淺埋偏壓隧道掘進圍巖壓力解析*

趙海濤,胡 宇,劉丙宇,張彥龍,張小軍,高文學

(1.北京建工路橋集團有限公司,北京 100123; 2.北京工業(yè)大學城市建設(shè)學部,北京 100124)

0 引言

隨著我國公路工程建設(shè)的重心逐漸向山嶺重丘區(qū)轉(zhuǎn)移,受道路選線、地形、地質(zhì)等條件限制,不可避免地出現(xiàn)眾多淺埋、偏壓隧道。在長期自然風化、雨水侵蝕等多重因素作用下,隧道洞口段圍巖往往地質(zhì)條件差、自穩(wěn)能力弱。如果對淺埋偏壓隧道施工過程中圍巖壓力變化認識不清、施工方法不當,極易引起隧道超欠挖甚至塌方等。

目前,眾多學者通過理論分析對淺埋偏壓隧道圍巖受力狀態(tài)進行了研究,嚴濤等[1]、劉翔等[2]通過擬靜力法,建立了變坡面淺埋偏壓隧道圍巖壓力計算模型;杜建明等[3]、張治國等[4]通過極限平衡法,計算了考慮黏聚力、內(nèi)摩擦角和地震力的淺埋偏壓隧道圍巖壓力解析解;李棟梁等[5]研究了地震力作用下淺埋雙側(cè)偏壓隧道松動圍巖壓力與破裂角的關(guān)系;邱業(yè)建等[6]結(jié)合室內(nèi)模型試驗,研究了淺埋偏壓隧道破壞模式;白哲等[7]、張治國等[8]研究了地震作用下淺埋偏壓隧道圍巖壓力解析解,并探討了其影響因素。還有部分學者通過數(shù)值模擬、模型試驗等對淺埋偏壓隧道施工力學特征進行研究。趙金鵬等[9]、陳平[10]、劉小軍等[11]運用數(shù)值模擬,研究了淺埋偏壓小凈距隧道不同施工方法下圍巖變形規(guī)律,從而提出了合理的施工順序;董建華等[12]、莫江峰等[13]結(jié)合變形協(xié)調(diào)條件,研究了淺埋偏壓隧道施工的內(nèi)力和位移發(fā)展規(guī)律;雷明鋒等[14]利用模型試驗研究了不同偏壓角度下圍巖破壞機制。

上述研究表明,目前對淺埋偏壓隧道的研究大多聚焦于淺埋單側(cè)偏壓隧道,而對淺埋雙側(cè)偏壓隧道施工過程中力學特征研究較少。本文基于JTG 3370.1—2018《公路隧道設(shè)計規(guī)范 第一冊 土建工程》,綜合圍巖壓力折減及分離式隧道施工時左、右洞相互影響,對不同凈距下分離式隧道施工過程中圍巖壓力變化進行理論解析,建立了該類隧道掘進圍巖壓力計算模型;結(jié)合國道109新線高速公路清水2號隧道進口段施工,驗證該理論模型的正確性。

1 圍巖壓力計算

由于圍巖是一種性質(zhì)復雜的多相介質(zhì),具有非均質(zhì)、非連續(xù)、非線性等特征,為簡化分析、計算,假定淺埋隧道掘進時圍巖破裂面是一個與水平面成β角的斜直面,如圖1a中所示AB,MG,JP,UQ。

圖1 淺埋雙側(cè)偏壓分離式隧道受力簡圖

1.1 分離式隧道最小凈距計算

觀察圖1a和圖1b,分離式隧道凈距a影響其整體受力分布。當a≥a1+a2(a1,a2分別為先行洞、后行洞內(nèi)側(cè)破裂面的水平距離)時,分離式掘進圍巖壓力互不影響,圍巖受力計算時可作為單線隧道處理;當a

圖2 淺埋雙側(cè)偏壓分離式隧道受力分布

假設(shè)先行洞(右線隧道)地表坡度為α1,后行洞(左線隧道)地表坡度為α2,隧道凈寬為Bt,凈高為Ht。圖1a中,a≥a1+a2?；阽娮媪嫉萚15]計算結(jié)果,引入圍巖壓力折減系數(shù)μ:

(1)

式中:Qi為現(xiàn)場監(jiān)測值;Qj為規(guī)范計算值。根據(jù)《公路隧道設(shè)計規(guī)范 第一冊 土建工程》,則先行洞處圍巖垂直壓力為:

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

隧道水平側(cè)壓力為:

(7)

隧道拱頂垂直均布壓力為:

(8)

式中:λi為水平側(cè)壓力系數(shù)(i=1,2);γ為圍巖重度;β為該斜面的破裂角;φ為圍巖似摩擦角;θ為圍巖側(cè)摩擦角。φ和θ可根據(jù)表1進行取值。

