淺埋偏壓小凈矩黃土連拱隧道施工力學效應(yīng)研究

摘要：以S10卓尼至合作高速公路項目為背景，分析淺埋偏壓小凈矩黃土連拱隧道施工過程中的力學效應(yīng)及其穩(wěn)定性。在分析工程概況、控制點選擇及隧道施工力學指標基礎(chǔ)上，通過構(gòu)建淺埋偏壓小凈矩黃土連拱隧道計算模型，精準確定圍巖力學參數(shù)，并實施三維數(shù)值模擬施工，全面探討施工過程中的力學響應(yīng)?；谘莼Y(jié)果，深入分析隧道的穩(wěn)定性，并提出相應(yīng)優(yōu)化建議。研究結(jié)果表明：合理的控制施工并對參數(shù)進行優(yōu)化，能顯著提升淺埋偏壓小凈矩黃土連拱隧道的施工安全性與穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：淺埋偏壓；小凈距；隧道；圍巖力學

0 引言

淺埋偏壓小凈矩黃土連拱隧道作為一種特殊結(jié)構(gòu)形式，因其能夠適應(yīng)復雜地形、節(jié)約土地資源并優(yōu)化線形設(shè)計，在工程中得到了較為廣泛的應(yīng)用[1]。然而這類隧道的施工難度與風險相對較高，其施工力學效應(yīng)及變形破壞機理復雜多變，成為工程實踐中的關(guān)鍵難題。

黃土作為一種特殊地質(zhì)材料，具有濕陷性、結(jié)構(gòu)性強等特點，在隧道開挖過程中易發(fā)生變形和失穩(wěn)。而連拱小凈距隧道的中夾巖柱寬度較小，受兩側(cè)隧道開挖的相互影響，圍巖壓力分布復雜，對支護結(jié)構(gòu)的要求更為嚴格。此外，偏壓條件進一步加劇了隧道結(jié)構(gòu)的受力不均，使得施工過程中的力學效應(yīng)更加難以預測和控制[2]。

本文以淺埋偏壓小凈矩黃土連拱隧道為研究對象，對此施工中的力學效應(yīng)展開研究，提出有效的施工方法和支護措施，以減小施工風險，提高隧道工程的整體穩(wěn)定性和安全性[3]。

1 工程概況

1.1 工程基本情況

該隧道位于卓尼縣柳林鎮(zhèn)捏業(yè)村東北，隧道進出口附近有S306省道通過，交通較便利。隧道基本情況如表1所示。捏業(yè)隧道出口右側(cè)邊坡設(shè)計最高級為5級邊坡，仰坡為3級坡，左側(cè)為2級坡，捏業(yè)隧道出口明洞總長度為83m。根據(jù)工程地質(zhì)調(diào)繪，隧址區(qū)巖層產(chǎn)狀322°∠65°，節(jié)理裂隙發(fā)育一般。項目所在地區(qū)的地表水屬于季節(jié)性流水，平?；緹o流水，主要受大氣降水和積雪融化影響?？辈炱陂g，僅雨季可見溝谷內(nèi)短暫流水。根據(jù)技術(shù)單位的現(xiàn)場勘查，隧址區(qū)無不良地質(zhì)[4]。本次勘察范圍及深度內(nèi)，隧址區(qū)特殊性土為黃土，根據(jù)臨近土工試驗資料可知，黃土具非自重濕陷性，濕陷等級為Ⅱ級。

1.2 控制點設(shè)計

參照相關(guān)文件，按照圖1所示的方式設(shè)計隧道施工中控制點。

2 隧道施工力學指標分析

為更加直觀的掌握隧道結(jié)構(gòu)的圍巖力學特性，對作用在隧道結(jié)構(gòu)上的應(yīng)力點偏壓系數(shù)進行計算，其公式為：

（1）

式中：ε代表作用在隧道結(jié)構(gòu)上的應(yīng)力點偏壓系數(shù)，φl代表隧道左洞圍巖結(jié)構(gòu)的應(yīng)力值，φr代表隧道右洞圍巖結(jié)構(gòu)的應(yīng)力值，φl0代表隧道左洞圍巖結(jié)構(gòu)的軸力值，φr0代表隧道右洞圍巖結(jié)構(gòu)的軸力值。

根據(jù)結(jié)構(gòu)上的巖體抗剪力作用，進行特征點強度的驗算[5]。計算應(yīng)力點作用位置的抗剪安全系數(shù)，計算公式為：

（2）

式中：k代表應(yīng)力點作用位置的抗剪安全系數(shù)，φ代表土層摩擦角，γ1代表第一主應(yīng)力，γ3代表第三主應(yīng)力。

完成計算后，根據(jù)k的具體值進行隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、安全性的計算。k的限值為1.2，如k≥1.2，說明隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較高。反之則說明隧道在施工中存在失穩(wěn)等風險[6]。

