淺埋偏壓隧道圍巖漸進(jìn)破壞機(jī)制分析

鄧之友，彭立敏，劉正初

(1.中南大學(xué)土木建筑學(xué)院，長(zhǎng)沙 410075;2.中鐵二院昆明勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，昆明 650200)

0 引言

我國(guó)山脈縱橫，地形地勢(shì)陡峻險(xiǎn)要，地質(zhì)條件復(fù)雜，在交通隧道建設(shè)中，偏壓隧道占有一定的比例。隧道在開挖之前，巖體處于一定的應(yīng)力平衡狀態(tài)，開挖使隧道圍巖發(fā)生卸荷回彈和應(yīng)力重分布。如果隧道所處圍巖等級(jí)不高，隨著掌子面向前推進(jìn)，隧道圍巖因隧道開挖后產(chǎn)生圍巖應(yīng)力重分布以及巖體的應(yīng)變軟化而發(fā)生漸近破壞。就隧道設(shè)計(jì)而言，其核心問題是如何確定合理的支護(hù)參數(shù)，而隧道圍巖破壞模式往往決定了支護(hù)參數(shù)的選擇。因此，隧道圍巖破壞模式的研究對(duì)于隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有重要意義。

國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者都對(duì)隧道圍巖破壞進(jìn)行了大量的研究。周小文等［1］通過離心模型試驗(yàn)，對(duì)隧洞周圍砂土隨支護(hù)壓力降低而發(fā)生位移和破壞的過程和規(guī)律進(jìn)行了研究;D.Sterpi等［2］采用砂及鋁棒作為模型材料，用氣囊逐步卸壓的方法模擬隧道開挖，對(duì)隧道圍巖的破壞過程和規(guī)律進(jìn)行了二維及三維的模型試驗(yàn)研究。模型試驗(yàn)是研究隧道工程問題的一種重要手段。隧道工程模型試驗(yàn)?zāi)壳爸饕性趪鷰r穩(wěn)定性的研究方面［3－5］，同時(shí)在相似材料制備、試驗(yàn)設(shè)備研制、試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集等方面積累了許多寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

但具體到Ⅴ級(jí)圍巖條件下淺埋偏壓隧道的圍巖破壞機(jī)制，相關(guān)研究并不多。故本文應(yīng)用室內(nèi)模型試驗(yàn)對(duì)淺埋偏壓隧道圍巖的破壞過程和破壞模式進(jìn)行分析，總結(jié)出不同偏壓條件下隧道圍巖的破壞規(guī)律，以期為同類隧道工程建設(shè)過程中采取有效的施工方案或者切實(shí)可行的支護(hù)措施提供參考。

1 淺埋偏壓隧道破壞模式模型試驗(yàn)

1.1 相似理論

相似理論是相似模擬試驗(yàn)的理論基礎(chǔ)和模型制作的主要依據(jù)。任何物理現(xiàn)象相似的充分必要條件可歸納為相似理論的3個(gè)基本定理［6－7］。

1)相似第1定理(相似正定理):過程相似，則相似準(zhǔn)則不變，相似指標(biāo)為1。

2)相似第2定理(π定理):描述相似現(xiàn)象的物理方程均可變成相似準(zhǔn)則組成的綜合方程?，F(xiàn)象相似，其綜合方程必然相似，即 f(π1，π2，π3，…，πk，…)=0。

3)相似第3定理(相似存在定理):在幾何相似系統(tǒng)中，具有相同文字的關(guān)系方程式，單值條件相似，且由單值條件組成的相似準(zhǔn)則相等，則此兩現(xiàn)象相似。

1.2 相似關(guān)系的確定

隧道模型試驗(yàn)要求模型與實(shí)際工程中隧道埋深以及隧道開挖空間的幾何尺寸均應(yīng)滿足幾何比。本次模型試驗(yàn)采用了1∶20的大幾何比例尺模型，根據(jù)相似理論原理，可推得各原型的物理力學(xué)參數(shù)與模型值的相似比［8－10］。

