李 婷 姜諳男 張峰瑞 鐘 越 徐 波

(1.大連海事大學(xué)道路與橋梁工程研究所， 遼寧大連 116026； 2.南昌軌道交通集團(tuán)有限公司， 南昌 330013)

隧道的開挖會引起周圍土體變形和地層損失，土體變形和地層損失率過大，可能會引發(fā)塌方等事故。目前多數(shù)隧道地層損失率的數(shù)值模擬采用各向同性模型，而實(shí)際工程中，巖體中往往含有大量節(jié)理，節(jié)理的存在破壞了巖體的連續(xù)性和完整性，使得數(shù)值模擬與實(shí)際工程存在較大的誤差[1-2]。因此，為了確保節(jié)理巖體中隧道的施工安全，研究節(jié)理巖體隧道的穩(wěn)定性和地層損失率非常必要。

對于節(jié)理巖體的穩(wěn)定性，國內(nèi)外學(xué)者已開展了大量的研究工作。楊忠民等采用3DEC軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，對節(jié)理圍巖的變形狀態(tài)進(jìn)行研究[3]。袁鐵等通過FLAC3D軟件建立數(shù)值模型，發(fā)現(xiàn)壓剪應(yīng)力在節(jié)理傾角為45°時(shí)最小，在75°時(shí)壓剪應(yīng)力最大[4]。彭雙喜利用有限元強(qiáng)度折減法為節(jié)理巖體隧道的穩(wěn)定性分析提供了一個(gè)量化標(biāo)準(zhǔn)[5]。唐正東得出了在施工中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注隧道與節(jié)理相交部位的結(jié)論[6]。劉紅兵分析了不同傾角巖層產(chǎn)生偏壓作用的規(guī)律[7]。王永甫等通過PLAXIS程序模擬，提供了一種穩(wěn)定性分析的計(jì)算方法[8]。許崇幫等得到了節(jié)理產(chǎn)狀與圍巖變形的特征[9]。何長江等采用有限元強(qiáng)度折減法, 研究了不同節(jié)理傾角對順層隧道穩(wěn)定性的影響[10]。

近年來針對地層損失率也有許多研究。韓煊等對國內(nèi)多條隧道的地層損失率進(jìn)行分析，得到隧道地層損失率的范圍[11]。丁智等研究了雙線隧道在軟土地區(qū)的地層損失率[12]。周健等通過FLAC2D軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，提出了最佳施工方案[13]。白永學(xué)等研究成都地區(qū)砂卵石地層的地層損失，提出了相應(yīng)的施工對策[14]。王建秀等研究盾構(gòu)施工與地層損失率的關(guān)系[15]。丁智等研究了不同施工參數(shù)對軟土雙線盾構(gòu)掘進(jìn)引起的土體豎向變形的影響[16]。包小華等構(gòu)建了三維數(shù)值計(jì)算模型，分析施工參數(shù)對地表變形的影響[17]。鄒飛等研究節(jié)理間距對地層損失率的影響[18]。袁長豐等采用相似材料模擬試驗(yàn)得到了地表沉陷的概率分布規(guī)律[19]。

在以上研究成果中均未見到對節(jié)理巖體隧道地層損失率的研究。南昌某隧道受節(jié)理切割嚴(yán)重，使圍巖的完整性受到不同程度的破壞，對隧道穩(wěn)定性和地表變形產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。因此以南昌地鐵盾構(gòu)隧道為工程依托，采用UDEC[20-21]軟件建立數(shù)值模型，研究節(jié)理傾角對隧道圍巖變形、塑性區(qū)和地表沉降的影響，在此基礎(chǔ)上通過雙線Peck曲線分析地層損失率的變化范圍，并且分析節(jié)理間距、盾構(gòu)隧道間距以及隧道埋深對地表沉降的影響，為節(jié)理隧道施工提供參考。

1 盾構(gòu)施工相關(guān)計(jì)算理論

1.1 非連續(xù)介質(zhì)計(jì)算原理

對巖體進(jìn)行數(shù)值模擬主要有兩種方法：連續(xù)介質(zhì)方法和非連續(xù)介質(zhì)方法。連續(xù)介質(zhì)方法在假設(shè)小變形的前提下，通過設(shè)置節(jié)理單元的方法能夠處理極少部分的不連續(xù)結(jié)構(gòu)面，但對于處理大多數(shù)不連續(xù)結(jié)構(gòu)面的問題時(shí)，應(yīng)采用非連續(xù)介質(zhì)方法。