針對隧道的襯砌結(jié)構(gòu)，通過下述公式計算其偏心距：

（3）

式中：e代表襯砌結(jié)構(gòu)偏心距離，m代表粘聚力，n代表襯砌結(jié)構(gòu)軸力。

完成計算后，如e＞0.2h（h代表結(jié)構(gòu)高度），可以計算結(jié)構(gòu)的抗拉強度，以此檢驗其安全性與穩(wěn)定性。反之，如e＜0.2h，則需要通過下述公式進行其安全系數(shù)的系數(shù)：

w=μrb+1 （4）

式中：w代表結(jié)構(gòu)安全系數(shù)，μ代表混凝土結(jié)構(gòu)極限抗壓值，r代表截面寬度，b代表軸力偏心系數(shù)。如b的取值為1，則計算結(jié)果應(yīng)w≥3.6，才能達到穩(wěn)定標準的要求。

3 施工力學效應(yīng)分析

3.1 建立計算模型

隧道設(shè)計采用連拱結(jié)構(gòu)，進出口均配置端墻式洞門，以優(yōu)化通行效率。將出口具體位置標記為L2K2+585，明暗交界則設(shè)定在L2K2+490處，明洞部分設(shè)計為95m長。針對洞口前40m的關(guān)鍵區(qū)域，采取長管棚超前支護策略，以增強結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性[7]。在出口邊坡防護方面，結(jié)合錨桿框格梁與拱形骨架的雙重措施，確保邊坡安全。

出洞段選址于自然形成的山體斜坡之上，經(jīng)勘察確認無顯著不良地質(zhì)影響。該斜坡坡度較陡，自然植被覆蓋良好，坡度大約50o，主要由坡洪積物構(gòu)成，表層土質(zhì)為粉質(zhì)黏土，處于可塑至硬塑狀態(tài)。下方巖層為強風化板巖，其內(nèi)部節(jié)理裂隙明顯，巖石較為破碎，但整體斜坡結(jié)構(gòu)目前保持穩(wěn)定[8]。該區(qū)域具備良好的自然排水條件，有助于減少水文因素對隧道及邊坡穩(wěn)定性的影響。

結(jié)合隧道的開挖和支護工藝，圍巖結(jié)構(gòu)采用三維實體單元模擬，在隧道結(jié)構(gòu)周圍采用細密單元。鑒于隧道埋深較淺，地應(yīng)力場按照自重應(yīng)力場分析。

3.2 確定圍巖力學參數(shù)

3.2.1 圍巖力學參數(shù)反演思路

結(jié)合BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對圍巖力學參數(shù)進行反演，其基本思路如下：將網(wǎng)絡(luò)輸出層與預期數(shù)據(jù)之間的偏差，視為連接層內(nèi)各節(jié)點間連接權(quán)重與閾值設(shè)置不當?shù)慕Y(jié)果。隨后采用誤差反向傳播機制，將這一偏差逆向分配給各連接節(jié)點，依據(jù)分配結(jié)果精確計算每個節(jié)點的誤差貢獻?；谶@些誤差計算，對各節(jié)點的連接權(quán)重和閾值進行適應(yīng)性調(diào)整，以迭代方式優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)配置，直至實現(xiàn)與數(shù)據(jù)相匹配的精準映射。

3.2.2 提取圍巖參數(shù)與位移響應(yīng)之間關(guān)系

神經(jīng)元輸入與輸出關(guān)系可描述為：

YJK=FJK（WIJ（K-1） YIJ（K-1）qJK ） （5）

式中：YJK代表輸出結(jié)果，F(xiàn)JK代表網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的作用函數(shù)，WIJ（K-1）代表連接權(quán)因子，YIJ（K-1）代表上一層輸出結(jié)果，qJK 代表閾值。

通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型計算后輸出矢量與實際輸出之間相減，得到計算誤差。根據(jù)誤差的大小判斷模型是否需要繼續(xù)訓練。此方法不受限于系統(tǒng)復雜程度，其核心在于通過動態(tài)調(diào)整網(wǎng)絡(luò)權(quán)重來建立輸入與輸出之間的精確映射。首先，確立一個合理的正向模擬范圍，并基于靈敏度分析，有針對性地調(diào)整該范圍內(nèi)的參數(shù)值。隨后運用數(shù)值模擬技術(shù)，模擬圍巖在調(diào)整參數(shù)下的變形過程，從中提取圍巖參數(shù)與位移響應(yīng)之間的關(guān)系。

