不同覆跨比下淺埋軟弱隧道的破壞模式

劉俊，劉新榮，賴(lài)勇，何春梅，王子娟

（1. 重慶大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶，400045；2. 重慶大學(xué) 山地城鎮(zhèn)建設(shè)與新技術(shù)教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室，重慶，400045；3. 重慶交通大學(xué) 河海學(xué)院，重慶，400074）

不同覆跨比下淺埋軟弱隧道的破壞模式

劉俊1，2，劉新榮1，2，賴(lài)勇3，何春梅1，2，王子娟1，2

（1. 重慶大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶，400045；2. 重慶大學(xué) 山地城鎮(zhèn)建設(shè)與新技術(shù)教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室，重慶，400045；3. 重慶交通大學(xué) 河海學(xué)院，重慶，400074）

為了研究不同覆跨比條件下淺埋軟弱隧道圍巖的破壞模式，通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)對(duì)隧道圍巖破壞的過(guò)程進(jìn)行模擬；利用強(qiáng)度折減法原理對(duì)模型試驗(yàn)進(jìn)行有限差分?jǐn)?shù)值驗(yàn)證，得出了二者基本一致的結(jié)論；通過(guò)對(duì)模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果的分析，推導(dǎo)基于巖柱理論的修正算法。研究結(jié)果表明：淺埋軟弱隧道圍巖的破壞最早從拱頂開(kāi)始，由于拱頂塌落區(qū)的形成，拱頂兩邊產(chǎn)生類(lèi)似滑坡的塌落效應(yīng)，即淺埋破碎圍巖隧道的“二階段”破壞；當(dāng)覆跨比較小時(shí)，圍巖的自承能力弱，圍巖塌落速度快，塌落體積少，形成塌穿型塌方；當(dāng)覆跨比為3.0時(shí)，形成了淺埋壓力拱，破壞已不能到達(dá)地表；當(dāng)覆跨比為2.5時(shí)，圍巖塌落形成的塌落體體積及破裂區(qū)影響區(qū)域最大，施工時(shí)支護(hù)應(yīng)及時(shí)，保證其安全。