非連續(xù)介質(zhì)方法將巖體看成是由節(jié)理等結(jié)構(gòu)面切割而成的剛性塊體或者可變形塊體，接觸主要是塊體與塊體之間形成角、面和邊，塊體與塊體之間的節(jié)理面構(gòu)成節(jié)理巖體。塊體可以平移、轉(zhuǎn)動或者變形，節(jié)理面可以被壓縮、分離、滑動，運(yùn)用牛頓第二定律描述塊體之間發(fā)生的運(yùn)動，因此，可認(rèn)為節(jié)理巖體是非連續(xù)性介質(zhì)，采用非連續(xù)介質(zhì)方法可以較為真實(shí)地體現(xiàn)出節(jié)理巖體中的大變形特征。

1.2 巖石節(jié)理本構(gòu)模型

將完整巖石基質(zhì)按各向同性的均勻線彈性材料處理，對于一般受力下巖體的屈服，可以用摩爾-庫侖準(zhǔn)則來表示：

τ=c+σtanφ

(1)

式中：τ為抗剪強(qiáng)度；c為黏聚力；φ為內(nèi)摩擦角。

Jeager 等建立了首個(gè)節(jié)理巖體強(qiáng)度模型，對于只有一組均值且各向同性節(jié)理的巖體來說，其力學(xué)性質(zhì)主要受節(jié)理面方向所控制[22]。設(shè)β為節(jié)理面外法線與最大主應(yīng)力方向的夾角，與節(jié)理的傾角相同(圖1)。在第一主應(yīng)力σ1與第三主應(yīng)力σ3作用下，節(jié)理面上的正應(yīng)力與剪應(yīng)力表達(dá)式為:

圖1 節(jié)理巖體Fig.1 Jointed rock masses

(2)

將式(2)中的正應(yīng)力σ和剪應(yīng)力τ代入式(1)，整理后可以得到：

(3)

對β求一階導(dǎo)數(shù)，并令其為 0，得:

(4)

可以求得當(dāng)β=45°+φ/2時(shí)，(σ1-σ3)取得最小值，而在摩爾應(yīng)力圓上最大抗剪強(qiáng)度τmax=(σ1-σ3)/2，即當(dāng)節(jié)理傾角為45°+φ/2時(shí)，取得最大抗剪強(qiáng)度的最小值。

1.3 盾構(gòu)隧道沉降預(yù)測的經(jīng)驗(yàn)算式

Peck通過對大量實(shí)際工程數(shù)據(jù)的數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析，對不排水情況下單線隧道施工過程中地表沉降進(jìn)行了總結(jié)，指出隧道上方的地面沉降槽形狀呈正態(tài)分布規(guī)律，即著名的Peck公式[23]，可用式(5)來表述，Peck 公式后來逐漸成為研究雙線盾構(gòu)隧道沉降問題的理論基礎(chǔ)和重要參考。

(5)

式中：S(x)為沉降槽上某x點(diǎn)的地面沉降值；Smax為地面最大沉降值；i為隧道沉降槽寬度。

假定地層不排水，對式(5)進(jìn)行積分,得到土體單位長度損失量：

(6)

由式(6)反推可以得到地面最大沉降值：

(7)

式中：R為隧道半徑；η為地層損失率。

通過式(5)～(7)可以得到沉降計(jì)算式：

(8)

由于主要研究節(jié)理巖體的傾角對盾構(gòu)隧道地表沉降的影響，故假定無二次擾動效應(yīng)，假定雙線的土體損失率與沉降槽寬度相同。分別求出先行洞和后行洞的地表沉降曲線，然后疊加，就可以得到盾構(gòu)隧道的地表沉降曲線[24-25]。

根據(jù)疊加原理，由式(8)可以得到盾構(gòu)隧道的沉降值：

(9)

