近鄰雙孔隧道圍巖聯(lián)合壓力拱試驗(yàn)與數(shù)值分析

晏 莉，呂超慧，喻少華，文 勝，楊海濤

（1.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410114；2.中國(guó)交通建設(shè)股份有限公司總承包經(jīng)營(yíng)分公司，北京 100088）

對(duì)于雙線隧道而言，受地形條件和路線制約，隧道間距往往很小，由于兩隧道施工的相互影響，增大了隧道開(kāi)挖對(duì)圍巖的擾動(dòng)和施工風(fēng)險(xiǎn).壓力拱是隧道開(kāi)挖后，內(nèi)部圍巖因抵抗開(kāi)挖導(dǎo)致的不均勻變形，通過(guò)應(yīng)力重分布等自我調(diào)整的方式在隧道周圍形成一種類似拱結(jié)構(gòu)的圍巖保護(hù)圈現(xiàn)象［1-3］.壓力拱可以使荷載傳遞路線發(fā)生偏移，是圍巖自穩(wěn)能力的表現(xiàn)［4-6］.

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)隧道圍巖壓力拱進(jìn)行了許多研究，從成拱機(jī)理、拱體范圍到動(dòng)態(tài)演變機(jī)制都進(jìn)行了深入分析，但對(duì)雙線甚至多線隧道圍巖壓力拱相關(guān)研究較少，主要進(jìn)展為：夏才初等［7］通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，雙孔隧道開(kāi)挖會(huì)加劇對(duì)圍巖的擾動(dòng)，不利于壓力拱形成.劉繼國(guó)等［8］考慮到中夾巖柱的加固，認(rèn)為加固后其承載力變高，可有效減小壓力拱形成范圍，只形成單側(cè)洞壓力拱；中夾巖層加固不合理時(shí)，左右洞室最終會(huì)形成一個(gè)大壓力拱.汪成兵［9］基于離散元軟件對(duì)雙孔隧道開(kāi)挖進(jìn)行模擬，得出隧道凈距不同，圍巖的破壞模式不同的結(jié)論.王帥等［10］利用地表沉降的宏觀表現(xiàn)對(duì)雙孔隧道的遠(yuǎn)近間距進(jìn)行界定分析，認(rèn)為遠(yuǎn)距離雙孔隧道不能形成一個(gè)整體的壓力拱；當(dāng)?shù)乇沓两登€呈W 型或V 型時(shí)，雙孔隧道上方能夠形成完整的壓力拱，沉降曲線的形態(tài)由下方壓力拱的形態(tài)所決定.秦樂(lè)堯等［11］結(jié)合巷道覆巖活動(dòng)的壓力拱理論，提出了近距離巷道群覆巖活動(dòng)的“擴(kuò)大壓力拱”理論；當(dāng)巷道間距與跨度之比過(guò)小時(shí)，巷道會(huì)發(fā)生失穩(wěn)破壞并將上部荷載向臨近煤柱轉(zhuǎn)移，當(dāng)破壞連續(xù)時(shí)，整個(gè)近距離巷道群會(huì)發(fā)生連鎖破壞形成擴(kuò)大壓力拱現(xiàn)象.李奎［12］基于數(shù)值模擬分析得到淺埋雙孔隧道上覆圍巖中僅存在拱形梁結(jié)構(gòu)；對(duì)于深埋雙孔隧道而言，上覆圍巖內(nèi)可同時(shí)存在壓力拱和拱形梁結(jié)構(gòu)，拱形梁結(jié)構(gòu)分布在壓力拱上方；在隧道間距減小的過(guò)程中，先出現(xiàn)拱形梁結(jié)構(gòu)，隧道間距進(jìn)一步減小時(shí)，壓力拱才會(huì)形成.李然［13］利用數(shù)值模擬手段，得到了深埋三孔小凈距隧道壓力拱的漸進(jìn)性演化規(guī)律，三孔隧道不僅各自獨(dú)立成拱，還因互相擾動(dòng)出現(xiàn)獨(dú)立拱交錯(cuò)現(xiàn)象，甚至進(jìn)一步形成聯(lián)合壓力拱.

