鄧之友，彭立敏，劉正初

(1.中南大學土木建筑學院，長沙 410075;2.中鐵二院昆明勘察設計研究院有限責任公司，昆明 650200)

0 引言

我國山脈縱橫，地形地勢陡峻險要，地質條件復雜，在交通隧道建設中，偏壓隧道占有一定的比例。隧道在開挖之前，巖體處于一定的應力平衡狀態(tài)，開挖使隧道圍巖發(fā)生卸荷回彈和應力重分布。如果隧道所處圍巖等級不高，隨著掌子面向前推進，隧道圍巖因隧道開挖后產(chǎn)生圍巖應力重分布以及巖體的應變軟化而發(fā)生漸近破壞。就隧道設計而言，其核心問題是如何確定合理的支護參數(shù)，而隧道圍巖破壞模式往往決定了支護參數(shù)的選擇。因此，隧道圍巖破壞模式的研究對于隧道結構設計具有重要意義。

國內外很多學者都對隧道圍巖破壞進行了大量的研究。周小文等［1］通過離心模型試驗，對隧洞周圍砂土隨支護壓力降低而發(fā)生位移和破壞的過程和規(guī)律進行了研究;D.Sterpi等［2］采用砂及鋁棒作為模型材料，用氣囊逐步卸壓的方法模擬隧道開挖，對隧道圍巖的破壞過程和規(guī)律進行了二維及三維的模型試驗研究。模型試驗是研究隧道工程問題的一種重要手段。隧道工程模型試驗目前主要集中在圍巖穩(wěn)定性的研究方面［3－5］，同時在相似材料制備、試驗設備研制、試驗數(shù)據(jù)采集等方面積累了許多寶貴的經(jīng)驗。

但具體到Ⅴ級圍巖條件下淺埋偏壓隧道的圍巖破壞機制，相關研究并不多。故本文應用室內模型試驗對淺埋偏壓隧道圍巖的破壞過程和破壞模式進行分析，總結出不同偏壓條件下隧道圍巖的破壞規(guī)律，以期為同類隧道工程建設過程中采取有效的施工方案或者切實可行的支護措施提供參考。

1 淺埋偏壓隧道破壞模式模型試驗

1.1 相似理論

相似理論是相似模擬試驗的理論基礎和模型制作的主要依據(jù)。任何物理現(xiàn)象相似的充分必要條件可歸納為相似理論的3個基本定理［6－7］。

1)相似第1定理(相似正定理):過程相似，則相似準則不變，相似指標為1。

2)相似第2定理(π定理):描述相似現(xiàn)象的物理方程均可變成相似準則組成的綜合方程?，F(xiàn)象相似，其綜合方程必然相似，即 f(π1，π2，π3，…，πk，…)=0。

3)相似第3定理(相似存在定理):在幾何相似系統(tǒng)中，具有相同文字的關系方程式，單值條件相似，且由單值條件組成的相似準則相等，則此兩現(xiàn)象相似。

1.2 相似關系的確定

隧道模型試驗要求模型與實際工程中隧道埋深以及隧道開挖空間的幾何尺寸均應滿足幾何比。本次模型試驗采用了1∶20的大幾何比例尺模型，根據(jù)相似理論原理，可推得各原型的物理力學參數(shù)與模型值的相似比［8－10］。

1)幾何相似比CL=20;

2)泊松比μ、應變ε、摩擦角φ相似比Cμ=Cε=Cφ=20;

3)容重γ相似比Cγ=20;

4)彈性模量E、內聚力c、應力σ相似比CE=Cc=Cσ=20。

1.3 試驗目的及試驗工況

1.3.1 試驗目的

試驗主要針對單洞和小凈距淺埋偏壓隧道在不同偏壓條件下開挖過程中，地表沉降及隧道的變形規(guī)律、圍巖破裂面發(fā)展過程及隧道在塌方后所形成滑裂面的破壞模式進行研究。

1.3.2 試驗工況

根據(jù)試驗目的和要求，共設置了6個工況進行三維模型試驗，試驗工況如下:

1)單洞淺埋偏壓(15，30，45°)條件下破壞試驗;