淺埋隧道；軟弱圍巖；覆跨比；破壞模式；巖柱理論

21世紀(jì)是地下空間發(fā)展的世紀(jì)，世界各國(guó)都因各種原因修建了越來(lái)越多的隧道。由于中國(guó)山地和丘陵地區(qū)占據(jù)國(guó)土面積的75%左右，隨著中國(guó)高鐵、高速公路、地鐵的大力建設(shè)，為滿足最優(yōu)線路的規(guī)劃要求不可避免地需要修建大量的隧道工程。但由于隧道開(kāi)挖方法不當(dāng)或因地質(zhì)條件復(fù)雜，在隧道建設(shè)中極易出現(xiàn)因隧道圍巖失穩(wěn)破壞造成的塌方安全事故［1-3］，同時(shí)造成較大的經(jīng)濟(jì)損失并影響施工工期。隧道圍巖的失穩(wěn)破壞模式一般是根據(jù)監(jiān)測(cè)實(shí)際工程或者室內(nèi)模型試驗(yàn)得到定性的概念，然后提出假設(shè)，進(jìn)而提出圍巖壓力的計(jì)算方法，比如太沙基法、普氏壓力拱理論法以及基于洞頂以上的松散巖土體應(yīng)力傳遞的巖柱理論等。隨著巖土體彈塑性理論法、有限單元法與有限差分法的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)隧道圍巖的失穩(wěn)破壞做了大量的研究。DAVIS等［4］基于Cairncross和Mair進(jìn)行離心模型試驗(yàn)，給出了黏土中淺埋隧道工作面失穩(wěn)的4種破壞模式；20世紀(jì)70年代勒布希維茲基于對(duì)實(shí)際隧道破壞現(xiàn)象的觀察，提出隧道破裂楔形理論［5］，指出形變壓力是深埋隧道的主要壓力；JIANG等［6］提出了一種以地面特征曲線來(lái)預(yù)測(cè)軟巖隧道圍巖塑性區(qū)以及松散壓力的理論；JIA等［7-9］利用RFPA軟件對(duì)隧道做了破壞模式的分析，分別研究隧道傾角、側(cè)壓力系數(shù)、圍壓以及不同尺寸的不連續(xù)面對(duì)隧道破壞的影響；LU等［10］提出一種評(píng)估巖石隧道穩(wěn)定的程序，把隧道的破壞歸結(jié)為支護(hù)不足、收斂過(guò)大、錨固長(zhǎng)度不足三種破壞；SENENT等［11-13］分別在隧道掌子面和拱頂?shù)钠茐牡难芯恐欣脴O限分析法和非線性的Hoek-Brown破壞準(zhǔn)則，為研究隧道破壞模式提供了一種新的方法；HUANG等［14］利用模型試驗(yàn)分析了軟弱面對(duì)隧道破壞的影響，并利用數(shù)值分析驗(yàn)證了軟弱面引起的隧道圍巖損傷；汪成兵等［15-17］利用模型試驗(yàn)對(duì)軟弱隧道圍巖的破壞模式進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)淺埋隧道的破壞集中在拱頂，隧道的埋深對(duì)破壞區(qū)域有重要影響，并得到了拱形塌方和塌穿型塌方的破壞模式。然而，這些研究都沒(méi)有針對(duì)不同覆跨比情況下軟弱隧道圍巖的破壞模式展開(kāi)系統(tǒng)分析，相關(guān)的破壞機(jī)理也有待進(jìn)一步探討。為此，本文作者利用模型試驗(yàn)研究了不同覆跨比情況下淺埋軟弱隧道圍巖的破壞規(guī)律，通過(guò)數(shù)值分析驗(yàn)證了模型試驗(yàn)的合理性，通過(guò)綜合室內(nèi)模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬的結(jié)果，推導(dǎo)適合淺埋軟弱隧道圍巖破壞的修正的巖柱理論。

1 軟弱隧道圍巖破壞模型試驗(yàn)

1.1 模型試驗(yàn)相似關(guān)系

目前，我國(guó)兩車(chē)道公路以及軌道交通隧道常用斷面的開(kāi)挖跨度D為9～11 m，斷面一般為三心圓型式。此處把隧道斷面簡(jiǎn)化為圓形洞室［16］，本模型的開(kāi)挖洞室直徑Dm為90 mm，則根據(jù)原型尺寸和模型尺寸可得幾何相似比 Cl為100：1～120：1，根據(jù)試驗(yàn)的實(shí)際情況，以幾何相似比和容重相似比為基礎(chǔ)，應(yīng)滿足如下相似要求：式中：Cl為幾何相似比； γ C為容重γ相似比；Cμ為泊松比μ的相似比；Cφ為內(nèi)摩擦角φ的相似比；CE為彈性模量E的相似比；Cc為黏聚力相似比。

1.2 模型試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)采用三維模型，試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖錇槿该鞯匿摶ＡЫM成。模型制作時(shí)，在鋼化玻璃A和B面分別預(yù)留Dm=90 mm的圓孔，作為模型試驗(yàn)隧道開(kāi)挖的孔洞，鋼化玻璃之間用膠進(jìn)行黏結(jié)，模型尺寸（長(zhǎng)×寬×高）為730 mm×530 mm×500 mm，模型立體圖見(jiàn)圖1。

1.3 模型試驗(yàn)材料

本次試驗(yàn)根據(jù)模型大小與相似關(guān)系，經(jīng)過(guò)多次配比試驗(yàn)，確定河砂、重晶石粉、凡士林的混合物作為相似材料的原料，其配比為5.4：10：1（質(zhì)量比）。本次模擬的原型材料的圍巖級(jí)別為V級(jí)，圍巖原型與模型的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

圖1 模型試驗(yàn)裝置Fig.1 Model test apparatus

表1 模型與原型物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physics and mechanics parameter of model and prototype