通過(guò)上述研究可知，學(xué)者們認(rèn)為由于雙孔平行隧道之間間距不同，在施工過(guò)程中也會(huì)反映出不同的變形和失穩(wěn)特征.當(dāng)雙孔隧道距離很近時(shí)，在隧道上方會(huì)形成一個(gè)大跨度的聯(lián)合壓力拱，但是對(duì)聯(lián)合壓力拱的成拱機(jī)理、具體形態(tài)及其受各種因素的影響變化特征認(rèn)識(shí)還不夠深入，仍有待研究.目前對(duì)隧道圍巖聯(lián)合壓力拱的研究主要借助數(shù)值模擬手段，不能很好地反映出隧道變形破壞的全過(guò)程；而單一的模型試驗(yàn)甚少能對(duì)雙線隧道圍巖聯(lián)合壓力拱的形成及動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行系統(tǒng)地研究.故本文采用模型試驗(yàn)與離散元模擬的方法，研究近鄰雙孔隧道圍巖聯(lián)合壓力拱效應(yīng)，分析了隧道間距、隧道埋深等因素對(duì)聯(lián)合壓力拱變化的影響，并對(duì)圍巖變形破壞過(guò)程中圍巖應(yīng)力及地表位移的變化規(guī)律進(jìn)行分析，以期為近鄰雙孔隧道的支護(hù)設(shè)計(jì)及施工提供借鑒.

1 模型試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)條件

為了了解雙孔并行隧道近距離施工產(chǎn)生的聯(lián)合壓力拱效應(yīng)，先進(jìn)行室內(nèi)縮尺模型試驗(yàn).考慮IV 級(jí)圍巖條件，參照文獻(xiàn)［14］對(duì)圍巖的物理力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行取值，再將其按相似比進(jìn)行換算后可得模型試驗(yàn)相似材料的物理力學(xué)參數(shù).試驗(yàn)采用的幾何相似比為50，容重相似比為1.根據(jù)相似理論，泊松比、應(yīng)變、內(nèi)摩擦角相似比為1，位移、應(yīng)力、黏聚力、彈性模量相似比為50.

經(jīng)反復(fù)對(duì)比試驗(yàn)，選用清潔河砂、重晶石粉和洗潔精配比為80∶25∶7 的混合物作為圍巖相似材料.模型及原型的物理力學(xué)參數(shù)如表1 所示.

表1 Ⅳ級(jí)圍巖模型與原型物理力學(xué)參數(shù)Tab.1 Physical and mechanical parameters of class Ⅳsurrounding rock model and prototype

試驗(yàn)設(shè)計(jì)并制作了雙孔隧道開(kāi)挖模型箱.為方便觀察，模型箱整身采用材料為3.0 cm 厚的透明有機(jī)玻璃拼接而成.模型箱整體尺寸為長(zhǎng)×寬×高=126 cm×46 cm×106 cm.考慮隧道為圓形斷面，參考大部分盾構(gòu)隧道直徑為6 m，根據(jù)幾何相似比取圓形斷面的直徑為12 cm.