式中：i1為先行洞沉降槽寬度；i2為后行洞沉降槽寬度；Z為隧道深度；φ為摩擦角；η1為先行洞地層損失率；η2為后行洞地層損失率；L兩個(gè)隧道的中心距離。

2 工程概況

南昌某地鐵區(qū)間為雙孔圓形隧道，隧道頂部埋深9.8～15.5 m，內(nèi)徑為5.4 m，外徑為6.0 m，管片寬為1.2 m，管片厚度為0.3 m，雙線距離為14 m。區(qū)間隧道穿越部位地層主要有砂礫、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層，局部粗砂層，巖體較完整。在長期的分化作用下，地質(zhì)構(gòu)造較發(fā)育，不同地區(qū)的巖層產(chǎn)狀也不同，各區(qū)段之間巖層的節(jié)理傾角差異顯著。根據(jù)鉆孔揭示(圖2)，場區(qū)范圍內(nèi)基巖主要為中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，局部可見鈣質(zhì)泥巖充填，節(jié)理間距為1～3 m，延伸長度為0.5～2.0 m。根據(jù)現(xiàn)有的地質(zhì)資料和現(xiàn)場地質(zhì)勘測，巖石基本質(zhì)量等級為Ⅳ級。

圖2 工程地質(zhì)剖面Fig.2 The geological profile of the site

3 數(shù)值模擬

3.1 數(shù)值模型的建立

采用UDEC離散元軟件建立數(shù)值模型，兩條隧道的幾何參數(shù)一致,隧道埋深為16.0 m，內(nèi)徑為5.4 m,外徑為6.0 m，管片寬為1.2 m，管片厚度為0.3 m，注漿圈的厚度為0.3 m,隧道間隔為14.0 m，節(jié)理間距為2.0 m，模型寬度為62 m,高度為38 m。由于重點(diǎn)考慮節(jié)理傾角對隧道穩(wěn)定性和地層損失率的影響，將地層簡化，忽略上部土層的影響，只考慮巖石層，模型中所采用的力學(xué)參數(shù)主要是通過現(xiàn)場試驗(yàn)和地勘資料所測得的數(shù)據(jù)。

施加邊界條件限制,模型底部邊界為固定端，約束左、右邊界法向位移，頂部邊界為自由邊界條件。在模擬開挖前，運(yùn)行足夠多的迭代循環(huán)以達(dá)到在重力作用下的初始平衡狀態(tài)，之后開挖隧道。巖體采用摩爾-庫侖彈塑性模型，節(jié)理的本構(gòu)模型關(guān)系選取庫侖滑移模型，添加傾角0°、30°、45°、60°和90°的虛擬節(jié)理，模型如圖3所示。

圖3 盾構(gòu)隧道數(shù)值模型 mFig.3 The numerical model of the shield tunnels

模擬過程：借助 block 命令生成節(jié)理巖體平面輪廓，利用命令 crack 生成節(jié)理面，用 mat 和 jmat 命令賦予巖塊與節(jié)理面力學(xué)參數(shù)，布置監(jiān)測點(diǎn)，進(jìn)行開挖后，輸出位移云圖和監(jiān)測的位移。

3.2 參數(shù)選取

根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場實(shí)際勘測資料，并結(jié)合 JTG 3370.1—2018《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》和《工程地質(zhì)手冊》[24]中對現(xiàn)場工程地層的物理力學(xué)參數(shù)的取值如表1和表2所示。

表1 節(jié)理參數(shù)Table 1 Joint parameters

表2 模型參數(shù)Table 2 Model parameters

4 數(shù)值結(jié)果分析

4.1 隧道圍巖變形結(jié)果分析

由不同傾角下的豎向位移沉降云(圖4)可見：地下巖體由于重力作用相互擠壓，達(dá)到平衡狀態(tài)。在隧道的開挖過程中，部分巖體受到擾動，破壞了地應(yīng)力的平衡，使得地應(yīng)力重新分布。在地應(yīng)力重新分布的過程中，拱頂巖塊出現(xiàn)了松動脫離，拱底被擠壓，拱頂表現(xiàn)為沉降，拱底表現(xiàn)為隆起，拱腰的兩側(cè)收斂。巖體沿節(jié)理面發(fā)生滑動，隧道圍巖在節(jié)理面發(fā)生變形，節(jié)理面變形明顯增大。當(dāng)節(jié)理傾角為0°時(shí)，隧道的圍巖變形發(fā)生在兩個(gè)拱肩上且沿隧道豎向中線兩側(cè)對稱分布；當(dāng)節(jié)理傾角為30°、45°和60°時(shí)，圍巖變形隨著傾角的變化，分布在節(jié)理的上、下部分；當(dāng)節(jié)理傾角為90°時(shí)，拱頂出現(xiàn)沉降，圍巖在拱頂中間發(fā)生變形。且由圖4可知：0°和90°的圍巖變形沿隧道豎向中線兩側(cè)對稱分布，30°、45°和60°的圍巖變形隨著傾角的變化呈非對稱分布。

a—節(jié)理傾角為0°； b—節(jié)理傾角為30°； c—節(jié)理傾角為45°； d—節(jié)理傾角為60°； e—節(jié)理傾角為90°。圖4 不同節(jié)理傾角的隧道圍巖變形 mmFig.4 Contours for deformation of surrounding rock at different dip angles

