柴喜林

中鐵隧道集團(tuán)杭州公司

不同地質(zhì)條件淺埋偏壓小凈距隧道施工力學(xué)效應(yīng)探索

柴喜林

中鐵隧道集團(tuán)杭州公司

隧道施工會(huì)破壞地質(zhì)巖層結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，致使覆蓋層的圍巖穩(wěn)定性變差，引起隧道坍塌。所以為了避免隧道坍塌造成施工事故，施工中的力學(xué)效應(yīng)就變得極為講究。尤其是在不同地質(zhì)條件下，對(duì)于淺埋偏壓小凈距隧道的施工力學(xué)也頗為不同。本文圍繞了隧道偏影響因素和不同地質(zhì)條件下隧道施工的力學(xué)特性進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析，希望對(duì)隧道施工的安全防護(hù)工作有所幫助。

隧道偏壓；小凈距隧道；圍巖；淺埋；地質(zhì)條件

小凈距隧道施工由于圍巖覆蓋層穩(wěn)定性差和地形偏壓等環(huán)境影響，其工序復(fù)雜且危險(xiǎn)性高，稍有不慎就會(huì)造成隧道坍塌。實(shí)際上，這種危險(xiǎn)性更來源于地形的不對(duì)稱亦或是地質(zhì)巖層不同的原因。

一、隧道偏壓

（一）隧道地形偏壓

首先要了解隧道地形偏壓主要由兩種，一種是穩(wěn)定地形偏壓，這種情況下的偏壓諧波不存在運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)和地層蠕變。但是如果它的圍巖級(jí)別很差，有很大坡度時(shí)，隧道的荷載偏壓就會(huì)增加，這種情況一般發(fā)生在隧道傍山處的淺埋地段。

還有一種叫做蠕變偏壓。它是在傍山斜坡位置發(fā)生了蠕變位移從而產(chǎn)生偏壓。蠕變偏壓的不確定因素是它的滑坡滑動(dòng)面不確定，在遇到坡面土體開挖、河流沖刷和水位降低等情況，因?yàn)槠涞匦味盖偷脑蚨伎赡苄纬蓢?yán)重的偏壓。如圖1.

圖1 坡面蠕動(dòng)可能引起的隧道偏壓示意圖

（二）施工引起的偏壓

在了解了地形偏壓后，就可以大概明確如果在隧道施工中采取了不妥當(dāng)?shù)氖┕し椒ň涂赡軐?dǎo)致施工過程中的隧道斷面甚至局部坍塌。這是因?yàn)楫?dāng)施工過程觸動(dòng)和破壞了圍巖巖層的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性后，圍巖的應(yīng)力相對(duì)穩(wěn)定性改變，其應(yīng)力被迫集中而引起了隧道偏壓。在小凈距的隧道施工中，隧道施工由于不能確保完全同步，其兩邊的襯砌受力也會(huì)不對(duì)稱，結(jié)合半硬半軟巖層的特點(diǎn)，偏壓現(xiàn)象有很大可能出現(xiàn)。

二、淺埋偏壓小凈距隧道

（一）內(nèi)涵和特點(diǎn)

小凈距隧道不同于分離式隧道和連拱式隧道，它的結(jié)構(gòu)介于兩者之間，相比于兩種隧道，它擁有占地少、連線難度小等特點(diǎn)，而且施工工期短，是隧道施工中比較常見的隧道類型。

（二）施工特點(diǎn)

淺埋偏壓小凈距隧道在施工中有許多特點(diǎn)，要引起注意。

首先此類型隧道的上覆蓋土層很淺，且經(jīng)過了長(zhǎng)期的圍巖風(fēng)化，承載能力不容樂觀。所以在進(jìn)行拱橋隧洞設(shè)計(jì)時(shí)很難做成壓力拱。隧道在施工開挖就會(huì)對(duì)其地表和洞頂圍巖造成一定的傷害。

