鐘明文，武 松，鄧 琴，湯 華，戴永浩

(1.云南大永高速公路建設(shè)指揮部， 云南 大理 671000；2.中國(guó)科學(xué)院 武漢巖土力學(xué)研究所 巖土力學(xué)與工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖北 武漢 430071；3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)， 北京 100000)

隨著我國(guó)“絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶”和“長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶”等國(guó)家戰(zhàn)略計(jì)劃的實(shí)施，掀起了我國(guó)西部蓬勃的交通建設(shè)高潮。西部獨(dú)特的人文地理特征，使得大部分高速公路/鐵路的橋隧比例高達(dá)70%～80%[1]，隧道建設(shè)成為西南山區(qū)交通建設(shè)的重中之重。

隧道的圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)一直是隧道建設(shè)的重點(diǎn)。隧道在開挖過(guò)程中，其圍巖的應(yīng)力和位移一直處于更新狀態(tài)，需要不斷地根據(jù)應(yīng)力或者位移信息來(lái)評(píng)價(jià)圍巖的穩(wěn)定狀態(tài)[2]。目前關(guān)于隧道的圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法很多，但從數(shù)據(jù)來(lái)源看主要有以下兩大類：

(1) 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的評(píng)價(jià)：隧道開挖過(guò)程中位移監(jiān)測(cè)是必不可少的，通常輔以應(yīng)力監(jiān)測(cè)[3]。《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[4](JTG D70—2004)給出不同的圍巖級(jí)別下，不同埋深的隧道允許洞周水平相對(duì)收斂和拱頂下沉的建議值[4]。實(shí)際工程中，需要根據(jù)圍巖地質(zhì)條件綜合分析確定。朱永全[5]、吳秋軍等[6]、李曉紅等[7]等均對(duì)此開展過(guò)研究。

(2) 根據(jù)計(jì)算分析的評(píng)價(jià)：該方法主要是以應(yīng)力狀態(tài)來(lái)分析，如萬(wàn)明富等[8]、王宇等[9]、王薇等[10]提出以單軸應(yīng)力強(qiáng)度來(lái)判斷圍巖的穩(wěn)定提性，本質(zhì)上都是傳統(tǒng)材料力學(xué)的經(jīng)典強(qiáng)度分析理論和強(qiáng)度儲(chǔ)備計(jì)算方法。潘昌實(shí)[11]根據(jù)Mohr-Coulomb準(zhǔn)則對(duì)高斯點(diǎn)的強(qiáng)度發(fā)揮系數(shù)進(jìn)行了研究。Fairburst C[12]根據(jù)摩爾拋物型包絡(luò)線準(zhǔn)則提出了二維應(yīng)力狀態(tài)下破壞接近度的定義，最早在1964年提出破壞接近度的概念。金豐年等[13]于1996年在Fairburst的基礎(chǔ)上提出了二維及三維應(yīng)力狀態(tài)下的破壞接近度的定義。杜麗惠等[14]引入破壞接近度的概念來(lái)反應(yīng)單元材料的非線性特征；周輝等[2]和張傳慶[15]提出了屈服接近度的新概念，通過(guò)分析主應(yīng)力空間中屈服面和未屈服應(yīng)力點(diǎn)兩者的相互關(guān)系，來(lái)描述非塑性區(qū)的危險(xiǎn)程度。此概念的提出，得到了廣泛的應(yīng)用[16-18]，并拓展至巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性研究[19-20]。

本文以甸頭隧道近距離下穿大西公路路段為依托，采用周輝等提出的概念，分析隧道施工過(guò)程中隧道圍巖的屈服接近度的演化和轉(zhuǎn)移特征，并和圍巖塑性區(qū)的發(fā)展過(guò)程比較，來(lái)開展圍巖的穩(wěn)定性研究。

1 工程概況

1.1 工程概述

華坪至麗江高速公路連接段大理連接線工程大理段(以下簡(jiǎn)稱“大永高速公路”)向北可以連接正在規(guī)劃實(shí)施的華麗高速公路，南入大理市連接楚大、大保、大麗高速公路，是連通滇西現(xiàn)有的所有高速中通達(dá)效果最好、連通功能最強(qiáng)的聯(lián)絡(luò)線，對(duì)促進(jìn)地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要作用。