4.2 塑性區(qū)計(jì)算結(jié)果

不同傾角下的塑性區(qū)分布如圖5所示。圍巖塑性區(qū)的分布情況隨著節(jié)理傾角的改變而發(fā)生變化，節(jié)理巖體塑性破壞發(fā)展的方向與節(jié)理傾角的方向基本一致。

因隧道開挖后破壞區(qū)首先沿洞周節(jié)理面的位置形成滑動面發(fā)生破壞，即節(jié)理面是隧道圍巖的薄弱環(huán)節(jié)，需引起重視。節(jié)理傾角為45°時(shí)，隧道圍巖塑性區(qū)范圍最小，隧道最為穩(wěn)定，節(jié)理傾角為60°和90°時(shí)，隧道圍巖塑性區(qū)范圍較大，隧道不穩(wěn)定，要引起注意，加強(qiáng)對60°和90°節(jié)理圍巖的支護(hù)。

a—節(jié)理傾角為0°； b—節(jié)理傾角為30°； c—節(jié)理傾角為45°； d—節(jié)理傾角為60°； e—節(jié)理傾角為90°。圖5 不同節(jié)理傾角的塑性區(qū)Fig.5 Plastic zones at different dip angles

由表3可以得到不同塑性區(qū)塊體數(shù)與模型單元總塊體數(shù)的比值，如圖6所示。分析得出節(jié)理傾角為45°時(shí)，屈服臨界塊體占總塊體數(shù)的比值最小，而在90°時(shí)取得最大值，在60°時(shí)次之；節(jié)理傾角為30°時(shí)，已經(jīng)屈服塊體占總塊體數(shù)的比值最小，而在90°時(shí)取得最大值，在60°時(shí)次之；節(jié)理傾角為45°時(shí)，發(fā)生張拉破壞塊體數(shù)占模型總塊體數(shù)的比值最小，而在90°時(shí)取得最大值。說明節(jié)理傾角為30°和45°時(shí)，圍巖不易失穩(wěn)，節(jié)理傾角為60°和90°時(shí)，圍巖有較大可能失穩(wěn)。

圖6 不同節(jié)理傾角塑性區(qū)比值Fig.6 Ratios of plastic zones in the overall zone at different dip angles

表3 不同節(jié)理傾角的塑性區(qū)統(tǒng)計(jì)Table 3 Statistics of plastic zones with different dip angles

4.3 地表沉降計(jì)算結(jié)果

不同傾角下的地表沉降曲線見圖7。沉降曲線呈單峰狀或雙峰狀的形式，最大地表沉降值均位于隧道中心正上方，曲線的沉降趨勢基本一致。地表沉降的位移分布明顯受到節(jié)理面傾角的影響。當(dāng)節(jié)理傾角為0°時(shí)，地表沉降曲線呈現(xiàn)左、右對稱分布，地表最大沉降值為 4.590 mm；當(dāng)節(jié)理傾角為30°時(shí)，地表沉降曲線呈現(xiàn)非對稱分布，地表最大沉降值在右洞拱頂?shù)纳戏剑瑸?.409 mm；當(dāng)節(jié)理傾角為45°時(shí)，地表沉降曲線開始往左偏移，地表最大沉降值為 4.490 mm；當(dāng)節(jié)理傾角為60°時(shí)，地表最大沉降值在左洞拱頂?shù)纳戏?，?.261 mm；當(dāng)節(jié)理傾角為90°時(shí)，地表沉降曲線再次呈現(xiàn)左、右對稱分布，地表最大沉降值為5.189 mm。其中拱頂最大豎向位移為6.261 mm，拱頂最小豎向位移為4.490 mm。在當(dāng)節(jié)理傾角為0°～45°或45°～90°時(shí)，沉降隨著傾角的變化呈先增大后減小的趨勢，節(jié)理傾角在60°左右時(shí)沉降值最大, 隧道的穩(wěn)定性最差, 節(jié)理傾角對巖體強(qiáng)度的影響最大；節(jié)理傾角在45°左右時(shí)沉降值最小, 隧道的穩(wěn)定性最好, 節(jié)理傾角對巖體強(qiáng)度的影響不大。