2)小凈距淺埋偏壓(15，30，45°)條件下破壞試驗。

1.4 試驗設備的制作及材料的選取

為保證模型試驗結果的穩(wěn)定性，所有試驗均在專門制作的試驗模型箱內進行。選取幾何相似比為1∶20的隧道模型，模型箱的尺寸為3.5 m×3.0 m×2 m(長×寬×高)，要求能夠分別完成單洞和小凈距隧道開挖試驗，因此在試驗箱一側預留3個0.5 m×0.6 m(寬 ×高)的開挖孔。為便于觀察，整個模型箱的內表面采用1.2 cm厚的透明鋼化玻璃，如圖1所示。

圖1 模型試驗箱實體圖Fig.1 Photo of model test box

圍巖材料選用黏土∶爐渣∶河砂=1∶1∶2(質量比)的配比材料，圍巖相似材料力學參數(shù)如表1所示。預先在模型的底部墊1層0.5 m厚的上述配比的圍巖材料，并進行壓實，防止出現(xiàn)沉降而影響試驗效果。試驗加載采用先開挖后加載的方式，初期加載量為圍巖材料自然堆載，所加圍巖的厚度以實際工程中土體的埋深通過相似理論換算而成。為觀察圍巖的破壞過程及其特征，進行二次加載，先在地表鋪設1層鋼板整平，保證加載均勻，然后采用千斤頂在圍巖上部同步逐級加載的方式來實現(xiàn)，加載作用持續(xù)到圍巖破壞明顯且有連續(xù)通透裂縫出現(xiàn)的狀態(tài)為準。小凈距隧道加載斷面如圖2所示(單洞隧道加載情況與小凈距隧道相同)。

表1 圍巖相似材料力學參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of materials similar to rock mass

為了方便觀察隧道在破壞過程中Ⅴ級圍巖滑裂面的破壞情況，應使隧道襯砌模型在滿足相似性條件的基礎上，選用在開挖后和加載作用下易于變形和破壞的模型材料，故試驗時采用材質較軟且與襯砌材料相似性較接近的白鐵皮進行模型制作。隧道模型采用預埋的方式，施工過程中采用全截面開挖，尺寸大小如圖3所示。

2 單洞淺埋偏壓隧道漸進破壞過程及破壞模式分析

2.1 單洞偏壓隧道漸進破壞過程

隧道開挖采用全斷面一次開挖，模擬隧道開挖后毛洞狀態(tài)下圍巖的漸進破壞過程。單洞偏壓隧道在地形偏壓作用下，坡頂一側的隧道上方圍巖壓力較大，坡腳一側的隧道上方圍巖壓力較小。隧道開挖打破了原有圍巖的靜力平衡，在圍巖壓力的作用下，坡頂一側的隧道結構開始出現(xiàn)沉降變形，同時擠壓坡腳一側的隧道結構，使隧道處于偏壓受力狀態(tài)。當出現(xiàn)隧道圍巖應力超過圍巖強度或隧道支護結構的承載能力不足以抵抗圍巖壓力時，隧道結構即會喪失其穩(wěn)定性。隧道塌方過程如圖4所示。

1)在開挖前，隧道所在位置的巖體應力處于平衡狀態(tài)。

2)隨著隧道的開挖，圍巖壓力直接作用于隧道結構，其中左側圍巖壓力大于右側，但由于隧道開挖的空間效應，圍巖壓力并沒有完全釋放，此時結構變形并不明顯，如圖4(a)所示。