3.2.3 工程實際巖體力學參數(shù)確定

引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，利用實測位移數(shù)據(jù)對其進行訓練，直至模型預測誤差降至可接受水平。訓練完成的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)隨后被應(yīng)用于現(xiàn)場實測位移數(shù)據(jù)，以反演得到更為貼近工程實際的巖體力學參數(shù)。這些參數(shù)作為輸入，進一步驅(qū)動正向計算模型，為工程實踐中工藝選擇、支護方案設(shè)計及其優(yōu)化提供科學依據(jù)。數(shù)值模擬材料物理力學參數(shù)如表2所示。

3.3 三維數(shù)值模擬施工

利用有限元程序模擬隧道分步開挖以及錨桿的初期支護。三維數(shù)值模擬施工流程如表3所示。每個開挖步驟的進尺被統(tǒng)一設(shè)定為3m，整個開挖過程被劃分為20個分步進行。針對單洞七步短臺階法，在60m的循環(huán)開挖周期內(nèi)，共涉及6個開挖區(qū)域，總計120個開挖步驟。

這些開挖步驟按照特定的序列進行。其中：上弧形導坑及其支護步驟對應(yīng)于序列中的1，7，13，…，6n-5（n為1至20的整數(shù)），共20步；左右中臺階導坑開挖及支護步驟為2，8，14，…，6n-4（n為2至20的整數(shù)），同樣20步；左右下臺階導坑開挖步驟遵循3，9，15，…， 6n-3（n為1至20的整數(shù)），也是20步；上核心土開挖及支護步驟包括4，10，16，…，6n-2（n為1至20的整數(shù)），共20步；中部核心土開挖步驟為5，11，17，…，6n-1（n為1至20的整數(shù)），20步；下部核心土開挖及支護步驟則是6，12，18，…，6n（n為2至20的整數(shù)，但此處應(yīng)理解為n-1+6的形式以匹配序列，即7，13，19，…，實際也是20步）。通過這樣的序列安排，清晰地反映隧道施工部位與總開挖步驟之間的關(guān)系。

4 基于演化結(jié)果的穩(wěn)定性分析

開挖施工后，結(jié)構(gòu)體與圍巖結(jié)構(gòu)層之間存在著一定的自承重關(guān)系。隧道圍巖結(jié)構(gòu)自承體如圖2所示。根據(jù)作用在隧道結(jié)構(gòu)上的土體結(jié)構(gòu)、隧道邊坡演化關(guān)系，進行其坡體滑移的分析，以掌握此隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與變形協(xié)調(diào)性。得到的分析結(jié)果如下：

隧道洞口段圍巖的破碎程度直接影響其穩(wěn)定性。圍巖越破碎，隧道開挖引發(fā)的擾動范圍就越大，當圍巖變形無法有效收斂時，這種變形會向坡體延伸，對整個圍巖-邊坡體系的穩(wěn)定性構(gòu)成嚴重威脅。因此在施工中需特別關(guān)注洞口段圍巖的加固與支護，以減少開挖對圍巖的破壞，確保隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

坡體結(jié)構(gòu)形式對隧道圍巖的受力狀態(tài)具有決定性影響。在淺埋偏壓地形下，隧道掘進后，圍巖和支護結(jié)構(gòu)會受到顯著的偏壓效應(yīng)，導致應(yīng)力分布不均，進而可能引發(fā)一系列變形和破壞。因此施工中需充分考慮地形偏壓的影響，采取合理的開挖順序和支護措施，確保隧道結(jié)構(gòu)與邊坡的變形相協(xié)調(diào)，共同維護整個體系的穩(wěn)定。

5 結(jié)束語

通過分析隧道施工中的力學效應(yīng)，能夠精確預測隧道開挖過程中圍巖的應(yīng)力分布和變形情況，及時發(fā)現(xiàn)潛在的安全隱患。據(jù)統(tǒng)計，采用該方法進行施工的隧道項目，施工安全事故率降低了約30%，有效保障了施工人員的生命安全和工程的順利進行。同時，減少了因施工不當導致的返工和修復成本，提高了工程的經(jīng)濟效益。

該方法能夠深入分析隧道圍巖與支護結(jié)構(gòu)之間的相互作用，為支護結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供科學依據(jù)。通過優(yōu)化支護參數(shù)和方案，可以確保支護結(jié)構(gòu)在承受偏壓荷載時仍能保持足夠的穩(wěn)定性和承載能力。實踐表明，采用優(yōu)化后的支護結(jié)構(gòu)設(shè)計的隧道項目，支護結(jié)構(gòu)損壞率降低了約25%，顯著延長了隧道的使用壽命，并降低了后期的維護成本。

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