張成良，張金瑞，曹孟瀟，王 超

(昆明理工大學(xué) 國土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650093)

目前，隧道形式主要三種：分離式、小凈距和連拱隧道[1].在實(shí)際公路建設(shè)過程中，修建隧道時常會遇到地形陡峭、脊骨相間的“雞爪”地帶.這時連拱隧道就會因其雙洞軸線間距小、節(jié)約面積、便于洞內(nèi)外路線銜接等優(yōu)點(diǎn)而廣泛采用.根據(jù)許多學(xué)者的理論研究和實(shí)際工程表明：在隧道開挖前，巖土體處于應(yīng)力平衡狀態(tài).因此，提倡采用“自然進(jìn)洞法”[3]，即在隧道進(jìn)洞前先采取超前大管棚、擋土墻、洞內(nèi)外注漿等一些圍巖加固措施，在不破壞原有山體的情況下，實(shí)現(xiàn)順利進(jìn)洞.如果安全處置措施不妥當(dāng)，就很有可能發(fā)生洞口坍塌、邊仰滑坡等病害，使工期延誤，造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失[4-7].劉小軍、張永興[8]通過FLAC3D軟件對淺埋偏壓隧道進(jìn)行數(shù)值模擬研究，對采用環(huán)形導(dǎo)坑預(yù)留核心土法對隧道開挖施工時，分析先開挖淺埋側(cè)和先開挖深埋側(cè)兩種不同施工工序，得到了最優(yōu)方案；Schumacher等[9]結(jié)合某高速公路偏壓連拱隧道進(jìn)行模型實(shí)驗(yàn)，表明一定的材料配比能較好的對圍巖力學(xué)特性進(jìn)行模擬研究；段海澎等[10]以富溪偏壓連拱隧道為研究對象，對圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形及受力特征進(jìn)行分析；劉文彬[11]結(jié)合某雙連拱隧道進(jìn)口偏壓段，對其管棚預(yù)支護(hù)進(jìn)行分析；趙樂之[12]以頭道穴隧道為研究對象，對進(jìn)口偏壓段進(jìn)行分析計算，得出能夠保證隧道施工時安全進(jìn)洞的加固方案；熊良宵[13]采用FLAC3D軟件，對黃草坪隧道進(jìn)行地震響應(yīng)的數(shù)值模擬研究；江學(xué)良等[14]采用動力模型相似理論，以設(shè)計的偏壓隧道模型為研究對象，進(jìn)行了大型振動臺試驗(yàn)，研究偏壓隧道在不同激振條件下的地震動力響應(yīng)特性；Kamata[15]通過有限元分析和現(xiàn)場監(jiān)測，對偏壓連拱隧道施工中出現(xiàn)的受力非對稱問題進(jìn)行了研究.連拱隧道側(cè)覆土層厚度在開挖過程中的豎向圍巖變形特性的研究，對于保證隧道穩(wěn)定具有重要的研究意義.本文采用理論分析和數(shù)值模擬分析并結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測對連拱隧道的變形特性展開研究.

1 工程概況

起鳳山隧道位于大理海東新城中心片區(qū)雙月路，其左、右幅起止里程K4+915～K5+290，分界段里程長375 m；隧道最大埋深約48 m；隧道所在路段縱坡為-0.617%.起鳳山隧道出口位于淺埋偏壓段，隧道上覆土層風(fēng)化嚴(yán)重，巖體破碎，圍巖完整性差，隧址區(qū)設(shè)計圍巖以V級為主.隧道為雙車道，其開挖跨度為15.23 m，高度為7.65 m.該隧道采用分幅開挖，取消中隔墻，左幅先行開挖、支護(hù)、襯砌完成后，再進(jìn)行淺埋側(cè)后行洞開挖.隧道的地質(zhì)縱斷面圖如下圖1.

圖1 隧道地質(zhì)縱斷面圖

根據(jù)相關(guān)規(guī)范，對于連拱隧道淺埋及深埋的分界，可結(jié)合地形地質(zhì)條件、施工工法、荷載等效高度值等綜合判定[10].通過對起鳳山隧道的縱斷面設(shè)計圖紙的分析、現(xiàn)場調(diào)查，并結(jié)合偏壓埋深臨界值得出該隧道淺埋與深埋的里程長度如表1所示；淺埋段的埋深與橫坡坡度之間的關(guān)系如表2所示.