甸頭隧道位于大永高速公路的大理至賓川段，設(shè)計(jì)為分離式雙向六車道公路隧道。左右幅隧道凈距離為28.21 m～29.00 m，隧道凈寬15.4 m，凈高5.0 m，屬于超大斷面隧道。甸頭隧道與大西二級(jí)公路存在兩處交叉，分別交叉于左幅的ZK6+997—ZK7+012段和右幅的YK7+030—YK7+045段。左、右幅隧道交叉點(diǎn)埋深均為10 m～14 m，屬于近距離交叉工程。

甸頭隧道近距離下穿的大西二級(jí)公路為連接大理市和賓川縣的唯一通道，沿線砂石料廠、水泥廠分布較多，周圍人口密集，交通量日均高達(dá)3萬(wàn)輛，其中重型車和超限車約80%，該路安全暢通對(duì)于人民群眾生產(chǎn)、生活具有十分重要的作用。

1.2 地質(zhì)情況

為獲取隧道下穿公路段的地質(zhì)情況，在隧道下穿公路時(shí)進(jìn)口和出口段布置鉆孔，土層自上至下分別是歷史填土、全風(fēng)化玄武巖和強(qiáng)風(fēng)化玄武巖。其中歷史填土呈現(xiàn)黃褐色、褐灰色，全風(fēng)化玄武巖呈現(xiàn)黃褐色灰褐色，巖芯呈土狀；強(qiáng)風(fēng)化玄武巖灰褐色，隱晶—細(xì)粒結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。

1.3 施工方案

甸頭隧道下穿大西二級(jí)公路段采用三臺(tái)階法進(jìn)行施工。超前支護(hù)措施分為小導(dǎo)管注漿和超前大管棚：超前管棚采用Φ108 mm×6，長(zhǎng)15 m，環(huán)向間距30 cm；超前小導(dǎo)管采用Φ42 mm×4，長(zhǎng)5.0 m，環(huán)向間距40 cm，設(shè)置于襯砌拱部約120°范圍；初期支護(hù)：由噴射混凝土(C30，厚度為29 cm)、徑向錨桿(長(zhǎng)度4.5 m，間距為1.0 m×0.6 m)、鋼筋網(wǎng)(8@150 mm×150 mm)及工字鋼鋼架(間距50 cm)組成；二襯采用C30鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，厚度70 cm，以確保隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全。支護(hù)措施見圖1和圖2。

上臺(tái)階開挖進(jìn)尺為每循環(huán)0.5 m～1.0 m，采用機(jī)械開挖，以確保現(xiàn)場(chǎng)施工安全。

圖1 穿越段襯砌段面示意圖(單位：cm)

圖2超前支護(hù)措施縱斷面示意圖

2 屈服接近度函數(shù)

Mohr-Coulomb準(zhǔn)則在前巖土工程中應(yīng)用廣泛，本文考慮巖土體為理想彈塑性模型，滿足Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則，其在主應(yīng)力空間的表達(dá)式為：

(1)

式中：I1、J2分別是應(yīng)力張量的第一和第二不變量；θσ為應(yīng)力羅德角；c和φ分別代表巖土體的黏聚力和內(nèi)摩擦角。

F(σπ，τπ，θσ)=Aσπ+B(θσ)τπ+D

(2)

其中

(3)

(4)

D=-ccosφ

(5)

根據(jù)上述表達(dá)式可以看出，主應(yīng)力空間的任意一點(diǎn)均可以表示為子午面和π平面上的一點(diǎn)，以A點(diǎn)為例，如圖3、圖4所示。

圖3 子午面上一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)

圖4平面上一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)

(6)

其中C點(diǎn)位于屈服面上，因此坐標(biāo)滿足關(guān)系式(2)，因此

(7)

將式(7)代入式(6)，可得

(8)

可以看出，當(dāng)應(yīng)力點(diǎn)在屈服面上時(shí)，f=0，在等傾線上時(shí)，f=1。因此，屈服接近度為描述一點(diǎn)的現(xiàn)時(shí)狀態(tài)與相對(duì)最安全狀態(tài)的參量的比，其取值范圍為[0,1]。

圖5是σ-τ平面內(nèi)的Mohr圓與剪切包絡(luò)線和拉伸包絡(luò)線的關(guān)系示意圖，同時(shí)考慮剪切和拉伸破壞兩種情況。直線BC和BD同為圓1切線，P點(diǎn)是圓心。當(dāng)圓2的圓心處在點(diǎn)圓1的圓心左側(cè)(或右側(cè))時(shí)，對(duì)應(yīng)只考慮剪切(或拉伸)屈服，此時(shí)屈服接近度的計(jì)算公式為：

