周小勇

(江西交通咨詢有限公司，江西 南昌 330000)

天然巖體是由各種結構面分割而成的巖石塊的組合體，具有不連續(xù)性、不均質(zhì)性、各向異性等特點，且?guī)r體受地質(zhì)構造作用影響較大[1]，因此地下結構的穩(wěn)定性受各種因素的影響具有明顯的不確定性。而非確定性方法可以有效地考慮巖體賦存環(huán)境及物理力學參數(shù)的變異性對地下工程穩(wěn)定性的影響[2]。

近年來非確定性方法廣泛應用于隧道工程中。如一次二階矩法、蒙特卡羅法、模糊可靠度分析法、響應面法、隨機有限元法等[3]。也有許多學者為了提高計算效率，針對不同工程領域提出了一系列改進方法。蘇永華等[4]通過改進二次二階矩法，提出一種新的可靠度求解途徑，對隧道工程的失穩(wěn)概率進行了分析研究。譚曉慧等[5]基于非線性隨機有限元加速收斂算法，對邊坡穩(wěn)定性進行了可靠度分析。Oreste[6]采用蒙特卡洛法對隧道穩(wěn)定性與支護結構參數(shù)進行了概率設計與評估?？煽慷确治鲇糜谒淼拦こ痰脑O計實例屢見不鮮，但針對膨脹土隧道穩(wěn)定性的可靠度分析還少見報道。

本文結合小河溝膨脹性黃土隧道工程，采用畢肖普法對隧道洞口仰坡塌方原因進行了分析。將隧道圍巖參數(shù)和膨脹力作為非確定性參數(shù)，通過收斂約束法求解隧道的安全系數(shù)，采用蒙特卡洛法進一步對隧道洞口仰坡塌方原因及隧道的穩(wěn)定性進行分析。

1 工程概況

小河溝膨脹性黃土隧道為雙線鐵路隧道，全長 1 800 m，最大埋深約82 m。該隧道在施工過程中由于突降暴雨，隧道發(fā)生塌方，洞口被埋。繼此次塌方之后，隧道又多次發(fā)生塌方。根據(jù)地質(zhì)勘查報告，隧址區(qū)上部為砂質(zhì)黃土，下部為膨脹性黃土。隧道穿越膨脹性黃土地層，膨脹性黃土具有中等膨脹潛勢。隧道洞口仰坡塌方可能是山體滑坡或黃土膨脹所致。

洞口仰坡滑塌會對隧道支護產(chǎn)生縱向作用力，而且隧道支護縱向連接性很差，較易發(fā)生破壞。為了探明滑塌具體原因，本文分別對隧道洞口仰坡的穩(wěn)定性與洞口支護結構強度進行分析。

2 隧道洞口仰坡穩(wěn)定性分析

采用畢肖普法[7]，利用STAB2005計算程序對隧道洞口仰坡的穩(wěn)定性進行分析。根據(jù)隧道地質(zhì)縱剖面圖，建立洞口仰坡穩(wěn)定性計算模型，可得到洞口仰坡的最不安全滑裂面位置，并與現(xiàn)場洞口仰坡滑裂面位置進行對比，從而確定最不安全滑裂面的位置，如圖1所示。

圖1 仰坡滑裂面

由圖1可知，現(xiàn)場出露的洞口仰坡滑裂面與計算得到的最不安全滑裂面基本重合。洞口仰坡滑裂面和最不安全滑裂面的安全系數(shù)均為0.758。初步說明隧道洞口仰坡滑塌由洞口仰坡失穩(wěn)引起，并非由隧道支護被破壞引起。

3 隧道洞口支護結構強度分析

3.1 圍巖膨脹力

由于隧道穿越膨脹土地層，施工過程中受到膨脹性黃土膨脹力的影響。膨脹性黃土的膨脹力大小與初始含水率及干密度有關。本文膨脹性黃土的膨脹力主要依據(jù)室內(nèi)試驗數(shù)據(jù)，并結合前人的研究成果[8]通過工程類比法確定。

文獻[8]中膨脹土與本工程膨脹性黃土物理參數(shù)對比見表1?？芍?個工程土樣的物理參數(shù)相近。因此，根據(jù)文獻[8]中試驗所得膨脹力、天然含水率及干密度，對本工程土樣的膨脹力進行擬合，可求得本工程膨脹土的膨脹力Ps與干密度ρd關系為

Ps=e5.724 ρd-4.62 (1)

3.2 支護結構體系安全系數(shù)

收斂約束法是通過隧道圍巖特性曲線與支護特性曲線來反映圍巖與支護結構的相互作用，來定量確定支護結構受力與位移的大小[9]。其基本原理如圖2所示。

圖2 收斂約束法基本原理

圖2中：P0為隧道開挖前的初始地應力值，Peq為圍巖與支護結構受力達到平衡時對應的支護壓力，Pmax為支護結構的最大支護力，u0為支護結構的初始支護位移，ueq為平衡位移，uel為最大彈性位移，umax為支護結構發(fā)生破壞時的位移。