1)幾何相似比CL=20;

2)泊松比μ、應(yīng)變?chǔ)?、摩擦角φ相似比Cμ=Cε=Cφ=20;

3)容重γ相似比Cγ=20;

4)彈性模量E、內(nèi)聚力c、應(yīng)力σ相似比CE=Cc=Cσ=20。

1.3 試驗(yàn)?zāi)康募霸囼?yàn)工況

1.3.1 試驗(yàn)?zāi)康?/p>

試驗(yàn)主要針對(duì)單洞和小凈距淺埋偏壓隧道在不同偏壓條件下開挖過程中，地表沉降及隧道的變形規(guī)律、圍巖破裂面發(fā)展過程及隧道在塌方后所形成滑裂面的破壞模式進(jìn)行研究。

1.3.2 試驗(yàn)工況

根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康暮鸵?，共設(shè)置了6個(gè)工況進(jìn)行三維模型試驗(yàn)，試驗(yàn)工況如下:

1)單洞淺埋偏壓(15，30，45°)條件下破壞試驗(yàn);

2)小凈距淺埋偏壓(15，30，45°)條件下破壞試驗(yàn)。

1.4 試驗(yàn)設(shè)備的制作及材料的選取

為保證模型試驗(yàn)結(jié)果的穩(wěn)定性，所有試驗(yàn)均在專門制作的試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖鋬?nèi)進(jìn)行。選取幾何相似比為1∶20的隧道模型，模型箱的尺寸為3.5 m×3.0 m×2 m(長(zhǎng)×寬×高)，要求能夠分別完成單洞和小凈距隧道開挖試驗(yàn)，因此在試驗(yàn)箱一側(cè)預(yù)留3個(gè)0.5 m×0.6 m(寬 ×高)的開挖孔。為便于觀察，整個(gè)模型箱的內(nèi)表面采用1.2 cm厚的透明鋼化玻璃，如圖1所示。

圖1 模型試驗(yàn)箱實(shí)體圖Fig.1 Photo of model test box

圍巖材料選用黏土∶爐渣∶河砂=1∶1∶2(質(zhì)量比)的配比材料，圍巖相似材料力學(xué)參數(shù)如表1所示。預(yù)先在模型的底部墊1層0.5 m厚的上述配比的圍巖材料，并進(jìn)行壓實(shí)，防止出現(xiàn)沉降而影響試驗(yàn)效果。試驗(yàn)加載采用先開挖后加載的方式，初期加載量為圍巖材料自然堆載，所加圍巖的厚度以實(shí)際工程中土體的埋深通過相似理論換算而成。為觀察圍巖的破壞過程及其特征，進(jìn)行二次加載，先在地表鋪設(shè)1層鋼板整平，保證加載均勻，然后采用千斤頂在圍巖上部同步逐級(jí)加載的方式來實(shí)現(xiàn)，加載作用持續(xù)到圍巖破壞明顯且有連續(xù)通透裂縫出現(xiàn)的狀態(tài)為準(zhǔn)。小凈距隧道加載斷面如圖2所示(單洞隧道加載情況與小凈距隧道相同)。

表1 圍巖相似材料力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of materials similar to rock mass

為了方便觀察隧道在破壞過程中Ⅴ級(jí)圍巖滑裂面的破壞情況，應(yīng)使隧道襯砌模型在滿足相似性條件的基礎(chǔ)上，選用在開挖后和加載作用下易于變形和破壞的模型材料，故試驗(yàn)時(shí)采用材質(zhì)較軟且與襯砌材料相似性較接近的白鐵皮進(jìn)行模型制作。隧道模型采用預(yù)埋的方式，施工過程中采用全截面開挖，尺寸大小如圖3所示。

