王建華

(招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司，重慶　400067)

淺埋偏壓連拱隧道破壞機(jī)理及處治措施研究

王建華

(招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司，重慶400067)

摘要：目前隧道設(shè)計(jì)主要采用工程類比法，即依據(jù)圍巖級別選取相應(yīng)的支護(hù)參數(shù)，但對于某些特殊地段，需進(jìn)行特殊的論證和設(shè)計(jì)。以楊崗1號(hào)隧道進(jìn)口淺埋偏壓段為工程背景，通過強(qiáng)度折減法計(jì)算隧道在未采取任何措施情況下和采取反壓回填后其安全系數(shù)大小及塑性區(qū)的分布，對反壓回填措施的合理性及有效性進(jìn)行評估，并根據(jù)塑性區(qū)的分布指出施工注意事項(xiàng)。

關(guān)鍵詞：淺埋偏壓隧道；反壓回填；強(qiáng)度折減法；安全系數(shù)

1問題提出

目前公路隧道設(shè)計(jì)往往采用工程類比法，即主要依據(jù)圍巖級別選用相應(yīng)的支護(hù)參數(shù)[1]。顯然這種做法缺乏理論依據(jù)，有諸多不合理性。針對目前工程中存在的問題，鄭穎人等[2-5]提出可以采用強(qiáng)度折減法計(jì)算隧道的安全系數(shù)，即進(jìn)行有限元計(jì)算分析時(shí)，選用不同折減系數(shù)并按照下列式(1)和式(2)不斷地改變材料的2個(gè)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)即粘聚力和內(nèi)摩擦角，并將其帶入有限元模型中進(jìn)行試算。通過多次試算就能夠找到“瀕臨破壞的極限狀態(tài)”，該狀態(tài)時(shí)的折減系數(shù)即為安全系數(shù)[6-9]。

(1)

(2)

式中：c、c′分別為強(qiáng)度折減前、后的粘聚力；φ、φ′分別為強(qiáng)度折減前、后的內(nèi)摩擦角；F為折減系數(shù)。

實(shí)際工程中，諸多專家學(xué)者曾運(yùn)用上述抗剪強(qiáng)度折減方法解決了大量隧道施工力學(xué)的問題。此外，巖土材料有時(shí)會(huì)發(fā)生抗拉破壞，而陳力華、靳曉光等[10-14]針對隧道巖土結(jié)構(gòu)張拉強(qiáng)度對其穩(wěn)定性的影響進(jìn)行了相關(guān)研究，最終提出了“張拉及剪切破壞的強(qiáng)度折減法”，即在有限元強(qiáng)度折減法中除了對抗剪強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行折減外，還應(yīng)對抗拉強(qiáng)度T進(jìn)行折減。

(3)

式中：T、T′分別為材料折減前、后的抗拉強(qiáng)度。

研究表明，改進(jìn)后的強(qiáng)度折減法更適用于可能發(fā)生張拉破壞的巖土結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析[10]。本文主要應(yīng)用有限元強(qiáng)度折減法來評估楊崗1號(hào)隧道進(jìn)口淺埋偏壓段施工對整個(gè)坡體穩(wěn)定性的影響，并對反壓回填處治措施方式的合理性進(jìn)行評價(jià)。

2隧道安全性分析

2.1工程背景

粵湘高速公路博羅至深圳段楊崗1號(hào)隧道穿過丘陵地貌區(qū)，為雙洞6車道連拱隧道。該隧道隧址區(qū)地層主要為侏羅系下統(tǒng)金雞組泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖、砂巖及其風(fēng)化層。其進(jìn)口端為連拱隧道，且存在大跨、淺埋、偏壓等不利因素。楊崗1號(hào)隧道進(jìn)口地形及隧道布置如圖1所示。

楊崗1號(hào)隧道采用新奧法設(shè)計(jì)。洞口段錨桿采用長400 cmΦ25 mm的中空注漿錨桿，環(huán)向間距100 cm，縱向間距50 cm。初期支護(hù)采用厚28 cm的C20噴射混凝土，內(nèi)置22 b工字鋼，工字鋼間距50 cm。2次襯砌為模筑混凝土，厚65 cm。

圖1　楊崗1號(hào)隧道進(jìn)口地形及隧道布置

2.2有限元計(jì)算模型

本文將楊崗1號(hào)隧道進(jìn)洞口淺埋偏壓段作為算例模型，研究隧道支護(hù)參數(shù)的合理性。計(jì)算模型如圖2所示。

圖2　有限元計(jì)算模型

2.3計(jì)算參數(shù)選定

計(jì)算選用圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。支護(hù)材料參數(shù)滿足GB 50010—2002《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[11]的規(guī)定，圍巖的支護(hù)參數(shù)滿足JTG D70—2004《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]的要求。

表1　圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)