3)隨著隧道的繼續(xù)開挖，隧道支護結構受力也逐漸增大，并開始出現(xiàn)偏壓變形，地表圍巖開始出現(xiàn)下沉，如圖4(b)所示。

4)隧道開挖完成后，在地表對上部圍巖進行加載，此后隧道底部變形增大，圍巖多處出現(xiàn)破裂面，且隧道結構出現(xiàn)局部破壞，如圖4(c)所示。

5)整個隧道結構被壓屈變形，破裂帶繼續(xù)增大并逐漸相互連接形成破裂面，巖體逐漸由坡頂向坡腳滑移，如圖4(d)所示。

6)隨著破裂面的貫通，圍巖壓力繼續(xù)增大，而隧道結構的支持作用基本不變，此時整個巖體開始加速滑移，并最終在較短的時間內被破壞，如圖4(e)所示。

2.2 單洞偏壓隧道漸進破壞模式

單洞偏壓隧道破壞前后的狀態(tài)如圖5所示。淺埋單洞偏壓隧道的破壞模式是由洞口的偏壓模式和偏壓角度決定的，即由洞口邊坡和洞門仰坡組合而成，破裂面的頂部基本在仰坡和邊坡的交界線上，距離洞口2～3倍的隧道跨度。偏壓角度越小，破裂面上部頂點距離隧道開挖面越遠，但破裂面的深度越淺，塌落量越小;反之，破裂面頂部距離隧道開挖面越近，破裂面的深度越深，塌落量越大。破裂面的下部頂點與隧道的位置關系也表現(xiàn)出相同的規(guī)律。

單洞隧道的破裂角在56～71°。其中靠近坡腳一側的破裂角較小，與水平面的夾角為56～66°，靠近坡頂一側的破裂角較大，與水平面的夾角為66～71°，如圖6所示。

整個滑落體可近似看作一個錐形體，其各垂向和水平破裂面均可看作拋物線。需要說明的是，試驗中采用的為各向同性的散粒體作為圍巖材料，當偏壓角度達到55°后圍巖即無法自穩(wěn)，而實際圍巖應有一定的膠結強度，當實際工程中出現(xiàn)大角度偏壓時，可能會出現(xiàn)斜切隧道開挖面的重力坍塌破壞。

因此，淺埋單洞偏壓隧道可以看作巖體在重力作用下的坍塌破壞，破壞體可近似看作以隧道洞口為頂、以仰坡變坡線為底的錐形體。地形的偏壓模式?jīng)Q定了隧道的破壞模式，偏壓角度和偏壓范圍決定了破壞體的規(guī)模和范圍。

3 小凈距淺埋偏壓隧道漸進破壞過程及破壞模式分析

3.1 小凈距偏壓隧道漸進破壞過程

小凈距偏壓隧道的漸進破壞過程與單洞偏壓隧道具有一定的相似性。在隧道未開挖前，原有地層保持應力平衡狀態(tài)，隧道開挖造成巖體的原有應力平衡被打破，且在隧道開挖過程中巖體的應力狀態(tài)不斷進行變化和調整，處于應力失衡—變形調整—應力平衡—變形調整—應力失衡的循環(huán)動態(tài)變化之中。開挖過程如圖7所示。

當隧道結構或巖體本身提供的支撐強度不足時，隧道或巖體將發(fā)生破壞，整個漸進破壞過程如下:

1)隧道開挖前，隧道所在位置的巖體應力處于平衡狀態(tài)，隧道開挖發(fā)生應力釋放，圍巖體開始出現(xiàn)變形，但不顯著，如圖7(a)所示。

2)隨著隧道繼續(xù)開挖，結構受力也逐漸增大，并開始出現(xiàn)偏壓變形，地表圍巖開始出現(xiàn)下沉，如圖7(b)所示。

3)在隧道開挖完成后，隧道變形繼續(xù)增大，其中坡頂一側的隧道結構變形大于坡腳一側;與之相對應的是，靠近坡頂一側隧道的左拱腰位移量最大，其次為靠近坡腳一側隧道的右墻腳，如圖7(c)所示。

4)圍巖出現(xiàn)多處破裂面，其中坡頂一側的裂縫分布更為密集，隨著坡頂荷載的增大，圍巖破裂面繼續(xù)增多和擴展，并開始連通，如圖7(d)所示。

5)隨著圍巖變形的擴大，靠近坡頂一側的隧道上部巖體首先發(fā)生急速滑移，緊接著靠近坡腳一側的圍巖也出現(xiàn)快速變形，二者幾乎在瞬間出現(xiàn)坍塌，形成空間塌落體，整個圍巖和隧道最終被破壞，如圖7(e)所示。