表1 淺埋與深埋的段里程段落的劃分

表2 淺埋段的埋深與橫坡坡度之間的關(guān)系

2 偏壓隧道的力學(xué)特性分析

2.1 連拱隧道偏壓臨界埋深的界定

關(guān)于偏壓隧道的臨界埋深的界定，采用普氏理論計算隧道的自然拱.自然拱的形狀、高度和跨度都與巖石的堅固性系數(shù)有關(guān).自然拱的拋物線方程為

(1)

式中：b為自然拱跨度的一半，b=B/2，m;f為圍巖堅固系數(shù)(即普氏系數(shù))，由查表得出，或f=tanΦ0，Φ0為計算摩擦角.

在堅硬的巖體中，因?yàn)樗淼缼r體本身具有良好的自穩(wěn)能力，自然拱的跨度與隧道的跨度一致.在軟弱風(fēng)化破碎的巖體中，隧道巖體穩(wěn)定性差，隧道拱墻由于受到開挖擾動的影響，致使產(chǎn)生滑移，導(dǎo)致自然拱的跨度有所增大.如圖2所示.

此時隧道自然拱的跨度B為

B=Bt+2Htanβ

(2)

式中：B為自然拱的跨度，m；Ht為隧道的凈高，m；Bt為隧道的凈寬，m；β為破裂角，°.

根據(jù)以上理論分三步來計算臨界埋深：

第一步，以圍巖的內(nèi)摩擦角和隧道寬度為條件，計算出自然拱的半跨度b和圍巖堅固性系數(shù)f;

第二步，將上一步解出的結(jié)果帶入式1計算，并根據(jù)曲線方程繪制出自然拱的曲線；

第三步，根據(jù)不同的地表坡度與自然拱相切，切線與隧道中軸線的交點(diǎn)至隧道拱頂?shù)木嚯x即為臨界埋深.

起鳳山隧道為雙車道，其開挖跨度為15.23 m，高度為7.65 m.不同圍巖級別的參數(shù)如表3.根據(jù)橫坡坡度下理論計算的臨界埋深如表4所示.

圖2 坍落拱示意圖

表3 計算摩擦角取值

表4 偏壓臨界深度和橫坡坡度之間的關(guān)系(m)

2.2 偏壓隧道中埋深對圍巖壓力的影響研究

(1)隧道襯砌荷載

圖3結(jié)合圍巖壓力的計算給出了在對Ⅴ級圍巖、橫坡坡度為30°時，隧道在不同的埋深情況下，隧道內(nèi)外側(cè)的垂直壓力的變化規(guī)律.偏壓隧道圍巖壓力的計算公式為

(3)

其中：h,h′為內(nèi)、外側(cè)由拱頂水平至地面的高度，m；B為隧道寬度，m；θ為頂板土柱兩側(cè)摩擦角，°；γ為圍巖重度，kN/m2；λ,λ′為內(nèi)、外側(cè)的側(cè)壓力系數(shù).

(2)荷載作用下水平側(cè)壓力的計算

內(nèi)側(cè)壓力：

ei=γ·hiλ

(2)

外側(cè)壓力：

ei=γ·hi′λ′

(3)

(3)荷載作用下垂直壓力的計算

(4)

(5)

(6)

圖3 埋深與圍巖壓力關(guān)系

由圖3分析可以得出：水平壓力與豎向壓力都隨著埋深的增加而增加.隨著埋深的增加水平壓力比豎向壓力增量更快，當(dāng)埋深大于20 m以后，豎向壓力增加量迅速減小.這說明隧道在豎向受到的偏壓作用在埋深超過20 m以后增加量就逐漸減小了.同樣圍巖橫坡坡度在20°、40°時具有相似的規(guī)律.

3 不同覆土厚度條件下連拱隧道偏壓特性數(shù)值模擬分析

起鳳山隧道屬于埋深較淺的隧道，對于隧道的分析由于接近于地表，這時構(gòu)造地應(yīng)力已經(jīng)充分被釋放.故模型計算時只考慮自重應(yīng)力，不考慮構(gòu)造應(yīng)力.基于FLAC3D軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，為了簡化計算，并考慮邊界效應(yīng)對模型計算的影響，單幅隧道模型左邊界自隧道中心線算起不少于5D，右邊界取至自然坡面，模型下部邊界距離隧道仰拱底部不少于3D，隧道三維模型及開挖模型如圖4.

圖4 隧道三維模型網(wǎng)格劃分示意圖

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查的偏壓角度，針對不同側(cè)覆土層厚度隧道開挖變形特征進(jìn)行研究，圍巖級別選取Ⅴ級，對于橫坡的坡度，選取為25°、35°、45°，最大埋深取36 m，側(cè)覆土層厚度取1 m、2 m、3 m、4 m、5 m、6 m、7 m、8 m、9 m、11 m、13 m、15 m、17 m、19 m、21 m等工況進(jìn)行研究，相關(guān)計算材料的物理力學(xué)參數(shù)取值見表5.