2 單洞淺埋偏壓隧道漸進(jìn)破壞過程及破壞模式分析

2.1 單洞偏壓隧道漸進(jìn)破壞過程

隧道開挖采用全斷面一次開挖，模擬隧道開挖后毛洞狀態(tài)下圍巖的漸進(jìn)破壞過程。單洞偏壓隧道在地形偏壓作用下，坡頂一側(cè)的隧道上方圍巖壓力較大，坡腳一側(cè)的隧道上方圍巖壓力較小。隧道開挖打破了原有圍巖的靜力平衡，在圍巖壓力的作用下，坡頂一側(cè)的隧道結(jié)構(gòu)開始出現(xiàn)沉降變形，同時(shí)擠壓坡腳一側(cè)的隧道結(jié)構(gòu)，使隧道處于偏壓受力狀態(tài)。當(dāng)出現(xiàn)隧道圍巖應(yīng)力超過圍巖強(qiáng)度或隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的承載能力不足以抵抗圍巖壓力時(shí)，隧道結(jié)構(gòu)即會(huì)喪失其穩(wěn)定性。隧道塌方過程如圖4所示。

1)在開挖前，隧道所在位置的巖體應(yīng)力處于平衡狀態(tài)。

2)隨著隧道的開挖，圍巖壓力直接作用于隧道結(jié)構(gòu)，其中左側(cè)圍巖壓力大于右側(cè)，但由于隧道開挖的空間效應(yīng)，圍巖壓力并沒有完全釋放，此時(shí)結(jié)構(gòu)變形并不明顯，如圖4(a)所示。

3)隨著隧道的繼續(xù)開挖，隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)受力也逐漸增大，并開始出現(xiàn)偏壓變形，地表圍巖開始出現(xiàn)下沉，如圖4(b)所示。

4)隧道開挖完成后，在地表對(duì)上部圍巖進(jìn)行加載，此后隧道底部變形增大，圍巖多處出現(xiàn)破裂面，且隧道結(jié)構(gòu)出現(xiàn)局部破壞，如圖4(c)所示。

5)整個(gè)隧道結(jié)構(gòu)被壓屈變形，破裂帶繼續(xù)增大并逐漸相互連接形成破裂面，巖體逐漸由坡頂向坡腳滑移，如圖4(d)所示。

6)隨著破裂面的貫通，圍巖壓力繼續(xù)增大，而隧道結(jié)構(gòu)的支持作用基本不變，此時(shí)整個(gè)巖體開始加速滑移，并最終在較短的時(shí)間內(nèi)被破壞，如圖4(e)所示。

2.2 單洞偏壓隧道漸進(jìn)破壞模式

單洞偏壓隧道破壞前后的狀態(tài)如圖5所示。淺埋單洞偏壓隧道的破壞模式是由洞口的偏壓模式和偏壓角度決定的，即由洞口邊坡和洞門仰坡組合而成，破裂面的頂部基本在仰坡和邊坡的交界線上，距離洞口2～3倍的隧道跨度。偏壓角度越小，破裂面上部頂點(diǎn)距離隧道開挖面越遠(yuǎn)，但破裂面的深度越淺，塌落量越小;反之，破裂面頂部距離隧道開挖面越近，破裂面的深度越深，塌落量越大。破裂面的下部頂點(diǎn)與隧道的位置關(guān)系也表現(xiàn)出相同的規(guī)律。

單洞隧道的破裂角在56～71°。其中靠近坡腳一側(cè)的破裂角較小，與水平面的夾角為56～66°，靠近坡頂一側(cè)的破裂角較大，與水平面的夾角為66～71°，如圖6所示。

整個(gè)滑落體可近似看作一個(gè)錐形體，其各垂向和水平破裂面均可看作拋物線。需要說明的是，試驗(yàn)中采用的為各向同性的散粒體作為圍巖材料，當(dāng)偏壓角度達(dá)到55°后圍巖即無法自穩(wěn)，而實(shí)際圍巖應(yīng)有一定的膠結(jié)強(qiáng)度，當(dāng)實(shí)際工程中出現(xiàn)大角度偏壓時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)斜切隧道開挖面的重力坍塌破壞。

