深埋小凈距隧道中夾巖承載性狀研究

邱 威

（江西理工大學土木與測繪工程學院，江西 贛州 341000）

0 引言

小凈距隧道是介于分離式雙洞隧道和連拱隧道之間的隧道結構型式，具有以下優(yōu)點：同普通分離式雙洞隧道和連拱隧道相比更有經(jīng)濟優(yōu)勢且易于控制；于施工工藝而言，小凈距隧道相對簡單。小凈距隧道的中夾巖在施工過程中會產(chǎn)生應力重分布及二次應力場的疊加，從而出現(xiàn)應力集中。因此，清楚地了解中夾巖的應力變化規(guī)律，是科學評估中夾巖的承載性能的基礎，對中夾巖承載性狀及穩(wěn)定性的評價都是十分必要的。

我國對小凈距隧道中夾巖的研究主要集中在兩個方面：一是對中夾巖合理厚度即小凈距隧道合理凈距的研究；二是對中夾巖不同加固措施的研究。劉蕓等［1］將中夾巖進行區(qū)域劃分，并且對中夾巖的不同加固組合方式進行了研究，研究表明各種加固方法對于不同級別的圍巖效果不同。張桂生等［2］則建立了小凈距隧道圍巖的各項指標與凈距敏感度之間的關系，提出了把敏感度突變階段出現(xiàn)之前的凈距作為合理凈距。夏夢然［3］通過理論推導研究了淺埋超小凈距隧道中夾巖柱的失穩(wěn)機理，計算得到中夾巖柱上覆壓力，結合土體極限應力公式分析了中夾巖柱失穩(wěn)破壞特征。晏啟祥等［4］通過對軟巖隧道下不同凈距對中夾巖塑性區(qū)影響的分析研究得出，中夾巖塑性區(qū)的大小與凈距密切相關，與此同時，隧道埋深及圍巖級別也是影響中夾巖柱塑性區(qū)的重要因素。李享松等［5］建立了中夾巖的力學分析模型，推導出中夾巖破裂面的下滑力、抗滑力計算公式，最終采用安全系數(shù)作為中夾巖穩(wěn)定的判據(jù)。Lim 等［6］通過數(shù)值分析方法，根據(jù)地基強度的變化來評估中間巖柱對整個隧道的穩(wěn)定性的影響程度，并對地表沉降率、平均應力強度以及適用于實際工程的公式進行了綜合分析，采用基于Hoek-Brown的破壞準則來評估超小間距的平行隧道中間巖柱的安全率，從而確定中間巖柱的最小寬度。

因此，針對小凈距隧道中夾巖穩(wěn)定性的研究意義重大。筆者建立小凈距隧道中夾巖數(shù)值計算模型，結合中夾巖承載模式在不同條件下的受力特征進行分析。

1 中夾巖力學特性研究

1.1 中夾巖承載模式分析

小凈距隧道中夾巖的承載性能與中夾巖厚度和加固方式息息相關，中夾巖厚度的增加，加固手段的增強，都是中夾巖影響小凈距隧道的整體穩(wěn)定和功能的重要因素。從力學角度分析，中夾巖應包含以下兩個方面的性能［7］。

1.1.1 承載能力。中夾巖承擔上方土體壓力，以及兩側隧洞開挖而形成的兩側楔形土體的側向壓力和壓力拱范圍內(nèi)的松散圍巖壓力；在開挖中表現(xiàn)為洞周應力釋放，轉(zhuǎn)變?yōu)橐灾袏A巖為支撐結構的切應力狀態(tài)。其承載力由土層承載壓力R1、松散圍巖壓力R2、支護壓力R3來表征，即式（1）。

式中：ξi為i型承載力所對應的影響系數(shù)；Ri為對應的i型承載力。

1.1.2 抑制圍巖自由變形。為充分發(fā)揮中夾巖的承載能力，通過加固、支護等手段，來抑制圍巖自由變形，提高中夾巖的承載能力以提高穩(wěn)定性。

考慮影響中夾巖的承載能力的因素有很多，本研究通過正交試驗分析中夾巖的各種影響因素對中夾巖承載性狀的影響及規(guī)律性進行探討。

2 正交試驗設計

2.1 影響因素及水平的選定

根據(jù)已有的實踐經(jīng)驗及研究成果，小凈距隧道的凈距、隧道埋深、所在區(qū)域圍巖級別、隧道掌子面錯距以及中夾巖區(qū)域的物理力學參數(shù)對小凈距隧道的穩(wěn)定性都具有重要的影響，故選擇以下因素做正交試驗研究，其變化水平選擇如下。