圖7 不同傾角節(jié)理的地表沉降值Fig.7 Subsidence at different dip angles

在隧道施工過程中應(yīng)注意觀察節(jié)理走向，并采取相應(yīng)的支護(hù)方案進(jìn)行加固，保證盾構(gòu)施工安全順利進(jìn)行。

4.4 Peck 曲線及地層損失率分析

借助 Peck 公式對雙線隧道進(jìn)行地面沉降的預(yù)測時(shí)，需要測得地質(zhì)條件的相關(guān)參數(shù)，但是不同地質(zhì)條件的相關(guān)參數(shù)具有特殊性。而現(xiàn)有的大多數(shù)沉降預(yù)測主要依賴于地方經(jīng)驗(yàn)確定地層體積損失率和沉降槽寬度，有著很大的局限性。根據(jù)前面模擬的沉降值，借助Oringin軟件，擬合出該工程的地表沉降曲線，如圖8所示?？芍罕O(jiān)測沉降點(diǎn)基本都分布在曲線周圍，決定系數(shù)R2均大于0.95，擬合效果較好。根據(jù)擬合曲線和式(8)可反算出左、右線隧道地層損失率：當(dāng)節(jié)理傾角為0°時(shí)，地層損失率為 0.675%(左線)和0.673%(右線)，地層損失率均值為0.674%；當(dāng)節(jié)理傾角為30°時(shí)，地層損失率為0.723% (左線)和 0.796%(右線)，地層損失率均值為0.759%；當(dāng)節(jié)理傾角為45°時(shí)，地層損失率0.661%(左線)和 0.655%(右線)，地層損失率均值為0.658%；當(dāng)節(jié)理傾角為60°時(shí)，地層損失率0.921%(左線)和 0.870%(右線)地層損失率均值為0.896%；當(dāng)節(jié)理傾角為90°時(shí)，地層損失率0.762%(左線)和 0.764%(右線)，地層損失率均值為0.763%。

a—0°節(jié)理傾角； b—30°節(jié)理傾角； c—45°節(jié)理傾角； d—60°節(jié)理傾角； e—90°節(jié)理傾角。 擬合曲線； 模擬值。圖8 不同節(jié)理傾角下沉降擬合曲線Fig.8 The mean values of ground loss ratios at different dip angles

由圖9可知：在60°傾角時(shí)取得最大地層損失率均值為0.896%，在45°傾角時(shí)，取得最小地層損失率均值為0.658%，該地區(qū)的地層損失率均值為0.658%～0.896%，在合理范圍[11]內(nèi)。在0°～45°或45°～90°地層損失率隨著傾角的變化呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，傾角為45°時(shí)地層損失率最小，傾角為60°時(shí)地層損失率最大。主要原因是：當(dāng)圍巖節(jié)理傾角以45°為主時(shí)，巖體產(chǎn)生屈服并且發(fā)生張拉損傷，使得巖體發(fā)生拉剪混合破壞及剪切破壞，節(jié)理傾角以60°為主時(shí)，主要受自重作用和剪切作用，隧道頂部及拱腰也產(chǎn)生了破裂面，增加土體擾動的次數(shù)。特別傾角為90°時(shí)，隧道在洞頂正中形成了貫通的塑性破裂面，剪切破壞減少，減少土體的擾動。

圖9 不同節(jié)理傾角的地層損失率均值Fig.9 The mean values of ground loss ratios at different dip angles

4.5 實(shí)際監(jiān)測與模擬結(jié)果對比

為充分驗(yàn)證模型的合理性,在研究區(qū)段內(nèi)選擇節(jié)理傾角主要為60°的地表沉降的實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)與模擬值進(jìn)行對比,如圖10所示。

圖10 模擬值與實(shí)測值對比Fig.10 Comparisons between the simulated and measured

可見：模擬值與地表沉降實(shí)測值之間的吻合度比較好,均呈雙峰狀，實(shí)測值稍微大于模擬值。左線隧道模擬最大沉降值為6.261 mm,右線隧道模擬最大沉降值為5.915 mm, 左線隧道實(shí)測最大沉降值為7.176 mm，由線隧道實(shí)測最大沉降值為6.602 mm?？梢?，模型對該工程具有良好的適用性。