其次，這種隧道一般都位于強(qiáng)偏壓地帶，而且伴隨著蠕動(dòng)偏壓所造成的邊坡穩(wěn)定性不足。如果其坡體的穩(wěn)定性被破壞，就會(huì)出現(xiàn)山體滑坡也會(huì)將隧洞堵住造成事故。這種坡體滑動(dòng)所造成的襯砌結(jié)構(gòu)偏壓荷載，會(huì)直接致使隧道的支護(hù)結(jié)構(gòu)被破壞。

（三）淺埋偏壓小凈距隧道圍巖壓力的計(jì)算

目前的隧道圍巖壓力計(jì)算還處于數(shù)值模擬、模型試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的階段。所以根據(jù)淺埋偏壓小凈距隧道的圍巖壓力特征，專家提出了在偏壓條件下單洞隧道的圍巖壓力計(jì)算方法。

公式中，Q是垂直總壓力，h1是內(nèi)側(cè)拱頂水平面距離地表的高度，h2是外側(cè)拱頂水平面距離地表的高度，B是隧洞的跨度，r是圍巖的重度，θ是兩側(cè)土注內(nèi)的摩擦角，λ和λ’是內(nèi)外側(cè)的偏壓側(cè)壓力系數(shù)。所以得出圍巖側(cè)壓力為：

λ=1/tanβ-tanαx tanβ-tanゆc/1+tanβc-(tanゆc-tanθ)+tanゆctanθ

公式中α為地形偏壓角度，ゆc是圍巖的計(jì)算摩擦角，β為外側(cè)產(chǎn)生最大推力時(shí)的破裂角。

根據(jù)計(jì)算結(jié)論得出，在埋深一定的情況下，隧道的側(cè)壓力系數(shù)會(huì)隨著兩洞間距的增加而增大。如果地形偏壓角度增加，側(cè)壓力的系數(shù)會(huì)變小。而在淺埋偏壓小凈距隧道外側(cè)的圍巖壓力相差比較大的時(shí)候，就說明在這時(shí)開挖小凈距隧道會(huì)產(chǎn)生較明顯的偏壓現(xiàn)象，這時(shí)施工就應(yīng)該注意安全保護(hù)措施。

三、不同地質(zhì)條件下的偏壓施工力學(xué)分析

本文對(duì)淺埋小凈距的隧道進(jìn)行了不同地質(zhì)條件下偏壓角度的力學(xué)特征分析。如果考慮3種地表坡度α分別為0°、20°、40°，淺埋側(cè)埋的固定深度為10m，隧道的左右水平凈距離為15m。

（一）隧洞中圍巖的屈服度

在地形偏壓為無偏壓（即0°）、20°、40°三種情況下，小凈距偏壓隧道施工可能會(huì)引起隧洞的圍巖屈服特征如圖2、3、4.

圖2 隧道無偏壓圍巖屈服度

圖3 隧道20°圍巖屈服度

圖4 隧道40°圍巖屈服度

在地形偏壓為無偏壓（0°）的情況下，隧道洞口左右距離的屈服度其最大值是η=0.63，它們出現(xiàn)在左右洞的拱腳和邊墻處。但是它的中心巖柱的屈服接近度很小，僅有0.3。不過總的看來在無偏壓條件下的隧道圍巖無論是兩側(cè)還是中間巖柱的受力狀態(tài)和穩(wěn)定性都是最好的。

當(dāng)?shù)匦纹珘浩露仍?0°的時(shí)候，隧洞中的深埋側(cè)邊隧道圍巖屈服度。它的屈服度η＞0.5，其分布范圍是明顯大于淺埋測(cè)的，所以偏壓現(xiàn)象也比較明顯。它的最大屈服度出現(xiàn)在邊墻、拱腳和墻腳處，最大屈服度達(dá)到了0.85，比平坡提高了30%。中間巖柱和上下去的最大連接屈服度也比平坡有大幅增長(zhǎng)，η=0.58。所以在偏壓20°的時(shí)候，中間巖柱和圍巖等受力狀態(tài)較之前增大且穩(wěn)定性有下降趨勢(shì)，整體穩(wěn)定性一般。

