全 強(qiáng)，郭文靜，史培賀

(1.哈爾濱地鐵集團(tuán)有限公司，哈爾濱 150080；2.山東大學(xué) 巖土與結(jié)構(gòu)工程研究中心，濟(jì)南 250061)

隧道掘進(jìn)中，掌子面和超前圍巖的變形對隧道圍巖的穩(wěn)定性有著重要影響，因此保證掌子面及圍巖的穩(wěn)定性對施工安全來說至關(guān)重要。根據(jù)工程地質(zhì)勘察報(bào)告，哈爾濱地鐵工程主要為粉質(zhì)黏土地層且采用臺階法開挖。依托該工程，基于超前小導(dǎo)管的支護(hù)機(jī)理，通過建立掌子面穩(wěn)定性模型，研究其破裂機(jī)制，進(jìn)行掌子面穩(wěn)定性分析與評價(jià)，通過分析隧道圍巖彈塑性分布，研究二次應(yīng)力狀態(tài)，對隧道洞身穩(wěn)定性進(jìn)行評估。

1 開挖掌子面穩(wěn)定性評價(jià)

哈爾濱地鐵隧道采用臺階法開挖，該工程的支護(hù)形式為超前注漿小導(dǎo)管支護(hù)、初期支護(hù)及二次襯砌相結(jié)合。但對于隧道掌子面土質(zhì)較差、超前小導(dǎo)管參數(shù)不合理或支護(hù)措施不及時(shí)等情況，超前小導(dǎo)管對隧道圍巖的支護(hù)作用將會大大減小，極易導(dǎo)致坍塌事故，所以必須根據(jù)具體工程情況進(jìn)行掌子面穩(wěn)定性分析。

1.1 超前小導(dǎo)管支護(hù)作用機(jī)理

自身加固機(jī)理：錨桿作用。將超前小導(dǎo)管打入隧道拱頂一定范圍內(nèi)，提高圍巖的承載能力。漿液通道作用。小導(dǎo)管管體鉆孔后形成通道，有利于漿液擴(kuò)散，從而提高土體承載力。棚架作用。開挖初期未支護(hù)時(shí)，超前小導(dǎo)管對土體的支撐作用有利于掌子面的穩(wěn)定。

注漿加固機(jī)理：漿液對土體的擠密壓縮有利于提高圍巖穩(wěn)定性，注漿后土體的內(nèi)摩擦角、黏聚力得以增大，抗剪能力提高。

1.2 超前小導(dǎo)管支護(hù)作用理論模型

綜合分析超前小導(dǎo)管的受力狀態(tài)及位移變形情況，建立如圖1所示的超前小導(dǎo)管雙參數(shù)有限長彈性地基梁受力模型。

圖1 導(dǎo)管受力模型Fig.1 Pipe stress model

對小導(dǎo)管進(jìn)行受力分析，可得導(dǎo)管的彎矩剪力Q(x)、彎矩M(x)、轉(zhuǎn)角θ(x)及導(dǎo)管內(nèi)壁縱向應(yīng)變ε(x)：

其中，D為導(dǎo)管外徑，δ為導(dǎo)管壁厚。

1.3 超前小導(dǎo)管作用下掌子面穩(wěn)定性定量評價(jià)

1.3.1 掌子面穩(wěn)定性評價(jià)模型

基于超前小導(dǎo)管的支護(hù)作用，根據(jù)掌子面前方土體的破裂機(jī)制，提出一種掌子面穩(wěn)定性計(jì)算模型，該模型適用于粉質(zhì)黏土臺階法隧道開挖過程中掌子面的穩(wěn)定性分析，如圖2所示。

圖2 掌子面穩(wěn)定性計(jì)算模型Fig.2 Calculation model of tunnel face stability

1.3.2 掌子面穩(wěn)定性定量評價(jià)

