曹 愛 武，魏 樺，褚 衛(wèi) 江，陳 平 志

(1.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 311122； 2.浙江中科依泰斯卡巖石工程研發(fā)有限公司，浙江 杭州 311122； 3.2510工程建設指揮部)

0 引 言

隧洞在水電、交通、市政、采礦等多個工程領域廣泛應用。受工期等影響，雙向掘進為隧洞常用的施工方式。在接近貫通時左、右幅由于相隔較近產生的相互擾動大，對于地質條件復雜的隧洞易發(fā)生大變形甚至失穩(wěn)坍塌，將對工程施工安全及進度產生較大的影響。因此，對于復雜地質條件下隧洞貫通段穩(wěn)定特性、破壞模式及加固措施的研究具有重要的意義。

近年來，國內外學者對復雜地質條件下隧洞穩(wěn)定問題開展了相關研究。鈕新強等[1]對穿黃隧洞中遇到的復雜地質問題及相關施工技術、控制標準等進行了總結，通過專題研究提出了一系列技術難題解決方案；Lunardi[2]和Giovanni[3]研究了復雜地質條件下隧洞全斷面開挖實現方法，強調了掌子面穩(wěn)定對隧洞穩(wěn)定及創(chuàng)造全斷面開挖條件的重要性；閆軍濤等[4]研究了盾構通過上軟下硬復雜地層時開挖面支護壓力的確定方法，以保障隧洞施工安全；馬龍等[5]分析了隧洞貫通段地下水、爆破振動、空間效應和施工等因素對穩(wěn)定的影響；潘奇[6]研究了初期支護對貫通段穩(wěn)定特性的改善；相關學者還利用數值模擬技術及監(jiān)測手段[7-11]，研究了隧洞開挖變形規(guī)律及超前支護等措施的作用。上述研究主要針對復雜地質條件下隧洞穩(wěn)定、貫通段穩(wěn)定影響因素以及變形特征、控制措施、監(jiān)測手段等方面進行分析，對于貫通段破壞模式及加固作用量化的研究較少。

本文基于解析及數值方法對軟土隧洞貫通段潛在破壞模式、安全系數及不同加固措施效果進行了研究，提出了軟土隧洞貫通段潛在失穩(wěn)模式及安全系數計算方法，并利用數值模擬方法進行了驗證。相關研究成果有利于工程技術人員及時了解貫通段的穩(wěn)定特征，選擇適當的加固方法提高貫通段穩(wěn)定性，保障工程安全。

1 隧洞貫通段潛在失穩(wěn)模式及穩(wěn)定分析

雙向掘進的軟土隧洞貫通段擾動大，其穩(wěn)定問題更為突出。由于兩側均產生擾動，假設軟土隧洞貫通段破壞模式分為雙滑面及單滑面兩種破壞模式，同時貫通段土柱支撐作用不足，破壞區(qū)域將可能進一步延伸至貫通段上部。

1.1 雙滑面破壞模式

考慮軟土隧洞貫通段受兩側開挖擾動程度相當，均發(fā)生向臨空面的變形，貫通段中部產生裂縫，假設此狀態(tài)下貫通段為雙滑面破壞模式，潛在失穩(wěn)模式如圖1所示。

圖1 軟土隧洞貫通段雙滑面破壞模式示意Fig.1 Double sliding failure mode of soil tunnel in breakthrough section

雙滑面破壞模式貫通段穩(wěn)定安全系數為

(1)

對公式(1) 進行簡化得到：

(2)

1.2 單滑面破壞模式

考慮隧洞雙向掘進過程中一側擾動較大，產生更大的臨空變形，假設此時貫通段為單滑面破壞模式。潛在失穩(wěn)模式如圖2所示。

圖2 軟土隧洞貫通段單滑面破壞模式示意Fig.2 Single sliding failure mode of soil tunnel in breakthrough section

單滑面破壞模式貫通段穩(wěn)定安全系數計算同公式(2)，但對于潛在滑動土體單寬自重W、潛在滑動面長度Ls存在差別。

1.3 穩(wěn)定性數值分析方法

由于解析方法無法考慮隧洞的三維效應且難以量化支護對穩(wěn)定性的改善作用，進一步利用數值模擬方法對軟土隧洞貫通破壞模式及安全特性進行分析研究。

對于軟土隧洞貫通段穩(wěn)定特性的數值分析，可利用FLAC3D建立分析模型[13]，如圖3所示。假設隧洞除貫通段外均已開挖支護完成，對于玻璃纖維錨桿、管棚等支護結構，采用Cable等結構單元進行模擬，土體采用Mohr-Coulomb模型，利用強度折減法求解貫通段安全系數。

圖3 軟土隧洞貫通段穩(wěn)定分析模型Fig.3 Stability analysis model of soil tunnel in breakthrough section

2 軟土隧洞貫通段加固措施效果分析

超前支護是保障隧道開挖工作面穩(wěn)定常采取的加固措施。管棚支護適用性廣、施工快、安全性高，在隧洞施工中廣泛使用；玻璃纖維錨桿具有抗拉強度高，抗剪強度低，易挖除的特征，非常適合臨時工程的加固[14-15]。下文對管棚及玻璃纖維錨桿等超前支護對軟土隧洞貫通段穩(wěn)定安全系數的影響進行了研究。