當(dāng)偏壓坡度達(dá)到40°的時(shí)候，小凈距隧道表現(xiàn)出了明顯的偏壓。其中它的深埋圍巖屈服接近度達(dá)到了最大η=1。而且η＞0.8的分布范圍激光，在隧道圍巖的各個(gè)部位包括頂層、底部都出現(xiàn)了η＞0.8的情況。它的最大屈服度在隧道的拱腳、邊墻和墻腳處都接近0.99。比平坡時(shí)大幅提高了80%以上。中間巖柱上下去的最大連接屈服度也顯現(xiàn)出明顯的偏壓，最高達(dá)到0.9。所以當(dāng)偏壓達(dá)到40°時(shí)，圍巖和中間巖柱的受力狀態(tài)表現(xiàn)出極差的穩(wěn)定性，需要引起施工的強(qiáng)烈注意。

在淺埋小凈距隧道偏壓值大于20°后，偏壓隧道的深埋側(cè)邊墻處和淺埋側(cè)靠近巖柱邊的拱腰和邊腰出η值較大，所以此區(qū)域就會(huì)產(chǎn)生塑性區(qū)；而隨著地形偏壓的加劇，深埋側(cè)邊墻的圍巖屈服度就會(huì)快速增大，并且會(huì)向拱腳與墻腳處延伸，最終形成連通區(qū)域。這些區(qū)域的塑性區(qū)面積增加越多，淺埋側(cè)增長(zhǎng)值增長(zhǎng)越緩慢。另外，偏壓角的增加，小凈距隧道中間巖柱的最大聯(lián)通圍巖屈服度增幅也會(huì)越明顯，它貫通區(qū)域面積增幅也會(huì)愈大。所以淺埋側(cè)拱腰與深埋側(cè)墻腳處是淺埋偏壓隧道施工整個(gè)過程的最薄弱環(huán)節(jié)，容易出現(xiàn)不穩(wěn)等問題。要注意安保措施。

總結(jié)：

通過對(duì)不同地質(zhì)條件和偏壓角度下淺埋偏壓小凈距隧道的圍巖和中間巖柱的測(cè)試發(fā)現(xiàn)，其圍巖屈服接近度的不同會(huì)給隧洞巖層和山坡帶來不同程度的偏壓現(xiàn)象，這種偏壓現(xiàn)象越大，對(duì)施工的力學(xué)效應(yīng)和難度也就越大，危險(xiǎn)性也越大。淺埋洞中夾巖測(cè)拱腳、深埋洞兩側(cè)的拱腳和拱腰是淺埋偏壓小凈距隧道施工工程中最為薄弱、最需要保持警惕的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，可能會(huì)出現(xiàn)危險(xiǎn)的滑坡甚至坍塌，所以在施工時(shí)一定要格外注意，加強(qiáng)安全措施。

[1]祁寒,高波,王帥帥等.不同地質(zhì)條件淺埋偏壓小凈距隧道施工力學(xué)效應(yīng)研究[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2014,51(4).

[2]彭琦,羅威,李亮等.淺埋偏壓小凈距隧道施工力學(xué)數(shù)值分析[J].鐵道建筑,2009(12).

[3]黃欣.淺埋偏壓小凈距隧道洞口段施工技術(shù)研究[D].中南大學(xué),2013.

[4]柴喜林.不同地質(zhì)條件下小凈距隧道施工方案.中鐵隧道集團(tuán)杭州公司.隧道建設(shè).2009（9）

柴喜林（1982-），漢族，男，江西萬年人，2004年畢業(yè)于中南大學(xué)土木工程專業(yè)，本科，工程師，從事項(xiàng)目施工技術(shù)與項(xiàng)目管理工作。