因此，淺埋單洞偏壓隧道可以看作巖體在重力作用下的坍塌破壞，破壞體可近似看作以隧道洞口為頂、以仰坡變坡線為底的錐形體。地形的偏壓模式?jīng)Q定了隧道的破壞模式，偏壓角度和偏壓范圍決定了破壞體的規(guī)模和范圍。

3 小凈距淺埋偏壓隧道漸進(jìn)破壞過程及破壞模式分析

3.1 小凈距偏壓隧道漸進(jìn)破壞過程

小凈距偏壓隧道的漸進(jìn)破壞過程與單洞偏壓隧道具有一定的相似性。在隧道未開挖前，原有地層保持應(yīng)力平衡狀態(tài)，隧道開挖造成巖體的原有應(yīng)力平衡被打破，且在隧道開挖過程中巖體的應(yīng)力狀態(tài)不斷進(jìn)行變化和調(diào)整，處于應(yīng)力失衡—變形調(diào)整—應(yīng)力平衡—變形調(diào)整—應(yīng)力失衡的循環(huán)動(dòng)態(tài)變化之中。開挖過程如圖7所示。

當(dāng)隧道結(jié)構(gòu)或巖體本身提供的支撐強(qiáng)度不足時(shí)，隧道或巖體將發(fā)生破壞，整個(gè)漸進(jìn)破壞過程如下:

1)隧道開挖前，隧道所在位置的巖體應(yīng)力處于平衡狀態(tài)，隧道開挖發(fā)生應(yīng)力釋放，圍巖體開始出現(xiàn)變形，但不顯著，如圖7(a)所示。

2)隨著隧道繼續(xù)開挖，結(jié)構(gòu)受力也逐漸增大，并開始出現(xiàn)偏壓變形，地表圍巖開始出現(xiàn)下沉，如圖7(b)所示。

3)在隧道開挖完成后，隧道變形繼續(xù)增大，其中坡頂一側(cè)的隧道結(jié)構(gòu)變形大于坡腳一側(cè);與之相對(duì)應(yīng)的是，靠近坡頂一側(cè)隧道的左拱腰位移量最大，其次為靠近坡腳一側(cè)隧道的右墻腳，如圖7(c)所示。

4)圍巖出現(xiàn)多處破裂面，其中坡頂一側(cè)的裂縫分布更為密集，隨著坡頂荷載的增大，圍巖破裂面繼續(xù)增多和擴(kuò)展，并開始連通，如圖7(d)所示。

5)隨著圍巖變形的擴(kuò)大，靠近坡頂一側(cè)的隧道上部巖體首先發(fā)生急速滑移，緊接著靠近坡腳一側(cè)的圍巖也出現(xiàn)快速變形，二者幾乎在瞬間出現(xiàn)坍塌，形成空間塌落體，整個(gè)圍巖和隧道最終被破壞，如圖7(e)所示。

3.2 小凈距偏壓隧道的漸進(jìn)破壞模式

小凈距偏壓隧道的塌落體可看作2個(gè)平行的錐形體。其中各錐形體均是以隧道洞口為底，錐頂位于邊坡線和仰坡線的交匯處，因此，靠近坡頂側(cè)的塌落體大于靠近坡腳側(cè)的錐型塌落體。小凈距隧道兩塌落體中間為左右兩側(cè)滑裂面不對(duì)稱的楔型結(jié)構(gòu)，靠近坡頂側(cè)滑裂面的角度較小，與水平面的夾角為56～58°;靠近坡腳側(cè)滑裂面的角度相對(duì)較大，與水平面的夾角為62～75°?；衙娴慕嵌却笮∨c偏壓角度相關(guān)，偏壓角越大，滑裂面的角度也越大;反之則相反，如圖8所示。

