邱 威

（江西理工大學(xué)土木與測(cè)繪工程學(xué)院，江西 贛州 341000）

0 引言

小凈距隧道是介于分離式雙洞隧道和連拱隧道之間的隧道結(jié)構(gòu)型式，具有以下優(yōu)點(diǎn)：同普通分離式雙洞隧道和連拱隧道相比更有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)且易于控制；于施工工藝而言，小凈距隧道相對(duì)簡(jiǎn)單。小凈距隧道的中夾巖在施工過程中會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力重分布及二次應(yīng)力場(chǎng)的疊加，從而出現(xiàn)應(yīng)力集中。因此，清楚地了解中夾巖的應(yīng)力變化規(guī)律，是科學(xué)評(píng)估中夾巖的承載性能的基礎(chǔ)，對(duì)中夾巖承載性狀及穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)都是十分必要的。

我國(guó)對(duì)小凈距隧道中夾巖的研究主要集中在兩個(gè)方面：一是對(duì)中夾巖合理厚度即小凈距隧道合理凈距的研究；二是對(duì)中夾巖不同加固措施的研究。劉蕓等［1］將中夾巖進(jìn)行區(qū)域劃分，并且對(duì)中夾巖的不同加固組合方式進(jìn)行了研究，研究表明各種加固方法對(duì)于不同級(jí)別的圍巖效果不同。張桂生等［2］則建立了小凈距隧道圍巖的各項(xiàng)指標(biāo)與凈距敏感度之間的關(guān)系，提出了把敏感度突變階段出現(xiàn)之前的凈距作為合理凈距。夏夢(mèng)然［3］通過理論推導(dǎo)研究了淺埋超小凈距隧道中夾巖柱的失穩(wěn)機(jī)理，計(jì)算得到中夾巖柱上覆壓力，結(jié)合土體極限應(yīng)力公式分析了中夾巖柱失穩(wěn)破壞特征。晏啟祥等［4］通過對(duì)軟巖隧道下不同凈距對(duì)中夾巖塑性區(qū)影響的分析研究得出，中夾巖塑性區(qū)的大小與凈距密切相關(guān)，與此同時(shí)，隧道埋深及圍巖級(jí)別也是影響中夾巖柱塑性區(qū)的重要因素。李享松等［5］建立了中夾巖的力學(xué)分析模型，推導(dǎo)出中夾巖破裂面的下滑力、抗滑力計(jì)算公式，最終采用安全系數(shù)作為中夾巖穩(wěn)定的判據(jù)。Lim 等［6］通過數(shù)值分析方法，根據(jù)地基強(qiáng)度的變化來評(píng)估中間巖柱對(duì)整個(gè)隧道的穩(wěn)定性的影響程度，并對(duì)地表沉降率、平均應(yīng)力強(qiáng)度以及適用于實(shí)際工程的公式進(jìn)行了綜合分析，采用基于Hoek-Brown的破壞準(zhǔn)則來評(píng)估超小間距的平行隧道中間巖柱的安全率，從而確定中間巖柱的最小寬度。

因此，針對(duì)小凈距隧道中夾巖穩(wěn)定性的研究意義重大。筆者建立小凈距隧道中夾巖數(shù)值計(jì)算模型，結(jié)合中夾巖承載模式在不同條件下的受力特征進(jìn)行分析。

1 中夾巖力學(xué)特性研究

1.1 中夾巖承載模式分析

小凈距隧道中夾巖的承載性能與中夾巖厚度和加固方式息息相關(guān)，中夾巖厚度的增加，加固手段的增強(qiáng)，都是中夾巖影響小凈距隧道的整體穩(wěn)定和功能的重要因素。從力學(xué)角度分析，中夾巖應(yīng)包含以下兩個(gè)方面的性能［7］。