2.1 管棚加固貫通段

管棚措施通過在隧洞開挖輪廓處施加鋼管，并進行注漿，使得周圍一定范圍內巖土體得到固結，鋼管與巖土體組成固結圈，從而減少隧洞變形[16]。對于軟土隧洞貫通段，管棚的施加避免了隧洞頂拱潛在塌落區(qū)的坍塌。根據公式(2)，管棚加固措施有效降低了潛在滑動土體自重，從而提高了軟土隧洞貫通段安全系數。

2.2 掌子面玻璃纖維錨桿加固

玻璃纖維錨桿提前從隧洞兩側安裝，通過注漿及桿體作用，可提高軟土隧洞貫通段整體性及土體的黏聚力，玻璃纖維錨桿對隧洞貫通段加固示意如圖4所示。根據公式(2)，玻璃纖維錨桿提高了軟土隧洞貫通段黏聚作用，提高了軟土隧洞貫通段穩(wěn)定性。

圖4 玻璃纖維錨桿加固隧洞貫通段示意 (雙滑面破壞模式)Fig.4 Fiberglass anchors reinforcing breakthrough section(double sliding surfaces mode)

3 工程實例

3.1 工程概況

以色列Kokhav Hayarden抽水蓄能電站尾水隧洞主要位于含礫石或漂石的高液限黏土地層，隧洞開挖直徑約9.0 m，最大埋深約60.0 m。由于地質條件復雜，工程工期緊張，隧洞從東西兩側同時開挖，貫通段位置土體重度18.5 kN/m3，黏聚力為29 kPa，內摩擦角為23.5°。貫通段位置受地下水影響嚴重且埋深接近50 m，若貫通段位置發(fā)生事故，將威脅工程順利進行。

為保障貫通段安全，隧洞貫通段采用分幅開挖方式，以減少對貫通段的擾動，貫通段斷面及開挖方式如圖5所示。

圖5 尾水隧洞貫通段斷面及開挖方式Fig.5 Profile and excavation method of breakthrough section in tailrace tunnel

下面利用解析方法及數值模擬方法對該軟土隧洞貫通段潛在失穩(wěn)模式、穩(wěn)定特性、加固作用進行詳細評估。

3.2 解析方法

結合支護施加及進尺情況考慮貫通段長度為3.67 m，對于單滑面和雙滑面兩種破壞假定，分別考慮極小擾動(c=29 kPa)及極限擾動(c=0 kPa)，相關安全系數如表1所列。

表1 不同條件下貫通段安全系數(解析方法)Tab.1 FoS of breakthrough section under different conditions (analytical method)

根據解析法，該軟土隧洞貫通段兩種模式不同擾動下安全系數均小于1。由于解析方法無法考慮三維效應、斷面特性等影響，繼續(xù)利用數值方法進行貫通段穩(wěn)定系數復核。

3.3 數值模擬方法

利用FLAC3D建立軟土隧洞貫通段分析模型。在滲流穩(wěn)定條件下，考慮隧洞從兩端向中部開挖，兩側擾動程度相當，則極小擾動下安全系數為1.32，極限擾動下安全系數為1.06，軟土隧道開挖響應如圖6所示。

圖6 尾水隧洞開挖響應特征Fig.6 Excavation response characteristics of breakthrough section in tailrace tunnel

由于貫通段位置擾動通常較大，接近極限擾動情況，因此該軟土隧洞貫通段安全系數僅略大于1.06，安全裕度低，因此有必要對貫通段位置進行加固設計。如圖6所示，根據貫通段最大剪應變增量分布及變形分布特征，尾水隧洞貫通段近似表現為雙滑面破壞模式。

對不同支護措施作用下貫通段安全系數進行了分析，如圖7所示。圖7(a)為兩側施加直徑114 mm、間距0.5 m、長12 m的管棚，貫通段黏聚力折減為0，安全系數為1.15；圖7(b)為除管棚外，掌子面同時施加34根玻璃纖維錨桿，貫通段黏聚力折減為0，安全系數為1.23。

圖7 不同支護措施條件下的貫通段安全系數(極限擾動)Fig.7 FoS of breakthrough section under different reinforcement measures(extreme disturbance)

根據上述分析，可見施加支護后，極限擾動情況下，貫通段安全系數可從1.06提高至1.23，提高了安全裕度。盡管使用管棚支護能夠提高貫通段安全系數至1.15，但考慮到貫通段掌子面一旦失穩(wěn)，將嚴重威脅施工人員安全，還是采用管棚與貫通段掌子面玻璃纖維錨桿組合的支護方案，目前隧洞已實現安全貫通。

4 結 論

(1) 基于解析方法提出了軟土隧道貫通段潛在破壞模式及其安全系數計算方法。由數值模擬方法可知，對于貫通段雙向開挖擾動相當情況，其近似表現為雙滑面破壞模式。

(2) 以以色列Kokhav Hayarden抽水蓄能電站尾水隧洞土質洞段為例，結合隧洞施工方案，利用FLAC3D分析得到無支護條件下貫通段安全系數略大于1.06，安全裕度低，施加管棚支護后安全系數為1.15，施加管棚及玻璃纖維錨桿組合支護后安全系數為1.23?？梢姡ㄟ^管棚、玻璃纖維錨桿等超前支護，提高了軟土隧洞貫通段安全系數，保障了工程施工安全。

(3) 下一步研究可進一步考慮開挖方式、開挖進尺差異、支護時機等對貫通段穩(wěn)定特性的影響程度。