試驗(yàn)過(guò)程中，將攪拌均勻的相似材料按照落雨法分層填入模型箱內(nèi)，并用砝碼壓實(shí)，裝料期間通過(guò)控制加入模型箱中相似材料的質(zhì)量來(lái)確定相似材料的重度.隧道開(kāi)挖采用洛陽(yáng)鏟和土工刀等工具配合開(kāi)挖，開(kāi)挖過(guò)程采用先貫穿后擴(kuò)挖的方式，先利用洛陽(yáng)鏟開(kāi)挖至隧道貫穿，然后采用土工刀對(duì)隧道進(jìn)行修整至開(kāi)挖完成.為與現(xiàn)實(shí)情況相符，雙洞開(kāi)挖時(shí)采取先后開(kāi)挖的方式，試驗(yàn)首先進(jìn)行左洞的開(kāi)挖，待左洞圍巖塌方或塌落拱不再繼續(xù)發(fā)展時(shí)，開(kāi)挖右洞，繼續(xù)觀測(cè).試驗(yàn)的主要監(jiān)測(cè)內(nèi)容為隧道開(kāi)挖圍巖內(nèi)部應(yīng)力變化情況、地表沉降情況以及圍巖變形破壞過(guò)程.應(yīng)力量測(cè)采用量程為50 kPa 的微型土壓力盒，位移量測(cè)采用鋼尺和游標(biāo)卡尺記錄.圍巖應(yīng)力測(cè)點(diǎn)和地表沉降測(cè)點(diǎn)布置（以D/R=0.75 工況為例，D表示隧道間距，R表示隧道直徑）如圖1 所示，圖1 中T1～T5 為豎直應(yīng)力測(cè)點(diǎn)，T6～T20 為水平應(yīng)力測(cè)點(diǎn)，①～⑨為地表沉降測(cè)點(diǎn).試驗(yàn)過(guò)程中隧道圍巖的變形破壞過(guò)程采用高清攝像機(jī)和照相機(jī)觀測(cè)記錄.

圖1 測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.1 Arrangement of measuring points

1.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

文獻(xiàn)［9］通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)雙孔隧道的埋深H＞20 m 時(shí)，隧道能夠形成圍巖聯(lián)合壓力拱.根據(jù)控制單因素變量法，本試驗(yàn)考慮不同間徑比以及不同埋深共8 種工況，具體試驗(yàn)各工況的基本條件見(jiàn)表2.

表2 模型試驗(yàn)工況Tab.2 Model test conditions

1.2.1 圍巖塌方模式

當(dāng)雙孔隧道埋深一定時(shí)，采用不同的間徑比，隧道開(kāi)挖后會(huì)呈現(xiàn)不同的塌方模式.通過(guò)對(duì)8 種工況進(jìn)行開(kāi)挖模擬可知：工況1～工況3 雙孔隧道開(kāi)挖后最終會(huì)形成聯(lián)合塌落拱，聯(lián)合塌落拱最終高度取塌落拱最頂端至隧道頂部的垂直距離，該3 種工況下雙孔隧道形成聯(lián)合塌落拱情況如圖2（a）～（c）所示；工況4～工況6 雙孔隧道開(kāi)挖后最終會(huì)形成塌穿型塌方，以工況4 為例，如圖2（d）所示；工況7～工況8 試驗(yàn)結(jié)果如圖2（e）與圖2（f）所示.試驗(yàn)結(jié)果的差異性主要?dú)w結(jié)于間徑比與埋深，當(dāng)間徑比較小D/R＜1.0 時(shí)，兩隧道圍巖上方會(huì)形成聯(lián)合壓力拱，隧道圍巖可充分發(fā)揮自承載能力保證其穩(wěn)定性；間徑比稍大D/R＞1.0 時(shí)，隧道產(chǎn)生的壓力拱范圍會(huì)隨塌落拱的增加而增大，當(dāng)壓力拱拱體厚度達(dá)到極限而塌方仍未穩(wěn)定，此時(shí)將形成塌穿型塌方［5］；間徑比更大D/R＞2.0 時(shí)，此時(shí)隧道間相互影響很小可按照單洞隧道考慮［15］.

圖2 各工況最終破壞形態(tài)Fig.2 Final failure mode of each working condition

1.2.2 圍巖變形破壞過(guò)程

為進(jìn)一步研究雙孔隧道開(kāi)挖圍巖聯(lián)合壓力拱產(chǎn)生的機(jī)理，針對(duì)工況3 下圍巖位移與應(yīng)力變化情況進(jìn)行研究.

