注防范。

（3） 綜合分析現(xiàn)場監(jiān)測與數(shù)值計算數(shù)據(jù)可知，土拱效應(yīng)的存在可以顯著減小支護(hù)結(jié)構(gòu)受力，同時二者數(shù)據(jù)的差異較小也驗證了數(shù)值計算數(shù)據(jù)的可靠性。

（4） 圍巖的力學(xué)參數(shù)對土拱的形態(tài)存在較為明顯的影響，隨著圍巖黏聚力和內(nèi)摩擦角的增大，土拱高度呈現(xiàn)較為明顯的減小趨勢;土拱寬度保持基本不變。

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（編輯：鄭 毅）