1.4 模型試驗(yàn)方案和過(guò)程

淺埋隧道的破壞與圍巖地質(zhì)、隧道埋深、隧道跨度、地應(yīng)力、地下水等有關(guān)，本文主要研究隧道覆跨比（R，隧道的埋深H與跨度D之比）對(duì)隧道破壞模式的影響。此次試驗(yàn)主要研究 R=H/D=0.5，1.0，1.5，2.0，2.5和3.0 （H為隧道拱頂?shù)降乇淼木嚯x，D為隧道的直徑）條件下隧道的不同破壞模式，試驗(yàn)方案如表2所示。

試驗(yàn)過(guò)程中，將模型材料分層填入模型箱，當(dāng)材料填入高度為100 mm時(shí)，將外徑為90 mm、長(zhǎng)1 m的 PVC管放入預(yù)留孔洞中，嚴(yán)格控制模型材料的密度，繼續(xù)填入模型材料直至試驗(yàn)方案控制的覆蓋厚度。試驗(yàn)時(shí)通過(guò)緩慢勻速抽出PVC管模擬隧道的全斷面1次開(kāi)挖，為減小模擬開(kāi)挖對(duì)圍巖的擾動(dòng)，在PVC管外壁涂抹潤(rùn)滑油。試驗(yàn)開(kāi)始前，安裝定位好照相機(jī)、攝像機(jī)，以求得到清晰、有效的試驗(yàn)結(jié)果圖片。模型全部制作完成后靜置8 h開(kāi)始試驗(yàn)，模擬開(kāi)挖后自重應(yīng)力場(chǎng)作用下毛洞狀態(tài)時(shí)隧道圍巖的破壞過(guò)程。

表2 試驗(yàn)方案Table 2 Test schemes

1.5 模型試驗(yàn)結(jié)果及相關(guān)分析

1.5.1 隧道漸進(jìn)破壞過(guò)程分析

由于6組試驗(yàn)方案得到的圖片較多，現(xiàn)以試驗(yàn)方案4為例說(shuō)明隧道漸進(jìn)破壞過(guò)程。當(dāng)R=2.0時(shí)，模型試驗(yàn)的隧道圍巖漸進(jìn)破壞正面攝像如圖2所示。當(dāng)隧道開(kāi)挖45 s后，隧道圍巖開(kāi)始松動(dòng)、掉落，此時(shí)圍巖松動(dòng)區(qū)域僅是拱頂范圍，形成拉破壞，破壞從隧道拱頂向隧道兩側(cè)拱肩延伸，形成 1個(gè)三角形區(qū)域（圖2（a））；隨著開(kāi)挖的進(jìn)行，松動(dòng)范圍擴(kuò)大，在隧道兩側(cè)拱肩與拱頂區(qū)域形成1個(gè)半橢圓形區(qū)域（圖2（b））；當(dāng)塌落高度等于隧道1倍洞徑左右，圍巖仍能自穩(wěn)，形成1個(gè)“煙囪”形塌落拱（圖2（c）和2（d））；繼續(xù)開(kāi)挖，隧道拱肩范圍內(nèi)的圍巖全部塌落，隧道破壞形態(tài)如圖2（e）所示，地表塌陷寬度為163.11 mm，破裂角取兩邊角度的平均值，為76.5°。

圖2 正面視角下R=2.0時(shí)的隧道漸進(jìn)破壞模式Fig.2 Gradual failure modes of tunnel when R=2.0 from a positive perspective

同時(shí)，隨著隧道向縱深向開(kāi)挖，塌空區(qū)域外距拱肩一段距離的地方出現(xiàn)了縱向裂紋（圖3（a））；并隨著開(kāi)挖的進(jìn)行，圖3（a）所示的裂紋形成了貫通的破裂面并垮塌，形成了更大范圍的裂紋區(qū)（圖3（b））；當(dāng)塌落體充填滿隧道后，塌落停止（圖3（c））；縱斷面上隨著開(kāi)挖可形成持續(xù)的類(lèi)似破壞模式。

圖3 俯視視角下R=2.0時(shí)隧道地表的漸進(jìn)破壞形式Fig.3 Gradual failure modes of tunnel when R=2.0 from a overlook perspective