雙孔隧道先后開(kāi)挖，圍巖破壞過(guò)程如圖3 所示.由圖3 可知，左洞開(kāi)挖后，隧道拱頂處圍巖變形較為明顯，隧道頂部向下發(fā)生局部塌落，進(jìn)而導(dǎo)致上方圍巖松動(dòng)，塌落的范圍逐漸變大，上方松動(dòng)圍巖呈小塊掉落并最終形成穩(wěn)定的塌落拱.右洞開(kāi)挖后，也出現(xiàn)類似的圍巖漸進(jìn)性破壞過(guò)程，且左洞在右洞開(kāi)挖及破壞的過(guò)程中，拱頂?shù)魤K持續(xù)進(jìn)行.當(dāng)左右洞圍巖塌方高度接近后，會(huì)共同發(fā)生變形破壞，塌方區(qū)域轉(zhuǎn)移至兩隧道中隔巖體拱腰至各自拱頂處，中隔巖體厚度隨著塌方發(fā)展逐漸變薄，并在兩隧道中心對(duì)稱軸處水平位置最先橫向貫穿破壞，隨后隧道上方圍巖坍塌形成聯(lián)合塌落拱，坍塌過(guò)程在一瞬間完成.聯(lián)合塌落拱形成后，圍巖繼續(xù)變形破壞，在聯(lián)合塌落拱拱頂右上區(qū)域出現(xiàn)貫穿裂縫并呈塊狀塌方，聯(lián)合塌落拱塌方高度逐漸增加，塌方過(guò)程持續(xù)一段時(shí)間后圍巖逐漸趨于穩(wěn)定，聯(lián)合塌落拱最終高度取塌落拱最頂端至隧道頂部的垂直距離為13.8 cm.因此，隧道開(kāi)挖后應(yīng)及時(shí)施作支護(hù)，防止圍巖的漸進(jìn)性變形導(dǎo)致隧道周圍松動(dòng)區(qū)的連通帶來(lái)的大面積破壞.

圖3 工況3 隧道開(kāi)挖圍巖破壞過(guò)程Fig.3 Condition 3:failure process of surrounding rock during tunnel excavation

1.2.3 圍巖應(yīng)力變化規(guī)律

通過(guò)試驗(yàn)中埋設(shè)的土壓力盒，得到工況3 隧道開(kāi)挖后圍巖中各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力變化如圖4 所示.采用數(shù)據(jù)采集儀和電腦記錄開(kāi)挖過(guò)程中土壓力盒的變化情況，試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集頻率為5 s.取左洞開(kāi)挖至雙孔隧道形成聯(lián)合塌落拱直至穩(wěn)定期間的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析.圖4 中虛線A 表示左洞開(kāi)挖完成，虛線B 表示右洞開(kāi)挖完成，虛線C 表示聯(lián)合塌落拱形成.

由圖4 可知：左右洞分別開(kāi)挖后，拱腰處T5、T6測(cè)點(diǎn)及拱頂處T12、T16～T18 測(cè)點(diǎn)在整個(gè)圍巖變形破壞過(guò)程中均為負(fù)值受拉，說(shuō)明圍巖發(fā)生應(yīng)力重分布后形成松動(dòng)圈，松動(dòng)圈范圍內(nèi)的測(cè)點(diǎn)應(yīng)力均減小.左洞拱腰其他測(cè)點(diǎn)豎向應(yīng)力均增大，是由于該范圍形成塑性破壞圈，圍巖自身承受荷載增大，荷載傳遞路線發(fā)生變化，對(duì)應(yīng)水平應(yīng)力會(huì)些許減小.同樣，處于塑性破壞圈內(nèi)的T6 測(cè)點(diǎn)水平應(yīng)力負(fù)值增大，T7測(cè)點(diǎn)水平應(yīng)力減小，而右洞拱腰稍遠(yuǎn)處的T8～T10測(cè)點(diǎn)水平應(yīng)力增大，是因?yàn)樘幱谒苄云茐娜ν猓覝y(cè)點(diǎn)越近，應(yīng)力調(diào)整越快，變化幅度越大.