1.1.1 承載能力。中夾巖承擔(dān)上方土體壓力，以及兩側(cè)隧洞開挖而形成的兩側(cè)楔形土體的側(cè)向壓力和壓力拱范圍內(nèi)的松散圍巖壓力；在開挖中表現(xiàn)為洞周應(yīng)力釋放，轉(zhuǎn)變?yōu)橐灾袏A巖為支撐結(jié)構(gòu)的切應(yīng)力狀態(tài)。其承載力由土層承載壓力R1、松散圍巖壓力R2、支護(hù)壓力R3來表征，即式（1）。

式中：ξi為i型承載力所對(duì)應(yīng)的影響系數(shù)；Ri為對(duì)應(yīng)的i型承載力。

1.1.2 抑制圍巖自由變形。為充分發(fā)揮中夾巖的承載能力，通過加固、支護(hù)等手段，來抑制圍巖自由變形，提高中夾巖的承載能力以提高穩(wěn)定性。

考慮影響中夾巖的承載能力的因素有很多，本研究通過正交試驗(yàn)分析中夾巖的各種影響因素對(duì)中夾巖承載性狀的影響及規(guī)律性進(jìn)行探討。

2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 影響因素及水平的選定

根據(jù)已有的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)及研究成果，小凈距隧道的凈距、隧道埋深、所在區(qū)域圍巖級(jí)別、隧道掌子面錯(cuò)距以及中夾巖區(qū)域的物理力學(xué)參數(shù)對(duì)小凈距隧道的穩(wěn)定性都具有重要的影響，故選擇以下因素做正交試驗(yàn)研究，其變化水平選擇如下。

2.1.1 隧道凈距。凈距變化從根本上是中夾巖的寬度變化，是小凈距隧道構(gòu)造型式中承擔(dān)載荷的主要結(jié)構(gòu)。

2.1.2 隧道埋深。隧道埋深變化決定著基礎(chǔ)圍巖壓力的大小，深埋隧道的埋深根據(jù)工況選取40～100 m。

2.1.3 圍巖級(jí)別。隧道圍巖級(jí)別是反映圍巖質(zhì)量的重要參數(shù)，影響著隧道的承載能力。因此選?、跫?jí)與Ⅳ級(jí)圍巖作為兩種變化水平。

2.1.4 中夾巖區(qū)域的物理力學(xué)性質(zhì)。中夾巖為小凈距隧道整體結(jié)構(gòu)中起主要支撐作用的構(gòu)造。具體的水平變化指標(biāo)見表1，其中有四項(xiàng)影響因素：A代表隧道凈距，B代表隧道埋深，C代表圍巖級(jí)別，D代表中夾巖區(qū)域的物理力學(xué)性質(zhì)，具體見表1。

表1 開挖影響因素及水平

2.2 正交試驗(yàn)具體模擬概況

采用FLAC3D進(jìn)行模型建立及數(shù)值模擬計(jì)算，模型縱向長(zhǎng)120 m，對(duì)于埋深40 m 和60 m 的工況，模型上邊界采用隧道埋深，即隧道拱頂距上邊界40 m和60 m；對(duì)于埋深80 m 和100 m 的工況，在模型上邊界施加豎直向下的均布荷載取代埋深，其值對(duì)應(yīng)剩下埋深相對(duì)應(yīng)的重力荷載。模型下邊界從隧道底部向下取40 m，計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 各埋深情況下的數(shù)值計(jì)算模型（0.50B）

為消除邊界影響，模型左右側(cè)邊界應(yīng)在左右雙洞的邊墻向外各取50 m。在開挖工法上，隧道雙洞采取全斷面開挖，暫不考慮先行與后行洞的區(qū)別。數(shù)值計(jì)算中各項(xiàng)材料的物理力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 圍巖基本物理力學(xué)參數(shù)

3 中夾巖承載性狀的應(yīng)變規(guī)律分析

小凈距隧道中存在的位移從變形角度說明由凈距、埋深、圍巖級(jí)別以及中夾巖區(qū)域圍巖的物理力學(xué)性質(zhì)對(duì)小凈距隧道的整體承載能力進(jìn)行體現(xiàn)；同時(shí)，由于隧道開挖而產(chǎn)生的應(yīng)力重分布對(duì)小凈距隧道的承載能力也有影響。