圖7 小凈距淺埋偏壓隧道圍巖漸進(jìn)破壞過程Fig.7 Progressive failure process of rock mass of asymmetrically-loaded tunnel with small net spacing

圖8 不同偏壓角度小凈距隧道破壞模式Fig.8 Failure modes of asymmetrically-loaded tunnel with small net spacing under different asymmetrical loading angles

整個(gè)滑落面為一個(gè)空間破裂面，破裂面起點(diǎn)位于坡頂一側(cè)的邊坡和仰坡的交線處，距隧道開挖范圍約3倍的單洞洞跨處，然后以隧道為中心向后延伸，直至兩隧道中間的楔型體位置處。靠近坡頂?shù)钠屏衙媾c上部破裂面相切，并以坡腳處的隧道為中心，形成下部的破裂體，并在坡腳側(cè)隧道的墻腳處消失。

與單洞偏壓隧道的破壞模式相似，小凈距淺埋偏壓隧道的破壞范圍與地形的偏壓模式和偏壓角度相關(guān)。破壞范圍距離洞口2～3倍的隧道跨度，且偏壓角度越近，破裂面上部頂點(diǎn)距離隧道開挖面越遠(yuǎn)，反之越近。其中小凈距偏壓隧道的圍巖自穩(wěn)條件比單洞差，當(dāng)偏壓角度達(dá)到50°左右后，在隧道開挖過程中整個(gè)圍巖即可發(fā)生失穩(wěn)。

4 結(jié)論與討論

依據(jù)室內(nèi)模型試驗(yàn)結(jié)果，總結(jié)分析了淺埋偏壓隧道(單洞、小凈距)圍巖的漸進(jìn)破壞過程及破壞模式，對(duì)隧道支護(hù)參數(shù)確定、支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、分析隧道破壞原因以及隧道維護(hù)等方面都具有重要意義。

1)淺埋偏壓隧道的破壞模式可以看作巖體在重力作用下的坍塌破壞。單洞偏壓隧道的破壞體可近似看作以隧道洞口為頂和以仰坡線為底的錐形體;小凈距偏壓隧道的破壞體則以隧道洞口為頂和以仰坡變坡線為底的2個(gè)并列錐形體組合，且較高的巖體破壞較早，較低的巖體破壞較晚，當(dāng)靠近隧道底部范圍內(nèi)的巖體出現(xiàn)破壞時(shí)，整體的滑裂面最終形成并瞬間破壞。

2)由本試驗(yàn)研究與一般隧道試驗(yàn)研究對(duì)比分析可見，淺埋偏壓隧道的偏壓角度和圍巖的力學(xué)參數(shù)決定了破壞體的規(guī)模和范圍，且破壞體的范圍主要受偏壓角度的影響。其具體表現(xiàn)為:偏壓角度越小，破裂面上部頂點(diǎn)距離隧道開挖面越遠(yuǎn)，破裂面的深度越淺，塌落量越小;反之，破裂面頂部距離隧道開挖面越近，破裂面深度越深，塌落量越大。

3)單洞隧道的破裂角為56～71°。其中靠近坡腳一側(cè)的破裂角較小，與水平面的夾角為56～66°，靠近坡頂一側(cè)的破裂角較大，與水平面的夾角為66～71°。小凈距隧道兩塌落體中間為左右兩側(cè)滑裂面不對(duì)稱的楔型結(jié)構(gòu)，靠近坡頂側(cè)滑裂面的角度較小，與水平面的夾角為56～58°;靠近坡腳側(cè)滑裂面的角度相對(duì)較大，與水平面的夾角為62～75°。

本試驗(yàn)研究著重于Ⅴ級(jí)圍巖條件，對(duì)隧道圍巖破壞問題進(jìn)行了初步研究，并得到了較好的認(rèn)識(shí)。但對(duì)其他圍巖類別及偏壓角度條件下破壞模式的研究，還有待今后進(jìn)一步開展工作。

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