5 沉降曲線的規(guī)律性分析

5.1 不同傾角、埋深對地表沉降的影響

在節(jié)理間距為20 m、隧道間距為14.0 m的情況下，不同傾角、埋深的地表沉降曲線如圖11所示。可見：節(jié)理傾角為0°和90°時(shí)，地表沉降值呈對稱分布，受節(jié)理傾角的影響，節(jié)理傾角為30°、45°和90°時(shí)，地表沉降值呈非對稱分布。當(dāng)隧道埋深在d和2d(d為隧道直徑)時(shí)，地表沉降值隨著節(jié)理傾角的增大而增大，當(dāng)隧道埋深在3d、4d和5d時(shí)，地表沉降的最大值出現(xiàn)在節(jié)理傾角為60°的情況下。

a—埋深為d； b—埋深為2d； c—埋深為3d； d—埋深為4d； e—埋深為5d。 節(jié)理傾角0°； 節(jié)理傾角30°； 節(jié)理傾角45°； 節(jié)理傾角60°； 節(jié)理傾角90°。圖11 不同傾角、不同埋深的地表沉降值Fig.11 Subsidence with different buried depths and at different dip angles

當(dāng)隧道埋深在2d～3d時(shí)，沉降曲線開始發(fā)生變化，地表沉降曲線由雙峰狀向單峰狀過渡，當(dāng)隧道埋深在d和2d時(shí)，沉降曲線呈雙峰狀。當(dāng)隧道埋深在3d時(shí)，不同傾角的沉降曲線呈雙峰狀和單峰狀同時(shí)存在的情況。當(dāng)隧道埋深在4d和5d時(shí)，不同傾角的沉降曲線呈單峰狀。同時(shí)開挖工況下雙線隧道引起的地表沉降曲線變化形態(tài)呈對稱分布，在呈雙峰狀的沉降曲線中，最大沉降值均出現(xiàn)在每個(gè)隧道中心的正上方，在呈單峰狀的沉降曲線中，最大沉降值均出現(xiàn)在隧道中心軸線的正上方。隨著埋深的增加，地表沉降值逐漸降低，但減小的趨勢隨埋深增加會逐漸放緩。這主要是由于當(dāng)隧道的埋深相對較淺,使得圍巖在其中的承載力并沒有得到很好的發(fā)揮。隨著隧道埋深的增大，圍巖在其中的自重應(yīng)力和承載力均會有所增大,但是圍巖承載力的增加速度大于圍巖中自重應(yīng)力的增加速度,最終體現(xiàn)為隧道中地表的沉降量將隨著隧道圍巖埋深的增加而有所減少。

5.2 不同傾角、隧道間距對地表沉降的影響

在隧道埋深為16 m、節(jié)間間距為2.0 m的情況下，不同傾角、隧道間距的地表沉降曲線如圖12所示?？梢姡寒?dāng)區(qū)間隧道間距為在d和3d時(shí)，地表沉降值隨著節(jié)理傾角的增大而增大，當(dāng)區(qū)間隧道間距在2d時(shí)，地表沉降的最大值出現(xiàn)在節(jié)理傾角為60°的情況下，而最小值出現(xiàn)在節(jié)理傾角為45°的情況下。

a—隧道間距為1.5d； b—隧道間距為2d； c—隧道間距為2.5d。 節(jié)理傾角0°； 節(jié)理傾角30°； 節(jié)理傾角45°； 節(jié)理傾角60°； 節(jié)理傾角90°。圖12 不同傾角、不同隧道間距的地表沉降值Fig.12 Subsidence with different tunnel spacing and at different dip angles

隨著隧道間距的增大，地表沉降逐漸降低，但減小的趨勢隨埋深增大會逐漸放緩。這是因?yàn)?，雙線隧道的間距越大，其相對中心點(diǎn)的擾動和作用就越弱,在共同中心點(diǎn)的擾動范圍內(nèi)沉降的變形就會逐漸減弱，可以認(rèn)為是兩條單線隧道獨(dú)立開挖然后再進(jìn)行疊加，進(jìn)而導(dǎo)致地表沉降曲線呈現(xiàn)雙峰。隨著隧道間距的減小，施工的相互干擾影響的程度增強(qiáng)，使地表下沉降的曲線逐漸呈現(xiàn)為單峰狀。