圖4 圍巖應(yīng)力變化圖Fig.4 Stress variation diagram of surrounding rock

圍巖形成聯(lián)合塌落拱后，拱腰處測(cè)點(diǎn)豎向應(yīng)力及水平應(yīng)力均減小，T6、T7 測(cè)點(diǎn)負(fù)值增大.拱頂處T16 測(cè)點(diǎn)水平應(yīng)力負(fù)值減小，稍遠(yuǎn)處的T14、T20 測(cè)點(diǎn)水平應(yīng)力急劇增大，其他測(cè)點(diǎn)均減小.可以看出壓力拱在此階段明顯向上發(fā)展.聯(lián)合塌落拱穩(wěn)定后，隧道附近應(yīng)力再次調(diào)整，右洞拱腰及對(duì)稱軸上水平應(yīng)力進(jìn)一步減小后保持穩(wěn)定，左洞拱頂T14、T15測(cè)點(diǎn)水平應(yīng)力增加，其他測(cè)點(diǎn)保持不變.

通過(guò)上述分析可知，拱頂水平應(yīng)力變化情況隨圍巖漸進(jìn)性破壞向圍巖內(nèi)部移動(dòng)的現(xiàn)象較為明顯，隧道漸進(jìn)性破壞時(shí)，當(dāng)測(cè)點(diǎn)在塌方影響范圍內(nèi)時(shí)，測(cè)點(diǎn)水平應(yīng)力急劇減小，而塌方影響范圍外測(cè)點(diǎn)水平應(yīng)力增大.當(dāng)圍巖破壞范圍持續(xù)向上發(fā)展時(shí)，之前不在塌方范圍內(nèi)的測(cè)點(diǎn)則會(huì)出現(xiàn)在塌方影響范圍內(nèi)，其水平應(yīng)力會(huì)急劇減小，說(shuō)明在圍巖漸進(jìn)性塌方破壞過(guò)程中，雙洞聯(lián)合壓力拱也會(huì)漸進(jìn)性地向上發(fā)展.

1.2.4 地表沉降分析

以工況1～工況3 為例，試驗(yàn)得到的地表最大沉降值與間徑比關(guān)系圖見(jiàn)圖5（a）.可知在相同圍巖及埋深條件下，近鄰雙孔隧道開(kāi)挖導(dǎo)致的地表沉降值隨間徑比的增大而增大，說(shuō)明雖然雙洞距離近，施工相互擾動(dòng)大，但聯(lián)合壓力拱的形成有利于減少地表產(chǎn)生的沉降值.

圖5（b）為工況2、工況7 及工況8 的地表最終沉降圖.由圖5 可知，隧道開(kāi)挖完成后，雙孔隧道中心對(duì)稱軸處地表沉降值最大，且隨埋深的增加地表最大沉降值也相應(yīng)增大.雙孔隧道的最小凈距隨隧道埋深的增大成非線性增大趨勢(shì)［16］，因此當(dāng)雙孔隧道間徑比一定時(shí)，埋深的增加會(huì)加大雙孔隧道之間的擾動(dòng).

圖5 地表沉降圖Fig.5 Surface settlement diagram

2 離散元模擬

為了進(jìn)一步研究近鄰雙孔隧道開(kāi)挖聯(lián)合壓力拱的特性，繼續(xù)采用離散元方法進(jìn)行模擬計(jì)算.

2.1 計(jì)算模型的建立

模型尺寸與室內(nèi)模型試驗(yàn)大小一致，為126 cm×106 cm.PFC2D 軟件通過(guò)設(shè)置顆粒的細(xì)觀參數(shù)來(lái)反映材料的宏觀力學(xué)特性，計(jì)算采用平行黏結(jié)模型.試樣模擬計(jì)算結(jié)果以模型材料的物理力學(xué)參數(shù)為依據(jù)，通過(guò)反復(fù)調(diào)整，最終確定的模型基本參數(shù)及計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3.待模型平衡后，對(duì)指定隧道范圍內(nèi)的顆粒進(jìn)行刪除，來(lái)達(dá)到隧道開(kāi)挖過(guò)程的模擬.