注：1.γ為材料重度；E為彈性模量；μ為材料泊松比。下同。2.錨桿的屈服強(qiáng)度為335 MPa，拱架的屈服強(qiáng)度為235 MPa。

2.4計(jì)算結(jié)果及分析

楊崗1號(hào)隧道未施工時(shí)及施工完成時(shí)山體內(nèi)潛在塑性區(qū)的分布如圖3所示。

未修建隧道時(shí)，邊坡安全系數(shù)為2.66，且形成了如圖3(a)所示的潛在滑動(dòng)面。如果不采取任何工程措施，偏壓連拱隧道施工成型后隧道的潛在模式如圖(b)所示，隧道安全系數(shù)為1.44。破壞部位分布情況如下。

圖3　楊崗1號(hào)隧道塑性區(qū)分布

1) 坡體前緣(①處)產(chǎn)生塑性區(qū)，是受到坡體土的擠壓而產(chǎn)生。

2) 左右2洞洞頂產(chǎn)生了貫通于地表的塑性區(qū)(②、③處)。因此，現(xiàn)場監(jiān)測時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)對隧道地表的觀察，防止塌方。

3) 2洞相連的中隔墻頂部產(chǎn)生塑性區(qū)(④處)，這是因?yàn)槭艿狡麦w下滑推力的影響，中隔墻發(fā)生了偏位。因此，有必要針對隧道可能發(fā)生的破壞模式進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測。

4) 隧道深埋側(cè)后緣產(chǎn)生了塑性區(qū)(⑤處)，但未貫通。因此，現(xiàn)場施工時(shí)應(yīng)注意深埋側(cè)隧道內(nèi)側(cè)側(cè)墻的失穩(wěn)和變形。

隧道安全系數(shù)到底取值多少才是安全的，目前尚無定論。文獻(xiàn)[10]針對黃土隧道的穩(wěn)定性對安全系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了初步探討，并指出：2次襯砌的安全系數(shù)可按當(dāng)前國內(nèi)現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定執(zhí)行，即安全系數(shù)大于2.0～2.4，以確保隧洞長期安全；如果初期襯砌安全系數(shù)不足，則必須增加初期支護(hù)數(shù)量?；谶@一結(jié)論，楊崗1號(hào)隧道如果按照固有的方法設(shè)計(jì)則隧道偏危險(xiǎn)，故必須采取加固措施。

3反壓回填處治措施效果評價(jià)

3.1工程措施

楊崗1號(hào)隧道施工時(shí)，由于偏壓可能發(fā)生失穩(wěn)，故首先對淺埋側(cè)地層進(jìn)行加固，并于隧道左側(cè)設(shè)置了擋土墻，其距隧道16 m，然后進(jìn)行反壓回填，增加淺埋段覆土層厚度以減弱偏壓程度。擋土墻及回填土布置如圖4所示。

圖4　楊崗1號(hào)隧道反壓回填施工

3.2有限元計(jì)算模型建立

根據(jù)反壓回填設(shè)計(jì)建立了有限元模型，如圖5所示。

圖5　反壓回填有限元計(jì)算模型

3.3計(jì)算參數(shù)選定

回填土及擋土墻的物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表2　回填土及擋土墻物理力學(xué)參數(shù)

3.4計(jì)算結(jié)果及分析

根據(jù)強(qiáng)度折減法的基本原理，按照式(1)、(2)對材料強(qiáng)度進(jìn)行折減，直到折減系數(shù)F=2.02時(shí)，若繼續(xù)增加折減系數(shù)，計(jì)算不再收斂，則可以認(rèn)定整個(gè)體系的安全系數(shù)為2.02，而未采取反壓回填處治措施時(shí)隧道的安全系數(shù)為1.44。由此可知，反壓回填措施使隧道安全系數(shù)提高了40%以上，證明采用反壓回填措施是有效的。

施加擋土墻不僅可改變隧道結(jié)構(gòu)本身的受力，使隧道的偏壓受力得到緩解，尤其對于連拱隧道，擋土墻使兩側(cè)推力大致相等，更有利于隧道穩(wěn)定；而支護(hù)在邊坡坡腳的擋土墻，能為滑坡提供更大的抗滑力，有利于邊坡的整體穩(wěn)定。

反壓回填極限狀態(tài)時(shí)的塑性區(qū)云圖如圖6所示。從圖6可以看出：

圖6　反壓回填極限狀態(tài)時(shí)的塑性區(qū)云圖

1) 受擋土墻反向推力的影響，整個(gè)邊坡并未形成貫通的滑動(dòng)面，故邊坡穩(wěn)定且無整體下滑的趨勢。

2) 中隔墻頂部最危險(xiǎn)，最容易發(fā)生破壞，因此實(shí)際施工過程中應(yīng)加強(qiáng)中隔墻的觀測，特別應(yīng)保證中隔墻頂部錨桿的注漿效果。

3) 深埋側(cè)隧道內(nèi)側(cè)仍存在部分塑性區(qū)，說明坡體仍有下滑趨勢，現(xiàn)場施工時(shí)應(yīng)注意觀察內(nèi)側(cè)隧道側(cè)墻的變形情況。