3.1 凈距對(duì)中夾巖承載性狀的影響

隨凈距的擴(kuò)大，中夾巖區(qū)域的應(yīng)力不斷擴(kuò)散，減少了拱頂拱腳區(qū)域的應(yīng)力集中現(xiàn)象，具體如圖2所示。由于凈距的擴(kuò)大使中夾巖承載寬度增大，從而縮小了應(yīng)力集中區(qū)域，因此凈距的擴(kuò)大是導(dǎo)致隧道應(yīng)力變化的直接因素。

圖2 小凈距隧道豎向應(yīng)力隨凈距變化

3.2 埋深對(duì)中夾巖承載性狀的影響

小凈距隧道豎向應(yīng)力隨埋深變化如圖3 所示。由圖3 可知，固定凈距情況下，隧道應(yīng)力隨埋深的變化是應(yīng)力均衡的過程，即埋深的增大使小凈距隧道周邊圍巖的應(yīng)力重分布更均衡。隨埋深的增加，松散圍巖的應(yīng)力不斷擴(kuò)散，使小凈距隧道更具有整體性。

圖3 小凈距隧道豎向應(yīng)力隨埋深變化

3.3 圍巖級(jí)別對(duì)中夾巖承載性狀的影響

小凈距隧道豎向應(yīng)力圖對(duì)比如圖4 所示。從圖4 可知，提高小凈距隧道的圍巖級(jí)別，在凈距較小時(shí)，表現(xiàn)為中夾巖區(qū)域的圍巖應(yīng)力下降，而在凈距提升至一定程度時(shí)，松散應(yīng)力的擴(kuò)散效應(yīng)將不明顯。即由于開挖產(chǎn)生的應(yīng)力重分布和松散應(yīng)力隨凈距的增大而發(fā)生擴(kuò)張。

圖4 小凈距隧道豎向應(yīng)力圖對(duì)比

小凈距隧道豎向應(yīng)力圖對(duì)比如圖5 所示。由圖5 可知，提高中夾巖區(qū)域的物理力學(xué)性質(zhì)，能夠提高中夾巖區(qū)域的承載能力。從應(yīng)力角度上看，中夾巖區(qū)域的應(yīng)力從臨空面上的松散應(yīng)力受圍巖之外的土層的影響降低，使小凈距由開挖產(chǎn)生的應(yīng)力重分布現(xiàn)象減退。因此，提高中夾巖區(qū)域的物理力學(xué)性質(zhì)能夠使中夾巖的承載性能大幅提高，同時(shí)使開挖對(duì)圍巖所產(chǎn)生的擾動(dòng)降低。

圖5 小凈距隧道豎向應(yīng)力圖對(duì)比

4 結(jié)論

①中夾巖承載模型中，中夾巖受豎向應(yīng)力、橫向約束及抗剪能力的影響。分析小凈距隧道圍巖應(yīng)力分布，從埋深、凈距、圍巖級(jí)別以及中夾區(qū)域的物理力學(xué)特性四個(gè)角度得到小凈距隧道的應(yīng)力特征。

②通過分析凈距得到不同埋深情況下存在的合理凈距值；通過埋深、圍巖級(jí)別以及中夾巖區(qū)域的物理力學(xué)性質(zhì)對(duì)小凈距隧道的影響進(jìn)行研究得到不同情況下對(duì)于小凈距隧道開挖所產(chǎn)生應(yīng)力的判定，以此為小凈距隧道埋深、凈距等的選取提供判斷依據(jù)。

③對(duì)于在圍巖級(jí)別高的小凈距隧道，能夠很好地減少由于開挖所產(chǎn)生的位移和松散應(yīng)力的擴(kuò)散，以及提升中夾巖區(qū)域的物理力學(xué)性質(zhì)能夠加強(qiáng)中夾巖的承載能力，從而減少由于開挖而造成的土層擾動(dòng)問題。因此，可以通過加固手段改變中夾巖區(qū)域的物理力學(xué)性質(zhì)，從而改善小凈距隧道整體的受力特性。