2.1.1 隧道凈距。凈距變化從根本上是中夾巖的寬度變化，是小凈距隧道構造型式中承擔載荷的主要結構。

2.1.2 隧道埋深。隧道埋深變化決定著基礎圍巖壓力的大小，深埋隧道的埋深根據(jù)工況選取40～100 m。

2.1.3 圍巖級別。隧道圍巖級別是反映圍巖質(zhì)量的重要參數(shù)，影響著隧道的承載能力。因此選取Ⅴ級與Ⅳ級圍巖作為兩種變化水平。

2.1.4 中夾巖區(qū)域的物理力學性質(zhì)。中夾巖為小凈距隧道整體結構中起主要支撐作用的構造。具體的水平變化指標見表1，其中有四項影響因素：A代表隧道凈距，B代表隧道埋深，C代表圍巖級別，D代表中夾巖區(qū)域的物理力學性質(zhì)，具體見表1。

表1 開挖影響因素及水平

2.2 正交試驗具體模擬概況

采用FLAC3D進行模型建立及數(shù)值模擬計算，模型縱向長120 m，對于埋深40 m 和60 m 的工況，模型上邊界采用隧道埋深，即隧道拱頂距上邊界40 m和60 m；對于埋深80 m 和100 m 的工況，在模型上邊界施加豎直向下的均布荷載取代埋深，其值對應剩下埋深相對應的重力荷載。模型下邊界從隧道底部向下取40 m，計算模型如圖1所示。

圖1 各埋深情況下的數(shù)值計算模型（0.50B）

為消除邊界影響，模型左右側邊界應在左右雙洞的邊墻向外各取50 m。在開挖工法上，隧道雙洞采取全斷面開挖，暫不考慮先行與后行洞的區(qū)別。數(shù)值計算中各項材料的物理力學參數(shù)見表2。

表2 圍巖基本物理力學參數(shù)

3 中夾巖承載性狀的應變規(guī)律分析

小凈距隧道中存在的位移從變形角度說明由凈距、埋深、圍巖級別以及中夾巖區(qū)域圍巖的物理力學性質(zhì)對小凈距隧道的整體承載能力進行體現(xiàn)；同時，由于隧道開挖而產(chǎn)生的應力重分布對小凈距隧道的承載能力也有影響。

3.1 凈距對中夾巖承載性狀的影響

隨凈距的擴大，中夾巖區(qū)域的應力不斷擴散，減少了拱頂拱腳區(qū)域的應力集中現(xiàn)象，具體如圖2所示。由于凈距的擴大使中夾巖承載寬度增大，從而縮小了應力集中區(qū)域，因此凈距的擴大是導致隧道應力變化的直接因素。

圖2 小凈距隧道豎向應力隨凈距變化

3.2 埋深對中夾巖承載性狀的影響

小凈距隧道豎向應力隨埋深變化如圖3 所示。由圖3 可知，固定凈距情況下，隧道應力隨埋深的變化是應力均衡的過程，即埋深的增大使小凈距隧道周邊圍巖的應力重分布更均衡。隨埋深的增加，松散圍巖的應力不斷擴散，使小凈距隧道更具有整體性。

圖3 小凈距隧道豎向應力隨埋深變化

3.3 圍巖級別對中夾巖承載性狀的影響

小凈距隧道豎向應力圖對比如圖4 所示。從圖4 可知，提高小凈距隧道的圍巖級別，在凈距較小時，表現(xiàn)為中夾巖區(qū)域的圍巖應力下降，而在凈距提升至一定程度時，松散應力的擴散效應將不明顯。即由于開挖產(chǎn)生的應力重分布和松散應力隨凈距的增大而發(fā)生擴張。

圖4 小凈距隧道豎向應力圖對比

小凈距隧道豎向應力圖對比如圖5 所示。由圖5 可知，提高中夾巖區(qū)域的物理力學性質(zhì)，能夠提高中夾巖區(qū)域的承載能力。從應力角度上看，中夾巖區(qū)域的應力從臨空面上的松散應力受圍巖之外的土層的影響降低，使小凈距由開挖產(chǎn)生的應力重分布現(xiàn)象減退。因此，提高中夾巖區(qū)域的物理力學性質(zhì)能夠使中夾巖的承載性能大幅提高，同時使開挖對圍巖所產(chǎn)生的擾動降低。

圖5 小凈距隧道豎向應力圖對比

4 結論

①中夾巖承載模型中，中夾巖受豎向應力、橫向約束及抗剪能力的影響。分析小凈距隧道圍巖應力分布，從埋深、凈距、圍巖級別以及中夾區(qū)域的物理力學特性四個角度得到小凈距隧道的應力特征。

②通過分析凈距得到不同埋深情況下存在的合理凈距值；通過埋深、圍巖級別以及中夾巖區(qū)域的物理力學性質(zhì)對小凈距隧道的影響進行研究得到不同情況下對于小凈距隧道開挖所產(chǎn)生應力的判定，以此為小凈距隧道埋深、凈距等的選取提供判斷依據(jù)。

③對于在圍巖級別高的小凈距隧道，能夠很好地減少由于開挖所產(chǎn)生的位移和松散應力的擴散，以及提升中夾巖區(qū)域的物理力學性質(zhì)能夠加強中夾巖的承載能力，從而減少由于開挖而造成的土層擾動問題。因此，可以通過加固手段改變中夾巖區(qū)域的物理力學性質(zhì)，從而改善小凈距隧道整體的受力特性。