4結(jié)論及建議

1) 有限元強(qiáng)度折減法計(jì)算方法比較簡單，能夠定量計(jì)算隧道安全系數(shù)的大小及隧道潛在破壞面的位置，并可根據(jù)潛在破壞面的位置采取有針對性的處置措施，在隧道工程中有廣泛的應(yīng)用前景。

2) 計(jì)算結(jié)果表明，楊崗1號(hào)隧道進(jìn)口段采取了反壓回填措施后，隧道的安全系數(shù)明顯得到提高，塑性區(qū)范圍大大減少，從而證明采用反壓回填的措施是可行的。

3) 反壓回填后，隧道中隔墻頂部仍出現(xiàn)了塑性區(qū)，說明此位置最容易發(fā)生破壞。因此，現(xiàn)場施工時(shí)，應(yīng)采取以下措施：(1) 中導(dǎo)洞頂部采用注漿加固措施，加強(qiáng)注漿施工的質(zhì)量；(2) 重視鋼拱架與中隔墻連接的質(zhì)量；(3) 監(jiān)測中隔墻的偏移變形情況，因?yàn)橹懈魤Φ钠D(zhuǎn)情況可以反映隧道的穩(wěn)定性。

4) 淺埋偏壓段隧道的穩(wěn)定性不僅僅與隧道支護(hù)參數(shù)的穩(wěn)定性有關(guān)，其在很大程度上受制于坡體的穩(wěn)定性，因此，提高工程安全性的辦法應(yīng)從提高坡體穩(wěn)定性的角度來考慮。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]重慶交通科研設(shè)計(jì)院.JTG D70—2004公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2004．

[2]趙尚毅，鄭穎人，時(shí)衛(wèi)民，等．用有限元強(qiáng)度折減法求邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)[J]．巖土工程學(xué)報(bào)，2002，24(3)：343-346．

[3]趙尚毅，鄭穎人，鄧衛(wèi)東．用有限元強(qiáng)度折減法進(jìn)行節(jié)理巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析[J]．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2003，22(2)：254-260．

[4]鄭穎人，趙尚毅．有限元強(qiáng)度折減法在土坡與巖坡中的應(yīng)用[J]．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004，23(19)：381-388．

[5]UGAI K．A method of calculation of total safety factor of slopes by elastoplastic FEM [J]．Soils and Foundations，1989，29(2)：190-195．

[6]鄭穎人，胡文清，王敬林．強(qiáng)度折減有限元法及其在隧道與地下洞室工程中的應(yīng)用[J]．現(xiàn)代隧道技術(shù)，2004(增)：239-243．

[7]鄭穎人，趙尚毅．巖土工程極限分析有限元法及其應(yīng)用[J]．土木工程學(xué)報(bào)，2005，38(1)：91-104．

[8]鄭穎人，趙尚毅，鄧楚鍵，等．有限元極限分析法發(fā)展及其在巖土工程中的應(yīng)用[J]．中國工程科學(xué)，2006，8(12)：39-61．

[9]張黎明，鄭穎人，王在泉，等．有限元強(qiáng)度折減法在公路隧道中的應(yīng)用探討[J]．巖土力學(xué)，2007，28(1)：97-101．

[10]陳力華，靳曉光.有限元強(qiáng)度折減法中邊坡3種失效判據(jù)的適用性研究[J]．土木工程學(xué)報(bào)，2012，45(9)：136-146．

[11]中國建筑科學(xué)研究院．GB 50010—2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]．北京：人民交通出版社，2010．

[12]張紅，鄭穎人，楊臻，等．黃土隧洞支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法探討[J]．巖土力學(xué)，2009，30(增2)：473-478．

Research on Failure Mechanism of Shallow-embedded Biased Multiarch Tunnels and Treatment Measures

WANG Jianhua

Abstract:At present the engineering analogy method is mainly adopted in design of tunnels, i.e. corresponding support parameters are selected according to the grades of wall rock, however, for some special sections, special argumentation and design are required. With the shallow-embedded biased section at the inlet of Yanggang No.1 Tunnel as project background, this paper calculates the safety coefficient and distribution of plastic zones of the tunnel in the cases that any measure is not adopted and after back pressure backfill is adopted through the strength deduction method, evaluates rationality and effectiveness of back pressure backfilling measures, and points out precautions in construction according to distribution of plastic zones.

Keywords:shallow-embedded biased tunnel; back pressure backfill; strength deduction method; safety coefficient

DOI:10.13607/j.cnki.gljt.2016.03.022

基金項(xiàng)目：重慶市應(yīng)用開發(fā)項(xiàng)目(CSTC2013YYKFA30003)；重慶市科技攻關(guān)項(xiàng)目(CSTC2011AC6212)

收稿日期：2015-12-21

作者簡介：王建華(1976-)，男，四川省安岳縣人，碩士，高工。

文章編號(hào)：1009-6477(2016)03-0098-04中圖分類號(hào)：U459.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A