3.2 小凈距偏壓隧道的漸進破壞模式

小凈距偏壓隧道的塌落體可看作2個平行的錐形體。其中各錐形體均是以隧道洞口為底，錐頂位于邊坡線和仰坡線的交匯處，因此，靠近坡頂側的塌落體大于靠近坡腳側的錐型塌落體。小凈距隧道兩塌落體中間為左右兩側滑裂面不對稱的楔型結構，靠近坡頂側滑裂面的角度較小，與水平面的夾角為56～58°;靠近坡腳側滑裂面的角度相對較大，與水平面的夾角為62～75°?；衙娴慕嵌却笮∨c偏壓角度相關，偏壓角越大，滑裂面的角度也越大;反之則相反，如圖8所示。

圖7 小凈距淺埋偏壓隧道圍巖漸進破壞過程Fig.7 Progressive failure process of rock mass of asymmetrically-loaded tunnel with small net spacing

圖8 不同偏壓角度小凈距隧道破壞模式Fig.8 Failure modes of asymmetrically-loaded tunnel with small net spacing under different asymmetrical loading angles

整個滑落面為一個空間破裂面，破裂面起點位于坡頂一側的邊坡和仰坡的交線處，距隧道開挖范圍約3倍的單洞洞跨處，然后以隧道為中心向后延伸，直至兩隧道中間的楔型體位置處?？拷马?shù)钠屏衙媾c上部破裂面相切，并以坡腳處的隧道為中心，形成下部的破裂體，并在坡腳側隧道的墻腳處消失。

與單洞偏壓隧道的破壞模式相似，小凈距淺埋偏壓隧道的破壞范圍與地形的偏壓模式和偏壓角度相關。破壞范圍距離洞口2～3倍的隧道跨度，且偏壓角度越近，破裂面上部頂點距離隧道開挖面越遠，反之越近。其中小凈距偏壓隧道的圍巖自穩(wěn)條件比單洞差，當偏壓角度達到50°左右后，在隧道開挖過程中整個圍巖即可發(fā)生失穩(wěn)。

4 結論與討論

依據(jù)室內模型試驗結果，總結分析了淺埋偏壓隧道(單洞、小凈距)圍巖的漸進破壞過程及破壞模式，對隧道支護參數(shù)確定、支護結構設計、分析隧道破壞原因以及隧道維護等方面都具有重要意義。

1)淺埋偏壓隧道的破壞模式可以看作巖體在重力作用下的坍塌破壞。單洞偏壓隧道的破壞體可近似看作以隧道洞口為頂和以仰坡線為底的錐形體;小凈距偏壓隧道的破壞體則以隧道洞口為頂和以仰坡變坡線為底的2個并列錐形體組合，且較高的巖體破壞較早，較低的巖體破壞較晚，當靠近隧道底部范圍內的巖體出現(xiàn)破壞時，整體的滑裂面最終形成并瞬間破壞。

2)由本試驗研究與一般隧道試驗研究對比分析可見，淺埋偏壓隧道的偏壓角度和圍巖的力學參數(shù)決定了破壞體的規(guī)模和范圍，且破壞體的范圍主要受偏壓角度的影響。其具體表現(xiàn)為:偏壓角度越小，破裂面上部頂點距離隧道開挖面越遠，破裂面的深度越淺，塌落量越小;反之，破裂面頂部距離隧道開挖面越近，破裂面深度越深，塌落量越大。

3)單洞隧道的破裂角為56～71°。其中靠近坡腳一側的破裂角較小，與水平面的夾角為56～66°，靠近坡頂一側的破裂角較大，與水平面的夾角為66～71°。小凈距隧道兩塌落體中間為左右兩側滑裂面不對稱的楔型結構，靠近坡頂側滑裂面的角度較小，與水平面的夾角為56～58°;靠近坡腳側滑裂面的角度相對較大，與水平面的夾角為62～75°。

本試驗研究著重于Ⅴ級圍巖條件，對隧道圍巖破壞問題進行了初步研究，并得到了較好的認識。但對其他圍巖類別及偏壓角度條件下破壞模式的研究，還有待今后進一步開展工作。

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