隧道圍巖穩(wěn)定性分析方法與應(yīng)用

張彥山ZHANG Yan-shan

（甘肅順達路橋建設(shè)有限公司，蘭州 730000）

0 引言

我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)已經(jīng)進入新紀元，地下工程成為了新熱點，加之我國山地居多，新建公路隧道的數(shù)量急劇增多[1-3]。國際隧道協(xié)會依據(jù)隧道的凈空斷面積將其劃分為超大斷面隧道、大斷面隧道、中等斷面隧道、小斷面隧道以及超小斷面隧道等，由于交通量等因素的緣故，我國新建高等級公路中，多車道公路隧道的占比非常高[4-5]。于上世紀九十年代修建的凱里大閣山隧道是單洞四車道特大斷面隧道，也是我國修建最早的特大斷面隧道。隨后諸如韓家?guī)X隧道、茅山隧道、雅寶隧道、龍頭山隧道、大坪車站隧道以及臨江門車站隧道等一大批斷面隧道相繼建成[6-8]。截至目前，位于濟南的老虎山隧道，是我國跨徑最大的一條單洞八車道隧道，右洞最大凈寬為20.08m?？v觀國內(nèi)外，困擾隧道建設(shè)的主要難題為：過于扁平的斷面所帶來的應(yīng)力集中問題，以及滲漏防水問題[9]。此外，大斷面及超大斷面隧道跨度較大，在拱頂位置的圍巖拉應(yīng)力相較于隧道其他位置要大很多，這將進而導致隧道兩側(cè)底角及側(cè)壁產(chǎn)生較大的壓力，由此帶來的地基穩(wěn)定性問題較為突出，較長的圍巖自穩(wěn)時間及較大的變形量，對隧道的施工帶來了較大的風險及干擾[10]。此外，對于雙洞隧道而言，其雙洞凈距也是困擾隧道穩(wěn)定性的一項重要因素。隧道圍巖穩(wěn)定性影響因素較為復雜，最主要的因素一般認為包括隧道凈距、隧道埋深、圍巖級別以及支護條件等?；谏鲜霈F(xiàn)象，對隧道圍巖，特別是大斷面及超大斷面隧道圍巖穩(wěn)定性分析的準確性將直接影響建設(shè)期間的安全性。

基于此，本文采用彈性力學理論展開對隧道圍巖穩(wěn)定性分析，旨在為提高我國隧道設(shè)計與建設(shè)期間應(yīng)對隧道穩(wěn)定性問題提供參考。

1 隧道周邊應(yīng)力應(yīng)變求解方法

簡化隧道計算面，簡化為無限大平面上存在一小孔，建立坐標系，地基的彈性模量為E，拉應(yīng)力為σ，泊松比為μ。圖中M’點為變形后的M點位置。建立極坐標系（r，θ），則任一點M在極坐標上的徑向位移為u，軸向位移為ν。由于只有在地基平面兩側(cè)存在拉應(yīng)力，則εr、εθ、γrθ等應(yīng)變分量可以按照式（1）計算得出。

式中：σr、σθ、τrθ及為應(yīng)力分量。

上述圓的邊界條件較為清晰，此時建立一個與上述圓同心的另外一個圓，但其半徑非常大，半徑為b，則在極坐標（r，θ）中，（b，θ）的邊界條件可得，如式（2）所示。

則大圓內(nèi)的應(yīng)力分布如式（3）所示

則大圓內(nèi)的位移分布如式（4）所示

根據(jù)上述方法，則可以計算隧道周邊的應(yīng)力及應(yīng)變。

2 圍巖應(yīng)力狀態(tài)和斷裂準則

隧道開挖前，地質(zhì)結(jié)構(gòu)處于一種相對穩(wěn)定的狀態(tài)，即一次應(yīng)力狀態(tài)，但是隨著隧道的開挖，隧道周邊的應(yīng)力狀態(tài)重新分布，即二次應(yīng)力狀態(tài)，而后隨著隧道支護結(jié)構(gòu)的完成，隧道周邊的應(yīng)力狀態(tài)再一次達到平衡，也即三次應(yīng)力狀態(tài)。在隧道圍巖穩(wěn)定性分析過程中，一般將圍巖視為連續(xù)均質(zhì)且各項同性，同時簡化為平面模型。

材料力學中的四大強度理論對于隧道圍巖斷裂極限狀態(tài)的分析均不適用，這是由于其斷裂模式及應(yīng)力應(yīng)變特征決定的。目前莫爾-庫倫準則以及霍克布朗準則在均質(zhì)巖體的分析中占有主導地位。莫爾-庫倫準則認為隧道圍巖的斷裂屬于剪切變形破壞，而圍巖的抗剪強度主要取決于圍巖內(nèi)部的內(nèi)摩阻角及粘聚力。圍巖斷裂的極限狀態(tài)便是當圍巖所受的剪切應(yīng)力等于自身的抗剪強度時，一旦突破該極限狀態(tài)，圍巖便會產(chǎn)生斷裂。而霍克布朗準則深度考慮了應(yīng)力情況及結(jié)構(gòu)面對圍巖的影響，反應(yīng)的是特定圍巖的一種屬性，即非線性破壞模式。該準則較為準確地反映了圍巖強度與最小主應(yīng)力、拉應(yīng)力區(qū)以及低應(yīng)力區(qū)的函數(shù)關(guān)系，這對于碎裂多節(jié)理面的圍巖適用性非常強。