支護結構體系的安全系數(shù)定義為支護結構體系的破壞應變與平衡點處應變之比[10]，即

Fs=εbr/εeq

(2)

因此，對于型鋼

(3)

對于噴射混凝土，當ueq≥uel時

當ueq

(4)

當采用型鋼和噴射混凝土聯(lián)合支護時，安全系數(shù)為支護結構體系的最大破壞應變與平衡點處應變之比。支護體系的最大破壞應變應為所有支護結構破壞應變的最小值。

3.3 支護方式及圍巖參數(shù)

小河溝隧道初期支護采用間距0.6 m的I20b工字鋼和25 cm厚C25噴射混凝土聯(lián)合支護。隧道圍巖物理力學參數(shù)統(tǒng)計結果見表2。

表2 隧道圍巖物理力學參數(shù)統(tǒng)計結果

3.4 膨脹力對隧道穩(wěn)定性的影響

在進行非確定性分析時，以洞口DK75+557斷面為研究對象，根據(jù)各參數(shù)值的分布特征，考慮各圍巖參數(shù)之間的相關性，引入?yún)f(xié)方差矩陣，采用蒙特卡洛方法進行抽樣，進而確定隧道圍巖特性曲線。結合聯(lián)合支護結構體系的支護特性曲線，即可得到隧道的安全系數(shù)。重復上述過程直到安全系數(shù)的概率分布趨于穩(wěn)定。

若不考慮隧道圍巖參數(shù)的變異性，僅考慮膨脹力的隨機性，則得到相應的隧道安全系數(shù)累計概率分布。隧道安全系數(shù)最大不超過1.7，最小為1.05。隧道處于安全狀態(tài)。

考慮圍巖參數(shù)的變異性時不同膨脹力作用下安全系數(shù)累計概率分布曲線見圖3。由圖3可進一步得到不同膨脹力作用下隧道的可靠度，見圖4。

圖3 不同膨脹力作用下安全系數(shù)累計概率分布圖4 不同膨脹力作用下隧道的可靠度

由圖3可知，隨著膨脹力增大，安全系數(shù)累計概率分布曲線具有整體向左移動的趨勢，說明膨脹力的存在導致隧道發(fā)生失穩(wěn)的風險增加。圖4亦說明了隨著膨脹力增加，可靠度近似呈線性減小。

4 結論

1)采用畢肖普法計算得到的最不安全滑裂面與隧道洞口觀測到的實際滑裂面一致。該隧道支護結構由于膨脹力作用發(fā)生破壞的概率較小。因此可認為該膨脹性黃土隧道洞口發(fā)生大體積塌方并非由隧道支護結構強度不足引起，而是由于降雨作用下隧道洞口仰坡滑塌沖擊隧道支護所致。

2)考慮圍巖參數(shù)的變異性，隧道可靠度與膨脹力呈線性關系。膨脹力對隧道安全系數(shù)影響較大，膨脹力越大，隧道失穩(wěn)風險越大。因此，在膨脹性黃土中開挖隧道時，應適當加強支護，避免工程災害的發(fā)生。

[1]沈明榮.巖體力學[M].上海：同濟大學出版社，2006.

[2]李奎,趙東平,路軍富.深埋隧道素混凝土襯砌可靠度計算模型研究[J].鐵道建筑,2014，54(7):38-42.

[3]吳德興，汪波，黃強，等.基于有限元響應面法的隧道襯砌可靠度分析[J].鐵道建筑，2007，47(3):56-59.

[4]蘇永華，梁斌.隧道結構中承載圍巖變形失穩(wěn)概率分析方法[J].土木工程學報，2015，48(8):110-117.

[5]譚曉慧，王建國，吳禮年，等.邊坡穩(wěn)定的非線性隨機有限元加速收斂算法的研究[J].巖土工程學報，2007，29(7):1030-1034.

[6]ORESTE P.A Probabilistic Design Approach for Tunnel Supports[J].Computers and Geotechnics,2005,32(7):520-534.

[7]趙勇.黃土隧道工程[M].北京：中國鐵道出版社，2011.

[8]朱豪，王柳江，劉斯宏，等.南陽膨脹土膨脹力特性試驗[J].南水北調(diào)與水利科技，2011(5):11-14.

[9]蘇永華，劉少峰，王凱旋，等.基于收斂-約束原理的地下結構穩(wěn)定性分析[J].巖土工程學報，2014，36(11):2002-2009.

[10]ORESTE P P.Analysis of Structural Interaction in Tunnels Using the Covergence-confinement Approach[J].Tunnelling and Underground Space Technology,2003(4):347-363.