趙海濤,胡 宇,劉丙宇,張彥龍,張小軍,高文學(xué)

(1.北京建工路橋集團(tuán)有限公司,北京 100123; 2.北京工業(yè)大學(xué)城市建設(shè)學(xué)部,北京 100124)

0 引言

隨著我國(guó)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(zhǎng)期自然風(fēng)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(duì)淺埋偏壓隧道施工過(guò)程中圍巖壓力變化認(rèn)識(shí)不清、施工方法不當(dāng),極易引起隧道超欠挖甚至塌方等。

目前,眾多學(xué)者通過(guò)理論分析對(duì)淺埋偏壓隧道圍巖受力狀態(tài)進(jìn)行了研究,嚴(yán)濤等[1]、劉翔等[2]通過(guò)擬靜力法,建立了變坡面淺埋偏壓隧道圍巖壓力計(jì)算模型;杜建明等[3]、張治國(guó)等[4]通過(guò)極限平衡法,計(jì)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(dòng)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(yàn),研究了淺埋偏壓隧道破壞模式;白哲等[7]、張治國(guó)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(xué)者通過(guò)數(shù)值模擬、模型試驗(yàn)等對(duì)淺埋偏壓隧道施工力學(xué)特征進(jìn)行研究。趙金鵬等[9]、陳平[10]、劉小軍等[11]運(yùn)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(yàn)研究了不同偏壓角度下圍巖破壞機(jī)制。

上述研究表明,目前對(duì)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(duì)淺埋雙側(cè)偏壓隧道施工過(guò)程中力學(xué)特征研究較少。本文基于JTG 3370.1—2018《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范 第一冊(cè) 土建工程》,綜合圍巖壓力折減及分離式隧道施工時(shí)左、右洞相互影響,對(duì)不同凈距下分離式隧道施工過(guò)程中圍巖壓力變化進(jìn)行理論解析,建立了該類(lèi)隧道掘進(jìn)圍巖壓力計(jì)算模型;結(jié)合國(guó)道109新線高速公路清水2號(hào)隧道進(jìn)口段施工,驗(yàn)證該理論模型的正確性。

1 圍巖壓力計(jì)算

由于圍巖是一種性質(zhì)復(fù)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(jiǎn)化分析、計(jì)算,假定淺埋隧道掘進(jìn)時(shí)圍巖破裂面是一個(gè)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(jiǎn)圖

1.1 分離式隧道最小凈距計(jì)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(dāng)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(shí),分離式掘進(jìn)圍巖壓力互不影響,圍巖受力計(jì)算時(shí)可作為單線隧道處理;當(dāng)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。基于鐘祖良等[15]計(jì)算結(jié)果,引入圍巖壓力折減系數(shù)μ:

(1)

式中:Qi為現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)值;Qj為規(guī)范計(jì)算值。根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范 第一冊(cè) 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?jí)毫?

(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(jìn)行取值。

表1 各級(jí)圍巖的φ及θ值

后行洞計(jì)算結(jié)果與先行洞類(lèi)似,此處不再列出。

當(dāng)M點(diǎn)與J點(diǎn)重合時(shí),即h0=ht。

對(duì)于三角形NJP,存在:

(9)

化簡(jiǎn)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(jì)算

對(duì)于圖1b,a

1)當(dāng)先行洞開(kāi)始掘進(jìn)時(shí),其圍巖壓力計(jì)算為式(2)～式(8)。

2)當(dāng)先行洞掘進(jìn)一定距離后,后行洞開(kāi)始掘進(jìn)。觀察圖1b中MIJK范圍,由于圍巖的位移趨勢(shì),在其內(nèi)部豎直面KI會(huì)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(jìn)影響,該值計(jì)算方法與先行洞外側(cè)水平壓力計(jì)算方法一致:

e4i=γμh4iλ4

(14)

(15)

(16)

計(jì)算后行洞內(nèi)側(cè)圍巖水平側(cè)壓力時(shí),需對(duì)四邊形LIPN進(jìn)行受力分析,其受力簡(jiǎn)圖如圖3所示,受力平衡如圖4所示。

圖3 LIPN受力簡(jiǎn)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(dòng)NO,OP面下滑時(shí)的帶動(dòng)力;W4為滑動(dòng)巖體重力;R3為整個(gè)巖體滑動(dòng)時(shí)未擾動(dòng)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(dòng)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?xí)r受到兩側(cè)的摩阻力為T(mén)5。因此,T5可根據(jù)上述概念直接寫(xiě)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(dòng)面與地面的夾角,而PI滑動(dòng)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(dòng)力有關(guān),而其最有可能的滑動(dòng)面位置必然為T(mén)5+T6最大值時(shí)帶動(dòng)圍巖LIPN的位置,基于此,應(yīng)當(dāng)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(jí)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(jì)算后行洞拱頂圍巖垂直壓力,需對(duì)后行洞拱頂圍巖NORS進(jìn)行受力分析,其計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖5所示。