3 施工過程中的實體隧道穩(wěn)定性分析

本文基于第2小節(jié)及第3小節(jié)所闡述的相關(guān)理論，對國內(nèi)某隧道圍巖施工過程中的應(yīng)力及應(yīng)變進行了監(jiān)測，以進一步驗證上述理論的準確性，為推廣該隧道圍巖穩(wěn)定性分析方法積累數(shù)據(jù)。本文所選擇的隧道為國內(nèi)某隧道Ⅳ級圍巖襯砌加強超小凈距段，該隧道采取的開挖方法為雙側(cè)壁導坑法，對該隧道進行全面監(jiān)測，拱頂沉降、鋼拱架內(nèi)力、凈空收斂、錨桿軸力以及初支圍巖接觸壓力等，共布置了多個壓力盒、鋼筋計以及應(yīng)變計。本文所采取的位移監(jiān)測采用非接觸式測量法，采用的儀器為高精度全站儀，每天進行一組數(shù)據(jù)的測量，直至變形值趨于穩(wěn)定為止，隧道水平變形及豎向變形的實際監(jiān)測情況如圖1所示。

從圖1可以看出，在監(jiān)測期間，隧道斷面的收斂變化相對均勻，并未出現(xiàn)早期顯著后期緩慢的情況，在監(jiān)測30天后，水平位移的變量基本上趨向于穩(wěn)定，后期則基本沒有變化。而豎向位移的變化則略有不同，在開挖初期，拱頂豎向位移變形速率非常快，沉降值迅速增加，在20天左右增速趨于穩(wěn)定，當監(jiān)測天數(shù)達到45天之后，豎向變形則基本固定，最終收斂值在8.83mm。

本文采用振弦式雙模圖壓力計進行圍巖初支壓力的監(jiān)測工作，儀器靈敏程度滿足工程監(jiān)測的需要；選擇振弦式雙鋼筋計開展錨桿軸力的監(jiān)測工作，其靈敏系數(shù)較高；選擇振弦式式表面應(yīng)變計進行拱架的內(nèi)力監(jiān)測工作，其測量范圍及靈敏度滿足工程實際情況。相關(guān)應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖2所示。

由圖2可見，在開挖初期的支護接觸應(yīng)力是較大的，出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因與噴射混凝土導致的壓力盒與圍巖較為密實導致。在前20d左右的時間范圍內(nèi)，接觸應(yīng)力值緩慢降低，說明支護結(jié)構(gòu)發(fā)揮著良好的作用。從應(yīng)力的分布情況來看，隧道內(nèi)部不同位置處的應(yīng)力值是不相同的，拱頂處實測值最大，離拱頂越遠，實測值越來越小，左右兩個邊墻最小。

對于鋼拱架處的應(yīng)力監(jiān)測顯示，不同位置處的應(yīng)力是不一樣的，從分布情況來看，拱頂處的鋼拱架應(yīng)力最大，最小位置位于邊墻處，拱肩位置的應(yīng)力介于兩者之間。在前20天內(nèi)，鋼拱架的應(yīng)力處于較大值，提示施工人員注意鋼拱架拱頂、拱肩及拱墻角處等位置出現(xiàn)的應(yīng)力集中。

對于錨桿內(nèi)部應(yīng)力情況，圖2中的監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示開挖過程中的錨桿軸力值顯著增加，其中拱頂處的軸力最大，其次是拱肩位置，最小的位置位于邊墻。從軸力的收斂情況來看，收斂周期在30天左右，提示錨桿內(nèi)軸力收施工的影響是顯著的。

為了驗證上文提出的應(yīng)力應(yīng)變計算方法的有效性，本文將實測數(shù)據(jù)與監(jiān)測數(shù)據(jù)進行了對比，并引入現(xiàn)有某商業(yè)化模擬軟件數(shù)據(jù)進行了對照，由于拱頂處的應(yīng)力最大，本文僅引入拱頂處的初期支護應(yīng)力穩(wěn)定值、鋼支撐應(yīng)力穩(wěn)定值以及錨桿軸力值進行對比，相關(guān)數(shù)據(jù)匯總于表1中。

表1 計算值與監(jiān)測數(shù)據(jù)

從上文數(shù)據(jù)可以看出，本文計算方法得到的拱頂沉降值及凈空收斂值與監(jiān)測值分別相差0.2mm及-0.2mm，而某模擬軟件的這一差距則分別為-1.2mm及-0.9mm，該數(shù)值為本文計算方法誤差的5~6倍。拱頂處的初期支護接觸應(yīng)力穩(wěn)定值依然是本文提出的計算方法更加準確，本文計算法與實測值有-2kPa的差距，而某模擬軟件的則有3.6kPa的差距。此外，拱頂處鋼支撐應(yīng)力和錨桿軸力計算值分別于監(jiān)測值有著-0.1kPa及-0.3kPa的差距，而某模擬軟件與監(jiān)測值的差距分別為-2.9kPa及2.5kPa。綜合比較，本文所提出的應(yīng)力及應(yīng)變方法相較于目前的主流模擬軟件更為準確，更接近隧道圍巖的真實應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)。這對于隧道圍巖穩(wěn)定性分析的準確性無疑是十分有益的。

4 結(jié)語

本文采用彈性力學理論展開對隧道圍巖穩(wěn)定性分析，提出了隧道圍巖的應(yīng)力及應(yīng)變的計算方法，對國內(nèi)某隧道圍巖施工過程中的應(yīng)力及應(yīng)變進行了監(jiān)測，并對比了計算值與監(jiān)測值之間的差距，對比結(jié)果表明本文所提出的應(yīng)力及應(yīng)變方法相較于目前的主流模擬軟件更為準確，更接近隧道圍巖的真實應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)。研究結(jié)果對于提高隧道圍巖穩(wěn)定性分析的準確性具有一定的推動作用。