表1 各級圍巖的φ及θ值

后行洞計算結(jié)果與先行洞類似,此處不再列出。

當M點與J點重合時,即h0=ht。

對于三角形NJP,存在:

(9)

化簡得:

(10)

則有:

(11)

同理可得到:

(12)

所以,分離式隧道最小凈距應(yīng)為a=a1+a2,即

(13)

1.2 先行洞圍巖壓力計算

對于圖1b,a

1)當先行洞開始掘進時,其圍巖壓力計算為式(2)～式(8)。

2)當先行洞掘進一定距離后,后行洞開始掘進。觀察圖1b中MIJK范圍,由于圍巖的位移趨勢,在其內(nèi)部豎直面KI會產(chǎn)生張性破裂面,忽略破裂面的法向作用力[16],后行洞滑裂面變成LIP。

后行洞外側(cè)圍巖水平側(cè)壓力不受先行洞掘進影響,該值計算方法與先行洞外側(cè)水平壓力計算方法一致:

e4i=γμh4iλ4

(14)

(15)

(16)

計算后行洞內(nèi)側(cè)圍巖水平側(cè)壓力時,需對四邊形LIPN進行受力分析,其受力簡圖如圖3所示,受力平衡如圖4所示。

圖3 LIPN受力簡圖

圖4 LIPN力矩

根據(jù)力的平衡原理可得到:

(17)

式中:T5,T6分別為拱頂圍巖與襯砌帶動NO,OP面下滑時的帶動力;W4為滑動巖體重力;R3為整個巖體滑動時未擾動巖體給予的阻力。

(18)

將式(18)代入式(17),整理得:

(19)

分析式(17),T5+T6為NP面的帶動下滑力,則有:

λ3=

(20)

λ3為NP面上的側(cè)壓力系數(shù),而拱頂圍巖下沉時受到兩側(cè)的摩阻力為T5。因此,T5可根據(jù)上述概念直接寫出:

(21)

欲求T5必須先求λ3,結(jié)合式(19),可得λ3為β3,φ,θ的函數(shù),而φ,θ為已知,β3為PI滑動面與地面的夾角,而PI滑動面并非極限狀態(tài)下的自然破裂面,它是假定與圍巖NORS下滑帶動力有關(guān),而其最有可能的滑動面位置必然為T5+T6最大值時帶動圍巖LIPN的位置,基于此,應(yīng)當利用極值求β3。

(22)

由式(22)知,在極值條件下,β3僅與φ,θ有關(guān),而φ,θ是隨圍巖級別而定的已知值,在求得β3后,T5也可求得?？紤]圍巖壓力折減系數(shù)μ,后行洞內(nèi)側(cè)圍巖水平側(cè)壓力e3i為:

e3i=γμh3iλ3

(23)

計算后行洞拱頂圍巖垂直壓力,需對后行洞拱頂圍巖NORS進行受力分析,其計算簡圖如圖5所示。

圖5 后行洞拱頂圍巖受力簡圖

W5=Q2Bt+(T5+T7)sinθ

(24)

式中:Q2為隧道襯砌支撐拱頂圍巖的均布荷載。

與式(20)計算同理,得到:

(25)

將式(21)、式(24)代入式(25),考慮圍巖壓力折減系數(shù)μ,得到:

(26)

設(shè)拱頂荷載分布與地表坡度一致,考慮圍巖壓力折減系數(shù)μ,則后行洞拱頂圍巖垂直均布荷載為:

(27)

3)當后行洞掘進后,先行洞內(nèi)側(cè)圍巖水平壓力和拱頂垂直壓力發(fā)生改變,外側(cè)圍巖水平壓力未發(fā)生改變。取圍巖EGILK進行受力分析(見圖6,7)。

圖6 EGILK受力

圖7 EGILK力矩

計算原理與式(17)～式(20)相同,忽略圍巖KEL的面積,得到:

(28)

(29)

(30)

考慮圍巖壓力折減系數(shù)μ,則此時先行洞內(nèi)側(cè)水平側(cè)壓力e2i為:

e2i=γμh2iλ′2

(31)

同理可計算先行洞處拱頂垂直壓力為:

(32)

(33)

2 工程案例分析

由上述計算原理可得到淺埋雙側(cè)偏壓分離式隧道掘進過程中圍巖壓力變化規(guī)律?；趪?09新線高速公路清水2號隧道現(xiàn)場監(jiān)測試驗,將理論值與現(xiàn)場監(jiān)測值進行對比,驗證上述理論正確性。