圖5 后行洞拱頂圍巖受力簡(jiǎn)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(jì)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(dāng)后行洞掘進(jìn)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(jìn)行受力分析(見(jiàn)圖6,7)。

圖6 EGILK受力

圖7 EGILK力矩

計(jì)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(shí)先行洞內(nèi)側(cè)水平側(cè)壓力e2i為:

e2i=γμh2iλ′2

(31)

同理可計(jì)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(jì)算原理可得到淺埋雙側(cè)偏壓分離式隧道掘進(jìn)過(guò)程中圍巖壓力變化規(guī)律。基于國(guó)道109新線高速公路清水2號(hào)隧道現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn),將理論值與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證上述理論正確性。

2.1 工程概況

清水2號(hào)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(jí)綜合評(píng)定為V級(jí),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(jì)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(shí)需考慮雙洞掘進(jìn)過(guò)程中相互擾動(dòng)(見(jiàn)圖8)。

圖8 清水2號(hào)隧道現(xiàn)場(chǎng)

2.2 監(jiān)測(cè)分析

為了研究清水2號(hào)隧道掘進(jìn)過(guò)程中圍巖壓力變化,在先行洞隧道(A1K40+200)斷面安裝多個(gè)振弦式頻率儀。考慮到該隧道埋深淺,周?chē)h(huán)境對(duì)圍巖壓力變化敏感,結(jié)合位移監(jiān)測(cè)站對(duì)隧道雙側(cè)地表坡面位移進(jìn)行監(jiān)測(cè),力求從多方面驗(yàn)證上述理論的正確性。監(jiān)測(cè)儀器及測(cè)點(diǎn)布置如圖9所示。

圖9 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

根據(jù)上述公式,分別計(jì)算先行洞與后行洞掘進(jìn)時(shí)先行洞處隧道圍巖的垂直壓力與水平側(cè)壓力,同時(shí)記錄對(duì)應(yīng)階段的監(jiān)測(cè)值,將監(jiān)測(cè)值與理論值繪制成表2進(jìn)行對(duì)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(cè)值

由表2可知,先行洞掘進(jìn)時(shí)的圍巖壓力理論值αi來(lái)自規(guī)范,βi來(lái)源于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè),根據(jù)圍巖壓力折減系數(shù)定義,得:

(34)

計(jì)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。基于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)得到的后行洞掘進(jìn)時(shí)先行洞圍巖的壓力值β′i,利用下式計(jì)算推導(dǎo)值ηi:

(35)

然后計(jì)算推導(dǎo)值ηi與理論值α′i的相對(duì)誤差δ:

(36)

得到δ=9.0%,誤差較小,驗(yàn)證了該計(jì)算模型的正確性。

監(jiān)測(cè)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(jìn)圍巖穩(wěn)定后地表位移曲線,倒三角形曲線為后行洞掘進(jìn)圍巖穩(wěn)定后地表位移曲線。由圖可知,隨著先行洞掘進(jìn),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(jìn)對(duì)圍巖再次擾動(dòng),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(shì)由“V”形向“W”形變化,但先行洞、后行洞處外側(cè)地表位移無(wú)影響,表明后行洞掘進(jìn)時(shí)不會(huì)對(duì)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(jìn)時(shí),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(yàn)證了前述計(jì)算模型的正確性。

圖10 地表位移曲線

3 結(jié)語(yǔ)

1)淺埋雙側(cè)偏壓分離式隧道施工前,應(yīng)分析、計(jì)算分離式隧道最小凈距。當(dāng)凈距大于最小凈距時(shí),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?jiǎn)尉€隧道進(jìn)行計(jì)算;當(dāng)凈距小于最小凈距時(shí),先行洞處圍巖由于后行洞施工的影響,圍巖壓力會(huì)產(chǎn)生重分布。

2)在各監(jiān)測(cè)點(diǎn),理論解析值均大于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)值,這是因?yàn)槔碚撚?jì)算是基于極限平衡理論,而實(shí)際施工時(shí)圍巖未完全破壞(形成破裂面),但兩者誤差較小(相對(duì)誤差僅為9%),驗(yàn)證了本文計(jì)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(jìn)時(shí)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(shí)應(yīng)加強(qiáng)對(duì)先行洞的安全監(jiān)測(cè)。