1.5.2 不同覆跨比隧道的破壞模式

R=0.5～3.0的隧道圍巖最終破壞形態(tài)如圖4所示。由圖4可知：淺埋軟弱隧道的破壞主要發(fā)生區(qū)域?yàn)樗淼拦凹缂耙陨戏秶茐淖畛鯊墓凹绮课回Q直向上形成貫通的剪切滑動(dòng)面，由于拱頂塌落區(qū)的形成，兩邊才產(chǎn)生類(lèi)似滑坡的塌落效應(yīng)，破壞范圍隨開(kāi)挖的進(jìn)行逐漸增大。當(dāng)R=3.0時(shí)，隧道的破壞并未擴(kuò)散到地表，形成了淺埋壓力拱（圖4（f）；而當(dāng)R=2.5時(shí)，10組試驗(yàn)當(dāng)中，7組試驗(yàn)的破壞區(qū)域貫通到了地表，3組并未貫通，可能是對(duì)于Ⅴ級(jí)圍巖，淺埋壓力拱剛好處于這個(gè)區(qū)域。

圖4 隧道最終破壞形態(tài)Fig.4 Final tunnel failure shapes

不同覆跨比下隧道最終塌落面積與開(kāi)挖時(shí)間的分析曲線如圖5所示。從圖5可知：

1） 當(dāng)R=0.5時(shí)，由于拱頂以上區(qū)域覆蓋層較薄，此外可形成滑坡效應(yīng)的區(qū)域有限，其塌落量最少，隨著隧道覆跨比的增大，最終塌落量逐漸增大，而當(dāng)R=2.5時(shí)，塌落量達(dá)到最大，其形成塌落拱的次數(shù)也最多；當(dāng)R=3.0時(shí)，由于圍巖并未塌落到地表，其塌落量比R為2.0和2.5時(shí)小。

2） 當(dāng)覆跨比較小時(shí)，圍巖的自承能力較弱，塌落的速度較快，當(dāng)R=0.5時(shí)，在塌落初期的塌落量已達(dá)到整個(gè)塌落量的一半；隨著隧道覆跨比的增大，隧道初次塌落量相對(duì)減少，當(dāng)R=1.5時(shí)，初次塌落量最??；當(dāng)R=2.0時(shí)，隧道初次塌落時(shí)間最遲，但塌落量的增加最快；而當(dāng)R為2.5和3.0時(shí)，其塌落量的增加相對(duì)較慢，淺埋壓力拱的形成可能是導(dǎo)致此現(xiàn)象的原因。

圖5 塌方面積與開(kāi)挖時(shí)間關(guān)系曲線Fig.5 Relation curves of collapse area and excavation time

不同覆跨比下隧道在地表的最終塌落寬度與最終破裂角關(guān)系曲線如圖6和圖7所示。由圖6和7可知：

1） 當(dāng)R為0.5和1.0時(shí)，破裂角較小，影響范圍較大，但由于覆蓋層厚度較薄，地表塌落寬度仍相對(duì)較小。而當(dāng)R=2.5時(shí)，由于拱頂范圍塌落體填埋了整個(gè)隧道區(qū)域，不能形成R=0.5時(shí)那么充分的滑坡效應(yīng)，破裂角相對(duì)較小，但由于覆蓋層較厚，影響區(qū)域最大。

圖6 不同覆跨比下隧道在地表的最終塌落寬度Fig.6 Final failure width of tunnel on surface under different thickness-span ratios

圖7 不同覆跨比下隧道的最終破裂角曲線Fig.7 Final rupture angle curve of tunnel under different thickness-span ratios

2） 當(dāng)R=3.0時(shí)，破壞不能到達(dá)地表，形成了淺埋壓力拱。同時(shí)，隧道最終破壞的破裂角也較大，說(shuō)明拱頂是淺埋隧道最危險(xiǎn)的區(qū)域，如開(kāi)挖過(guò)快，或不及時(shí)支護(hù)，也很容易導(dǎo)致進(jìn)一步的破壞。