(9)

因此，同時(shí)考慮剪切和拉伸的屈服接近度函數(shù)為：

(10)

其中σR為圖5中點(diǎn)P的正應(yīng)力。

圖5拉伸-剪切破壞的分析圖

根據(jù)上述推導(dǎo)的屈服接近度公式，采用FLAC3D編寫Fish程序，分析甸頭隧道下穿公路段的巖體屈服接近度的演化，并和塑性區(qū)發(fā)展相比較，來(lái)研究隧道圍巖的穩(wěn)定性。

3 計(jì)算分析

選取甸頭隧道下穿公路的進(jìn)口段建立二維模型，如圖6所示。其中模型的長(zhǎng)度和寬度選取充分考慮邊界效應(yīng)的影響。根據(jù)上述的地質(zhì)概況，隧道圍巖自上至下分別是碎石土、全風(fēng)化和強(qiáng)風(fēng)化玄武巖。

根據(jù)地質(zhì)勘察，室內(nèi)試驗(yàn)和工程類比，確定隧道圍巖及加固措施的力學(xué)參數(shù)如表1所示。

圖6模型示意圖(單位：m)

數(shù)值計(jì)算中，圍巖采用彈塑性本構(gòu)和Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則。錨桿和初襯混凝土采用彈性模型。由于隧道處于淺埋狀態(tài)，因此只考慮因巖體重力引起的初始地應(yīng)力。實(shí)際中，隧道開挖屬于三維問(wèn)題。當(dāng)采用二維問(wèn)題進(jìn)行模擬時(shí)，就必須考慮應(yīng)力釋放率[15]的問(wèn)題。根據(jù)圍巖類型和文獻(xiàn)參考，考慮隧道開挖時(shí)應(yīng)力釋放30%，施加初支后釋放70%。

表1 巖土力學(xué)參數(shù)表

圖7不同開挖步下的隧道圍巖屈服接近度

圖7展示了不同開挖步下的隧道圍巖屈服接近度(YAI)分布情況。需要注意的是，這里為了和塑性區(qū)相對(duì)應(yīng)，選取1-YAI作為新的屈服接近度指標(biāo)。因此，塑性區(qū)主要是屈服接近度為1的區(qū)域，越靠近該區(qū)域，危險(xiǎn)性程度越高。

從圖7中可以看出：

(1) 臺(tái)階法開挖時(shí)，每級(jí)臺(tái)階開挖支護(hù)后，屈服接近度為1的區(qū)域都主要集中在拱腳部位。

(2) 拱頂處由于管棚超前支護(hù)和超前小導(dǎo)管注漿的作用，其屈服接近度很小。然而，加固區(qū)頂部的周邊圍巖由于隧道的開挖其屈服接近度急劇增大。

(3) 由于左幅隧道開挖的影響，使得右幅隧道的加固區(qū)附近圍巖大于左幅隧道相應(yīng)位置的屈服接近度。

(4) 隧道開挖完畢，右幅隧道大于左幅隧道周邊圍巖屈服接近度為1的區(qū)域，即右幅隧道大于左幅隧道進(jìn)入塑性的圍巖區(qū)域，這和塑性區(qū)分布圖一致(見圖8)。

如果將屈服接近度大于0.7的屈服劃分為重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域，則該隧道的關(guān)注區(qū)域如圖9所示，即：隧道拱腰周邊的圍巖。根據(jù)隧道支護(hù)情況，目前錨桿加固的范圍基本涵蓋了關(guān)注區(qū)域的范圍，僅在拱腳附近需要加長(zhǎng)錨桿的長(zhǎng)度。

圖8 圍巖的塑性區(qū)分布

圖9關(guān)注區(qū)域

4 結(jié) 論

依據(jù)周輝等提出的屈服接近度的定義，針對(duì)甸頭隧道下穿大西公路段，采用平面模型開展了隧道開挖過(guò)程中屈服接近度的計(jì)算和轉(zhuǎn)移分析，并和圍巖的塑性區(qū)發(fā)展過(guò)程相比較，開展圍巖的穩(wěn)定性研究。根據(jù)研究結(jié)果，提出針對(duì)拱腳附近需要加長(zhǎng)錨桿的長(zhǎng)度，以保證圍巖的整體穩(wěn)定性。

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