基于掌子面穩(wěn)定性計(jì)算模型，對滑移體進(jìn)行極限平衡分析，可得各級圍巖在有無支護(hù)情況下的穩(wěn)定性系數(shù)，見表1。

表1 掌子面穩(wěn)定性系數(shù)Tab.1 Coefficient of tunnel face stability

參考《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50300-2013)[1]，結(jié)合表1可知，為保證掌子面穩(wěn)定性，在粉質(zhì)黏土地層中，對于V級圍巖，無須采用超前導(dǎo)管支護(hù)便可保證掌子面穩(wěn)定；對于Ⅵ1級圍巖，須采用超前導(dǎo)管支護(hù)，并依據(jù)工程具體情況決定是否注漿；對于Ⅵ2級圍巖，因其土質(zhì)較差，超前小導(dǎo)管支護(hù)無法保證掌子面穩(wěn)定，須采用深孔注漿加固技術(shù)或施加超前管棚支護(hù)。

2 隧道洞身穩(wěn)定性評價(jià)

2.1 圍巖彈塑性分布二次應(yīng)力狀態(tài)

假設(shè)圍巖為彈塑性體，支護(hù)結(jié)構(gòu)為線彈性體，忽略計(jì)算介質(zhì)的自重?；谄矫鎽?yīng)變模型并采用虛擬支撐力逐步釋放法[2]模擬隧道開挖過程中支護(hù)結(jié)構(gòu)施作時(shí)機(jī)、圍巖應(yīng)力釋放過程等影響，將隧道開挖過程分為初始階段、開挖階段、支護(hù)階段，見圖3。

圖3 開挖支護(hù)不同階段平面應(yīng)變計(jì)算模型Fig.3 Plane strain calculation model of different stages of excavation and support

通過土工試驗(yàn)獲得粉質(zhì)黏土的壓縮模量，換算為彈性模量[3]?；谝陨嫌?jì)算模型對圍巖彈塑性應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行分析，可得：

隧道開挖前地層的初始位移場：

塑性區(qū)圍巖的位移：

彈性區(qū)圍巖的位移：

隧道開挖后圍巖的收斂位移：

U=Ue+Up-U0

2.2 收斂約束法關(guān)鍵曲線

2.2.1 圍巖收斂特征曲線

選取支護(hù)抗力大于最小支護(hù)力且圍巖變形滿足規(guī)范要求的支護(hù)時(shí)機(jī)，將所選擇的不同支護(hù)時(shí)機(jī)施作初襯所得的支護(hù)壓力P1代替虛擬支撐力，可得圍巖收斂特征曲線，見圖4。

圖4 圍巖特征曲線及支護(hù)特征曲線Fig.4 Surrounding rock characteristic curve and supporting characteristic curve

對松動區(qū)內(nèi)滑移體進(jìn)行極限平衡分析，即可得作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的最小支護(hù)力和最大安全塑性區(qū)范圍。

2.2.2 洞身縱向變形曲線

在格柵拱架與噴射混凝土共同支護(hù)下，支護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度隨時(shí)間增長不斷增大，因此圍巖的應(yīng)力釋放率必將逐漸減小并趨近于某一值。圍巖以變形的方式完成應(yīng)力釋放過程，故應(yīng)力釋放率與收斂變形必存在相應(yīng)的關(guān)系，采用擬合工具分析可得施加支護(hù)結(jié)構(gòu)后的洞身縱向變形曲線，見圖5。

圖5 洞身縱向變形曲線Fig.5 Longitudinal deformation curve of the hole body

將現(xiàn)場拱頂沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)和理論計(jì)算值進(jìn)行對比分析，計(jì)算值相比于實(shí)測值其標(biāo)準(zhǔn)誤差均小于1.5，相關(guān)系數(shù)接近1。表明計(jì)算結(jié)果能夠很好地反映支護(hù)施作后拱頂沉降的大小及規(guī)律。

2.2.3 支護(hù)特征曲線

基于支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)，考慮鋼格柵單獨(dú)支護(hù)和格柵與噴混凝土聯(lián)合支護(hù)[4]下的作用效果，可得到各亞級圍巖的支護(hù)特征曲線，如圖6～圖8。

圖6 V級圍巖下支護(hù)特征曲線Fig.6 Support characteristic curve under V class surrounding rock