2.1 工程概況

清水2號隧道凈空15.8m×10.8m(寬×高),雙洞凈距19.8m,先行洞(右線)隧道平均埋深8.9m,地面坡角α1為35°,后行洞(左線)隧道平均埋深7.8m,地面坡角α2為29°,重度γ為20kN/m3,圍巖等級綜合評定為V級,坡頂與隧道拱頂高差為19.3m。根據(jù)表1,圍巖似摩擦角φ取40°,摩擦角θ取20°。

根據(jù)前述理論,由式(13)計算分離式隧道最小凈距a。其中,h2=13.3m,h3=11.2m,可得a=32.6m>19.8m,因此清水隧道為小凈距隧道,分析圍巖壓力時需考慮雙洞掘進過程中相互擾動(見圖8)。

圖8 清水2號隧道現(xiàn)場

2.2 監(jiān)測分析

為了研究清水2號隧道掘進過程中圍巖壓力變化,在先行洞隧道(A1K40+200)斷面安裝多個振弦式頻率儀?？紤]到該隧道埋深淺,周圍環(huán)境對圍巖壓力變化敏感,結(jié)合位移監(jiān)測站對隧道雙側(cè)地表坡面位移進行監(jiān)測,力求從多方面驗證上述理論的正確性。監(jiān)測儀器及測點布置如圖9所示。

圖9 現(xiàn)場監(jiān)測點布置

根據(jù)上述公式,分別計算先行洞與后行洞掘進時先行洞處隧道圍巖的垂直壓力與水平側(cè)壓力,同時記錄對應(yīng)階段的監(jiān)測值,將監(jiān)測值與理論值繪制成表2進行對比。

表2 不同施工階段下先行洞處圍巖壓力理論值與監(jiān)測值

由表2可知,先行洞掘進時的圍巖壓力理論值αi來自規(guī)范,βi來源于現(xiàn)場監(jiān)測,根據(jù)圍巖壓力折減系數(shù)定義,得:

(34)

計算得μ=0.44,結(jié)合前述理論,可得到此階段先行洞圍巖壓力理論值α′i?；诂F(xiàn)場監(jiān)測得到的后行洞掘進時先行洞圍巖的壓力值β′i,利用下式計算推導值ηi:

(35)

然后計算推導值ηi與理論值α′i的相對誤差δ:

(36)

得到δ=9.0%,誤差較小,驗證了該計算模型的正確性。

監(jiān)測的該斷面地表位移變化如圖10所示。圓形曲線為先行洞掘進圍巖穩(wěn)定后地表位移曲線,倒三角形曲線為后行洞掘進圍巖穩(wěn)定后地表位移曲線。由圖可知,隨著先行洞掘進,洞頂?shù)乇沓两抵捣€(wěn)定在4.1mm,坡頂沉降值穩(wěn)定在2.1mm;隨著后行洞掘進對圍巖再次擾動,后行洞洞頂?shù)乇沓两抵捣€(wěn)定在3mm,坡頂沉降最終穩(wěn)定在2.3mm,地表整體沉降趨勢由“V”形向“W”形變化,但先行洞、后行洞處外側(cè)地表位移無影響,表明后行洞掘進時不會對先行洞外側(cè)圍巖壓力產(chǎn)生影響,但先行洞拱頂?shù)乇碇疗马敵两登€從AB發(fā)展成A′B,沉降值增大,表明后行洞掘進時,先行洞內(nèi)側(cè)圍巖壓力重分布,其圍巖壓力和沉降值增加,不利于兩洞內(nèi)側(cè)圍巖和襯砌結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定,驗證了前述計算模型的正確性。

圖10 地表位移曲線

3 結(jié)語

1)淺埋雙側(cè)偏壓分離式隧道施工前,應(yīng)分析、計算分離式隧道最小凈距。當凈距大于最小凈距時,分離式隧道施工互不影響,雙側(cè)偏壓分離式隧道受力分析可按單側(cè)偏壓單線隧道進行計算;當凈距小于最小凈距時,先行洞處圍巖由于后行洞施工的影響,圍巖壓力會產(chǎn)生重分布。

2)在各監(jiān)測點,理論解析值均大于現(xiàn)場監(jiān)測值,這是因為理論計算是基于極限平衡理論,而實際施工時圍巖未完全破壞(形成破裂面),但兩者誤差較小(相對誤差僅為9%),驗證了本文計算模型的正確性。

3)淺埋雙側(cè)偏壓分離式隧道后行洞掘進時圍巖壓力重分布,地表沉降由“V”形向“W”形發(fā)展;坡頂沉降增加;先行洞內(nèi)側(cè)圍巖壓力和沉降值均增加,不利于先行洞圍巖和襯砌結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定,施工時應(yīng)加強對先行洞的安全監(jiān)測。