5.3 不同傾角、節(jié)理間距對地表沉降的影響

在隧道間距為14 m、埋深為16 m的情況下，不同傾角、不同節(jié)理間距的地表沉降曲線，如圖13所示?？梢?節(jié)理間距為1.0 m時(shí)，最大地表沉降值出現(xiàn)在節(jié)理傾角為90°的情況下，最小地表沉降值出現(xiàn)在節(jié)理傾角為45°的情況下；節(jié)理間距為1.5 m時(shí)，最大地表沉降值出現(xiàn)在節(jié)理傾角為90°的情況下，最小地表沉降值出現(xiàn)在節(jié)理傾角為45°的情況下；節(jié)理間距為2.0 m時(shí)，最大地表沉降值出現(xiàn)在節(jié)理傾角為60°的情況下，最小地表沉降值出現(xiàn)在節(jié)理傾角為45°的情況下；節(jié)理間距為2.5 m時(shí)，最大地表沉降值出現(xiàn)在節(jié)理傾角為60°的情況下，最小地表沉降值出現(xiàn)在節(jié)理傾角為45°的情況下；節(jié)理間距為3.0 m時(shí)，最大地表沉降值出現(xiàn)在節(jié)理傾角為60°的情況下，最小地表沉降值出現(xiàn)在節(jié)理傾角為45°的情況下。由此可見，在隧道間距為14 m、埋深為16 m的情況下，節(jié)理傾角為60°和90°容易失穩(wěn)，而節(jié)理傾角為45°最不容易失穩(wěn)。

圖13 不同傾角、不同節(jié)理間距的地表沉降值Fig.13 Subsidence with different joint spacing and at different dip angles

隨著節(jié)理間距的增加，地表沉降逐漸增大，但增大的趨勢隨埋深增加會逐漸放緩。這是因?yàn)?，?jié)理間距越大，巖體的強(qiáng)度越大，越接近于整體巖石強(qiáng)度，因擾動產(chǎn)生的沉降值越小。

6 結(jié)束語

1)節(jié)理面削弱了盾構(gòu)隧道圍巖的穩(wěn)定性，容易在節(jié)理面出現(xiàn)滑動；圍巖變形在0°和90°時(shí)呈對稱分布，在30°～60°呈不對稱分布。

2)盾構(gòu)隧道圍巖塑性區(qū)范圍隨著節(jié)理傾角的改變而變化，節(jié)理巖體塑性區(qū)的發(fā)展方向與節(jié)理傾角方向基本一致；當(dāng)節(jié)理傾角為30°～60°時(shí)開始產(chǎn)生偏壓；節(jié)理傾角為60°最容易失穩(wěn)，與在β=45°+φ/2時(shí)取得最大抗剪強(qiáng)度的最小值的理論相符合，驗(yàn)證了數(shù)值模擬的正確性。因此開挖前應(yīng)結(jié)合節(jié)理面傾角預(yù)先確定重點(diǎn)監(jiān)控部位，確保隧道圍巖在開挖過程中施工安全。

3)節(jié)理巖體雙洞盾構(gòu)隧道開挖引起地表沉降曲線，呈雙峰狀，地表沉降最大值都是在隧道中心位置；地表沉降曲線在0°和90°時(shí)呈對稱分布，在30°、45°和60°呈不對稱分布；在0°～45°和45°～90°沉降值隨著傾角的變化呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，傾角為45°時(shí)地表沉降最小，傾角為60°時(shí)地表沉降值最大，實(shí)測值與模擬值較為相符，施工時(shí)應(yīng)對節(jié)理傾角為60°和90°的巖體部位加強(qiáng)注漿控制。

4)由擬合出來的地層損失率可知，該工程地段的地層損失率為0.658%～0.896%；在0°～45°和45°～90°地層損失率隨著傾角的變化呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，地層損失率隨著地表沉降值的增大而增大。

5)通過模擬不同傾角在不同的隧道埋深、不同的隧道間距以及不同的節(jié)理間距的情況下，發(fā)現(xiàn)地表沉降值與隧道埋深、隧道間距以及節(jié)理間距呈反比例關(guān)系，而在不同節(jié)理傾角的條件下，地表沉降值表現(xiàn)出不同的規(guī)律性。