3） 當(dāng)R為2.0和2.5時(shí)的破裂角相對(duì)R=1.5時(shí)小，同樣是由于塌落體填埋了隧道部分區(qū)域，使得滑坡效應(yīng)不充分，說(shuō)明對(duì)于隧道塌方的塌落體的處理應(yīng)合理，塌落體的存在也可減少隧道的破壞區(qū)域。

2 軟弱隧道圍巖破壞的數(shù)值模擬

為了驗(yàn)證模型試驗(yàn)的正確性，對(duì)軟弱隧道圍巖進(jìn)行了 FLAC3D的數(shù)值模擬。模擬時(shí)，本構(gòu)模型采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，初始荷載取自重荷載。數(shù)值模型取模型試驗(yàn)尺寸的100倍，為了與模型試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，模擬跨度為9 m的圓形隧道。水平方向左右邊界取隧道跨度的3倍，兩邊施加水平位移約束；豎直方向上邊界取至地面，下邊界取隧道洞高的3倍，并在下邊界施加豎向位移約束；在隧道縱向按平面應(yīng)變模式考慮，圍巖力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1的圍巖原型數(shù)值。

長(zhǎng)期以來(lái)，在隧道穩(wěn)定分析中如何根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)或計(jì)算結(jié)果來(lái)判斷隧道是否發(fā)生失穩(wěn)破壞一直是一個(gè)很難確定的問(wèn)題［18-19］。依據(jù)隧道洞周位移作為圍巖失穩(wěn)破壞的判別方法可靠性不足，因?yàn)閷?duì)于不同跨度、不同形狀的隧道在同樣巖土強(qiáng)度條件與埋深情況下其位移值是不同的；根據(jù)塑性區(qū)的大小以及是否貫通作為破壞判據(jù)沒(méi)有嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，只能作為一種計(jì)算參考。本文采用強(qiáng)度折減法［20-21］，即通過(guò)不斷折減圍巖的 c和φ，使模型剛好處于收斂臨界狀態(tài)，此時(shí)的隧道處于即將失穩(wěn)狀態(tài)。由于隧道圍巖發(fā)生破壞時(shí)，必然會(huì)使破裂面上的剪應(yīng)變發(fā)生突變，根據(jù)這一特征，通過(guò)監(jiān)測(cè)FLAC3D的剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D可以很直觀的找出破壞面的位置。圖8所示為覆跨比不同條件下隧道開(kāi)挖引起的隧道圍巖不同破壞模式的剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D。

由圖8可知：

1） 當(dāng)R=0.5時(shí)，隧道最大剪應(yīng)變?cè)隽繀^(qū)在拱肩處與洞頂?shù)孛嬷虚g位置，最容易破壞區(qū)域?yàn)楣绊?。這與模型試驗(yàn)中的結(jié)果類(lèi)似，說(shuō)明覆蓋層較小時(shí)，圍巖的自承能力弱，其破壞最先開(kāi)始于拱頂范圍。

2） 當(dāng)R=1.0～2.5時(shí)，隧道的剪應(yīng)變?cè)隽孔畲髤^(qū)域隨覆跨比的增大從隧道拱頂逐漸轉(zhuǎn)移到拱肩，并形成了部分淺埋壓力拱，此時(shí)的破壞與模型試驗(yàn)的最終破壞也較為相似。

3） 當(dāng)R=3.0時(shí)，隧道的破裂面并未延伸至地表，形成了淺埋壓力拱，這與模型試驗(yàn)結(jié)果相吻合。由此可知對(duì)于Ⅴ級(jí)圍巖，深淺埋的界限在 2.5～3.0倍的洞跨。此外，此時(shí)隧道拱腰處的最終剪應(yīng)變?cè)隽孔畲?，說(shuō)明最不利位置應(yīng)為側(cè)壁而不是拱頂，這與模型試驗(yàn)有差別，可能是因?yàn)槟Ｐ驮囼?yàn)中拱頂塌落體填埋了隧道斷面區(qū)域的結(jié)果。