表3 模型的基本參數(shù)及計(jì)算結(jié)果Tab.3 Parameters of model and calculated results

2.2 顆粒流模擬結(jié)果分析

由模型試驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)隧道間距D小于1.0R時(shí)，雙孔隧道開(kāi)挖后最終會(huì)形成聯(lián)合塌落拱.各工況圍巖破壞過(guò)程類似，以工況3 顆粒流模擬結(jié)果為例，顆粒流模擬圍巖破壞過(guò)程如圖6 所示，圖6 中，t為模型計(jì)算時(shí)步.

圖6 顆粒流模擬圍巖破壞過(guò)程及素描圖Fig.6 Particle flow simulation of surrounding rock failure process and sketch

由圖6 可知，隧道塌方破壞從拱頂開(kāi)始，拱頂圍巖在變形后出現(xiàn)裂縫，隨后裂縫下巖體向下塌方，當(dāng)塌方發(fā)展到一定程度時(shí)，雙孔隧道上方圍巖會(huì)形成穩(wěn)定的塌落拱.當(dāng)拱頂區(qū)域塌方趨于穩(wěn)定時(shí)，圍巖破壞區(qū)域從拱頂向拱腰處轉(zhuǎn)移，兩隧道拱腰處圍巖塌落，同時(shí)中隔巖體的厚度逐漸變薄并在水平位置貫穿連通，中隔巖體破壞后，雙孔隧道上方圍巖整體垮塌形成聯(lián)合塌落拱.穩(wěn)定后的最終狀態(tài)素描圖如圖6（h）所示，隧道塌落拱形狀為拱形，高度為13.6 cm，與室內(nèi)模型試驗(yàn)得到的塌落拱高度13.8 cm 較為一致.

將各工況下顆粒流模擬得到的聯(lián)合塌落拱高度與其對(duì)應(yīng)工況下模型試驗(yàn)聯(lián)合塌落拱高度進(jìn)行對(duì)比，如表4 所示.由表4 可知，模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果相近并表現(xiàn)出一致的規(guī)律，即在形成聯(lián)合塌落拱的工況下，隧道間距增大，聯(lián)合塌落拱的高度增大；隧道埋深增大，聯(lián)合塌落拱高度也會(huì)增大.顆粒流模擬的圍巖破壞過(guò)程與室內(nèi)模型試驗(yàn)圍巖破壞過(guò)程高度相似，在一定程度上驗(yàn)證了試驗(yàn)結(jié)果的可靠性.

表4 模型試驗(yàn)與顆粒流模擬聯(lián)合塌落拱高度Tab.4 Collapsed arch height combined with model test and particle flow simulation

3 結(jié)論

1）隧道開(kāi)挖后，雙孔隧道間距較大時(shí)（D/R=1.0～2.0），由于雙孔隧道的開(kāi)挖加大了對(duì)圍巖的擾動(dòng)，圍巖不能穩(wěn)定，最終形成塌穿型破壞.隧道間距較小時(shí)（D/R＜1.0），左右洞先后開(kāi)挖，圍巖在自重情況下發(fā)生漸進(jìn)性破壞.當(dāng)左右洞圍巖塌方高度接近后，共同發(fā)生變形破壞，塌方區(qū)域自兩隧道中隔巖體拱腰轉(zhuǎn)移至各自拱頂處，中隔巖體隨塌方發(fā)展逐漸變薄，隨后圍巖完全坍塌形成聯(lián)合塌落拱.

2）在圍巖漸進(jìn)性塌方破壞的過(guò)程中，壓力拱也漸進(jìn)性地向上發(fā)展.隧道漸進(jìn)性破壞時(shí)，在塌方影響范圍內(nèi)的拱頂水平應(yīng)力急劇減小，而塌方影響范圍外拱頂水平應(yīng)力增大.當(dāng)圍巖繼續(xù)破壞時(shí)，塌方范圍向上發(fā)展，之前不在塌范圍內(nèi)此時(shí)屬于其影響范圍內(nèi)的拱頂水平應(yīng)力會(huì)急劇減小.

3）在形成聯(lián)合塌落拱的工況下，隧道間距增大，聯(lián)合塌落拱的高度增大；隧道埋深增大，聯(lián)合塌落拱高度也會(huì)增大.