表5 材料物為理力學(xué)參數(shù)

3.1 淺埋偏壓段應(yīng)力分析

在隧道應(yīng)力分析中以拉應(yīng)力為正、壓應(yīng)力為負(fù)，隧道開挖后主要是受拉應(yīng)力，在模擬分析中壓應(yīng)力取負(fù)值.隧道的最大剪切增量云圖反映了隧道開挖最容易受到破壞的地方.典型的隧道開挖后圍巖的應(yīng)力云圖和剪應(yīng)力云圖見圖5.

圖5 35°埋深13 m隧道開挖后圍巖最小主應(yīng)力云圖和最大剪切增量云圖

根據(jù)不同工況下隧道開挖后圍巖的應(yīng)力云圖和最大剪切增量云圖分析可以得出：(1)隧道開挖完成后，偏壓連拱隧道左、右幅均存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，主要發(fā)生在兩側(cè)的拱腳和拱底、中隔墻位置處，在施工過程中要特別引起注意；其次由于中隔墻構(gòu)造上的特殊和隧道開挖擾動后的影響，使隧道中隔墻受剪切破壞嚴(yán)重，偏壓連拱隧道在施工中隔墻時應(yīng)防止其受剪切產(chǎn)生破壞.(2)在相同的橫坡坡度下，最大剪應(yīng)力隨側(cè)覆土厚度的增加而增加.隨著側(cè)覆土厚度的增加，在隧道的拱腳處應(yīng)力集中有所改善.

3.2 淺埋偏壓段關(guān)鍵點(diǎn)位移分析

取拱頂沉降、左側(cè)拱肩水平位移作為關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行分析，并繪制不同工況下隧道開挖后隨側(cè)覆土厚度的變化拱頂沉降、左側(cè)拱肩水平位移曲線圖見圖6、圖7.

根據(jù)圖6、圖7分析可以得出：(1)隧道洞身開挖時，豎向位移值總體上都隨著側(cè)覆土厚度t值的增加而增加；在側(cè)覆土的厚度t值很小時，偏壓隧道洞身的開挖對豎向位移影響較大；隨著側(cè)覆土厚度的增加，隧道洞身的豎向位移增加量逐漸減小，當(dāng)側(cè)覆土厚度t=21 m時，豎向位移受側(cè)覆土厚度t值影響較小，只受圍巖本身巖土性質(zhì)的影響.(2)深埋主洞開挖會造成淺埋側(cè)主洞拱頂沉降量的大幅增加，是因?yàn)殡S著深埋主洞開挖，支撐兩洞拱頂土層重力的中隔墻反復(fù)受到擾動，且中隔墻本身厚度較小，使得承載能力減小，造成拱頂沉降量增大.(3)在同一工況下，對于拱頂沉降量，深埋側(cè)主洞總是大于淺埋側(cè)主洞的沉降量，這是因?yàn)樯盥駛?cè)主洞上覆土層較淺埋側(cè)厚所造成的.(4)在相同的橫坡坡度下，左側(cè)拱肩水平位移值總體上隨側(cè)覆土厚度t值的增大而減小，但是隨著側(cè)覆土厚度t值的增加，左側(cè)拱肩的水平位移值減小的速度越來越慢.

圖6 側(cè)覆土與拱頂位移關(guān)系圖

圖7 側(cè)覆土與拱肩水平位移關(guān)系圖

4 結(jié)論

通過對偏壓連拱隧道的偏壓特性進(jìn)行理論與數(shù)值分析，并結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)得出結(jié)論：

(1)圍巖的水平壓力和豎向壓力都隨著埋深的增加而增加，且隨著埋深的增加水平壓力比豎向壓力增量更快，當(dāng)埋深大于20 m以后，豎向壓力增加量逐漸減小.

(2)隨著側(cè)覆土厚度的增加以及深埋主洞開挖對中隔墻的擾動，中隔墻受到了較大的剪切應(yīng)力作用，受擾動后，這時需要特別注意中隔墻上方的巖土體的沉降，中隔墻斜上方的巖土體開挖擾動后向臨空面移動，作用在中隔墻上，中隔墻受重復(fù)的拉、壓、剪切作用，中隔墻的施工質(zhì)量成為控制上覆圍巖移動變形的關(guān)鍵.同時淺埋偏壓隧道開挖時拱腳出現(xiàn)了較大的應(yīng)力集中，隧道施工中要注意避免拱腳出現(xiàn)應(yīng)力集中.

(3)隧道洞身開挖時，豎向位移值總體上都隨著側(cè)覆土厚度t值的增加而增加；當(dāng)側(cè)覆土厚度t=21 m時，豎向位移與側(cè)覆土厚度t值基本沒有關(guān)系，基本只受圍巖本身巖土性質(zhì)的影響.