3 淺埋軟弱隧道松散壓力修正計(jì)算方法

3.1 基于巖柱理論的修正算法

圖9所示為修正巖柱理論示意圖。根據(jù)巖柱理論［22］和規(guī)范公式［23］中求淺埋隧道松散壓力計(jì)算方法，都利用土力學(xué)的理論假定了破裂面，如圖9中的PK和QL，但在之前的模型試驗(yàn)中，當(dāng)R=0.5～3.0時(shí)，都沒(méi)有出現(xiàn)巖柱理論和規(guī)范公式所假設(shè)的破壞方式，而是先有圖中①部分，即矩形IMNJ范圍的破壞，然后才有②部分，即三角形區(qū)域IPK和JQL的滑移，即淺埋破碎圍巖隧道的“二階段”破壞。淺埋軟弱隧道圍巖的破壞是從拱頂開(kāi)始，隧道的破壞主要發(fā)生區(qū)域?yàn)樗淼拦凹缂耙陨戏秶?，?dāng)隧道圍巖沿著滑裂面IK和JL形成塌空的破裂區(qū)后，才從隧道拱肩沿一定角度類(lèi)似邊坡的坍塌方式形成貫通的破裂面，即PK和QL。汪成兵等［24-25］的研究中都出現(xiàn)了破裂角較大的情況，說(shuō)明對(duì)于軟弱隧道圍巖，巖柱理論和規(guī)范公式并不適用。由此，推導(dǎo)了基于巖柱理論的修正算法，計(jì)算模型如圖9所示，認(rèn)為修正巖柱IMNJ的重力減去兩側(cè)滑動(dòng)面上的摩擦力和黏聚力即為隧道的圍巖壓力。

圖9 修正巖柱理論示意圖Fig.9 Schematic of amendatory rock pillar theory

如圖9所示，距地面深度z處，直線IM和JN上的阻力t為

式中：c為黏聚力；ea為距地面深度z處的主動(dòng)土壓力；φ為內(nèi)摩擦角。

式中：γ為土的重度；z為計(jì)算點(diǎn)深度。

將式（5）沿深度積分，得巖柱側(cè)面的總應(yīng)力（摩擦力和黏聚力）為

令

則

作用在隧道頂部的圍巖應(yīng)力σh為

式中：G為巖柱IMNG的質(zhì)量；d為隧道的跨度。令

則

將式（10）對(duì)H求導(dǎo)，并令其為0，得到最大圍巖壓力的埋置深度Hmax為

把圍巖原型數(shù)據(jù)代入式（11），得到Hmax≈24.78 m，由于跨度D=9 m，可得R=2.75。由修正的巖柱理論也得到了淺埋隧道的埋置深度在2.5～3.0，當(dāng)R＞3.0時(shí)，已經(jīng)形成了淺埋壓力拱，此計(jì)算式不成立。

3.2 算例分析

對(duì)一個(gè)洞跨9 m，側(cè)墻高4.5 m，拱高4.5 m的直墻拱形隧道在不同埋深土體下進(jìn)行分析研究，力學(xué)參數(shù)如表1中原型數(shù)值，根據(jù)修正的巖柱理論得到了埋深5～14 m的松散壓力，并與其他方法計(jì)算得到的壓力進(jìn)行了比較，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

計(jì)算結(jié)果表明：太沙基法得到的松散壓力為巖柱自重的48%～59%，修正巖柱理論計(jì)算得到的結(jié)果為巖柱自重的 64%～77%，巖柱理論法為巖柱自重的78%～86%，規(guī)范公式法為巖柱自重的94%～116%。在埋深較淺時(shí)，修正巖柱理論與原巖柱理論值相近，隨著埋深的增加，修正巖柱理論的松散壓力增加相對(duì)較小，體現(xiàn)了隧道圍巖壓力拱的作用。從表3可知：修正巖柱理論的松散壓力介于太沙基法與巖柱理論法計(jì)算的圍巖壓力之間，此方法是適用的。

表3 不同方法計(jì)算松散壓力結(jié)果Table 3 Calculation results of loose pressure by different methods