圖7 Ⅵ1級圍巖下支護(hù)特征曲線Fig.7 Support characteristic curve under Ⅵ1 class surrounding rock

圖8 Ⅵ2級圍巖下支護(hù)特征曲線Fig.8 Support characteristic curve under Ⅵ2 class surrounding rock

由圖可知，對于V級圍巖，支護(hù)結(jié)構(gòu)所提供的最大支護(hù)反力大于支護(hù)與地層特征曲線的平衡點(diǎn)應(yīng)力，且圍巖變形滿足規(guī)范要求；對于Ⅵ1、Ⅵ2級圍巖，施加支護(hù)結(jié)構(gòu)前，圍巖已經(jīng)產(chǎn)生較大的位移，即使支護(hù)力滿足要求，也須采用超前支護(hù)，提前支護(hù)時(shí)機(jī)。

2.3 容許位移安全系數(shù)

為保證圍巖變形在合理范圍內(nèi)，通過分析不同亞級粉質(zhì)黏土的洞身收斂變化，得到洞身收斂容許位移安全系數(shù)[5]，見表2。

表2 洞身收斂容許位移安全系數(shù)Tab.2 Allowable displacement safety factor of hole convergence

由表2可知，在上述開挖支護(hù)措施下，V級粉質(zhì)黏土的容許位移安全系數(shù)為2.91，滿足施工要求；Ⅵ1級粉質(zhì)黏土的容許位移安全系數(shù)為1.40，支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度也滿足要求，因此建議采用超前小導(dǎo)管支護(hù)；對于Ⅵ2級粉質(zhì)黏土，支護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度已滿足要求，但在掌子面開挖前，圍巖已經(jīng)產(chǎn)生過大的收斂變形，故須在開挖前進(jìn)行超前加固，以保證施工安全。

3 結(jié)論與展望

3.1 研究結(jié)論

根據(jù)超前小導(dǎo)管支護(hù)作用機(jī)理，對哈爾濱地鐵粉質(zhì)黏土隧道臺階法工程開展了圍巖穩(wěn)定性研究，建立了超前小導(dǎo)管雙參數(shù)彈性地基梁的力學(xué)計(jì)算模型，提出了適用于粉質(zhì)黏土地層臺階法隧道開挖的掌子面穩(wěn)定性分析模型，并對掌子面進(jìn)行穩(wěn)定性評估。結(jié)果表明：對于V級圍巖，無須采用超前導(dǎo)管支護(hù)便可保證掌子面穩(wěn)定；對于Ⅵ1級圍巖，須采用超前導(dǎo)管支護(hù)，并依據(jù)工程具體情況決定是否注漿；對于Ⅵ2級圍巖，因其土質(zhì)較差，超前小導(dǎo)管支護(hù)無法保證掌子面穩(wěn)定，須采用深孔注漿加固技術(shù)或施加超前管棚支護(hù)。分析了圍巖的彈塑性分布二次應(yīng)力狀態(tài)，并根據(jù)收斂約束法得到圍巖收斂特征曲線、洞身縱向變形曲線和支護(hù)特征曲線，基于容許位移安全系數(shù)，對隧道洞身的穩(wěn)定性進(jìn)行了評估。結(jié)果表明，支護(hù)結(jié)構(gòu)的承載力滿足施工安全要求，但Ⅵ1、Ⅵ2級粉質(zhì)黏土隧道應(yīng)借助超前支護(hù)，以保證圍巖穩(wěn)定性。

3.2 展望

以下方面有待進(jìn)一步開展：通過土壓力計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式開展掌子面穩(wěn)定性分析，下一步應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)及計(jì)算得到精確土壓力值。通過理論模型和數(shù)值計(jì)算，分析了隧道掌子面前方土體的破裂模式，今后應(yīng)結(jié)合模型試驗(yàn)來驗(yàn)證土體的破裂形態(tài)。主要考慮超前小導(dǎo)管的縱向“棚架”作用，暫未分析其橫向成拱作用，今后應(yīng)在該方面展開研究，以完善超前小導(dǎo)管的支護(hù)理論。