4 結(jié)論

1） 淺埋軟弱隧道圍巖的破壞從拱頂開(kāi)始，并逐漸向上發(fā)展，隧道的破壞主要發(fā)生區(qū)域?yàn)樗淼拦凹缂耙陨戏秶?dāng)隧道圍巖形成塌空的破裂區(qū)后，邊墻才產(chǎn)生類(lèi)似滑坡的塌落效應(yīng)，即淺埋破碎圍巖隧道的“二階段”破壞。因此，在軟弱隧道圍巖進(jìn)行施工時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)拱頂下沉的監(jiān)測(cè)，并對(duì)隧道拱肩處加強(qiáng)鎖腳錨桿的支護(hù)。

2） 淺埋軟弱隧道圍巖的覆跨比不同，其破壞模式不同。當(dāng)覆跨比較小時(shí)，圍巖的自承能力弱，形成塌穿型塌方，當(dāng)覆跨比為3.0時(shí)，破壞已不能到達(dá)地表，淺埋壓力拱的形成可能是形成此現(xiàn)象的原因。

3） 當(dāng)覆跨比較小時(shí)，圍巖塌落的速度快，塌落體積少；當(dāng)覆跨比為2.5時(shí)，圍巖塌落形成的塌落體體積及破裂區(qū)影響區(qū)域是最大的。因此，對(duì)此覆跨比的軟弱隧道支護(hù)應(yīng)及時(shí)，并增大支護(hù)應(yīng)力，使其形成淺埋壓力拱，保證其安全。

4） 根據(jù)淺埋軟弱圍巖隧道的“二階段”破壞，推導(dǎo)了基于巖柱理論的修正算法，計(jì)算了埋深 5～14 m時(shí)隧道的松散壓力，其值介于太沙基法與巖柱理論法之間，說(shuō)明此方法是適用的。

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（編輯 陳愛(ài)華）

Failure mode of shallow-buried weak tunnel under different thickness-span ratios

LIU Jun1，2， LIU Xinrong1，2， LAI Yong3， HE Chunmei1，2， WANG Zijuan1，2

（1. College of Civil Engineering， Chongqing University， Chongqing 400045， China；2. Key Laboratory of New Technology for Construction of Cities in Mountain Area，Ministry of Education， Chongqing University， Chongqing 400045， China；3. Academy of River and Ocean， Chongqing Jiaotong University， Chongqing 400074， China）

To analyze the failure mode of shallow-buried weak tunnel surrounding rock at different thickness-span ratios，the failure process was studies through a number of model tests. The results of model tests were verified by means of finite difference numerical simulation using the theory of strength reduction method， and a basic consistent conclusion was obtained. Through the analysis of numerical simulation and model test results， a modified method based on the theory of rock pillars was derived. The result shows that the failure zone of shallow-buried weak tunnel surrounding rock initiates from arch crown of tunnel. Due to the damage zone of arch crown formation， the damage effect of similar landslide， namely ‘two stage’ failure of shallow-buried weak tunnel surrounding rock， develops on both sides of arch crown. When the thickness-span ratio is relatively small， with high speed of collapse and small volume of rock collapse，the self-supporting capability of surrounding rock is weak. Hence the caving collapse occurs. When the thickness-span ratio equals 3.0， the failure zone of the surrounding rock which forms a shallow-buried pressure arch can not reach the surface. When the thickness-span ratio equals 2.5， the volume of surrounding rock collapse and the influence of failure zone is the largest. In order to ensure the safety， tunnel support should be done timely during construction.

shallow-buried tunnel； weak surrounding rock； thickness-span ratio； failure mode； rock pillars theory

U451+.2

A

1672-7207（2016）05-1744-08

10.11817/j.issn.1672-7207.2016.05.038

2015-07-20；

2015-09-12

煤礦災(zāi)害動(dòng)力學(xué)與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主研究課題（2011DA105287-MS201208）；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金資助項(xiàng)目（CDJXS12 20 11 06） （Project（2011DA105287-MS201208） supported by Independent Research Project of the State Key Laboratory of Coal Mine Disaster Dynamics and Control； Project（CDJXS12 20 11 06） supported by the Fundamental Research Funds for the Central Universities）

劉新榮，博士，教授，從事隧道及地下工程方面的研究；E-mail： 517694008@qq.com