本文摘要：摘要：中夾巖柱是小凈距隧道圍巖穩(wěn)定控制的關(guān)鍵部位，判別中夾巖的安全性是工程設(shè)計和施工過程中的重難點。文章通過分析不同圍巖級別、埋深情況下中夾巖的破壞模式，建立Ⅳ級圍巖條件下水平小凈距隧道中夾巖力學(xué)分析模型，并確定中夾巖破裂面位置。根據(jù)中夾巖上部滑塊
摘要：中夾巖柱是小凈距隧道圍巖穩(wěn)定控制的關(guān)鍵部位，判別中夾巖的安全性是工程設(shè)計和施工過程中的重難點。文章通過分析不同圍巖級別、埋深情況下中夾巖的破壞模式，建立Ⅳ級圍巖條件下水平小凈距隧道中夾巖力學(xué)分析模型，并確定中夾巖破裂面位置。根據(jù)中夾巖上部滑塊體形狀的不同分為兩種情況，通過邊坡穩(wěn)定性原理、極限平衡假設(shè)及普氏壓力拱理論推導(dǎo)中夾巖上部滑塊體的抗滑力、下滑力以及安全系數(shù)的計算公式，從而建立起評判中夾巖安全性的安全系數(shù)法，并結(jié)合數(shù)值模擬對其進行驗證。將經(jīng)驗證后的安全系數(shù)法應(yīng)用于實際工程某隧道，判斷其中夾巖安全性，得出該隧道中夾巖破壞臨界厚度為6m，進而對6m以下的中夾巖使用錨桿進行加固。
關(guān)鍵詞：鐵路隧道;安全系數(shù)法;理論分析;中夾巖安全性;小凈距隧道
1引言
小凈距隧道是一種介于連拱隧道和分離式隧道的比較特殊的結(jié)構(gòu)型式[1，2]。小凈距隧道有施工方法簡單、造價相對低、工期較短、施工質(zhì)量容易控制等優(yōu)點[3，4]，相應(yīng)的工程實例有急速增加之勢。小凈距隧道通過中夾巖進行力的傳遞，在實際工程施工中，判別中夾巖安全性[5，6]并保證其穩(wěn)定是小凈距隧道施工成功的重中之重[7~9]，許多學(xué)者對此進行了深入研究。
例如，唐陶文等[10]結(jié)合普氏理論及數(shù)值模擬，分析了中夾巖圍巖壓力的表達式及中夾巖的最小厚度;章慧健等[11]結(jié)合離心模型試驗以及數(shù)值模擬，研究了中夾巖的力學(xué)特征;陳皓等[12]分析了不同凈距下小凈距隧道的中夾巖應(yīng)力及應(yīng)力特性。
并對中夾巖合理凈距進行了研究;宋洋等[13]建立了淺埋偏壓小凈距隧道的仿真模型計算隧道安全系數(shù)，并結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)對比分析了隧道中夾巖穩(wěn)定性;Esterhuizen等[14]提出了中夾巖強度估算和設(shè)計安全系數(shù)選取的方法;藺爭艷[15]結(jié)合現(xiàn)場施工情況，監(jiān)測中夾巖的應(yīng)力、位移變形等來對中夾巖安全性進行判別;陳佳[16]對比分析了注漿加固和對拉預(yù)應(yīng)力錨桿加固對中夾巖的加固效果;劉蕓等[17]將中夾巖劃分為若干區(qū)域，采用數(shù)值模擬手段判斷中夾巖的穩(wěn)定性，并分析對比了中夾巖不同加固措施的加固效果。
從目前的研究來說，僅有很少部分學(xué)者對中夾巖進行了理論研究，大多都采用數(shù)值模擬手段分析中夾巖的塑性區(qū)、應(yīng)力等，從而進一步研究中夾巖的安全性，學(xué)者們在關(guān)于中夾巖的安全性判別指標(biāo)方面并未達成共識。本文通過分析水平小凈距隧道中夾巖的受力狀況，借鑒邊坡穩(wěn)定性原理建立中夾巖力學(xué)模型及安全性評價方法，進而采用數(shù)值模擬手段與案例結(jié)合驗證所得方法，最后利用此方法分析實際工程贛深鐵路某隧道，為水平小凈距隧道的設(shè)計和施工提供指導(dǎo)。
2力學(xué)模型建立
2.1破壞模式
在建立中夾巖的力學(xué)模型之前，首先對中夾巖的破壞模式[18~22]進行研究，對不同圍巖級別、埋深情況下中夾巖破壞模式進行調(diào)研。從調(diào)研結(jié)果來看，中夾巖的破壞大多都是由于后行洞開挖過程中對于圍巖的擾動，產(chǎn)生從后行洞拱腳位置至先行洞拱肩附近的斜向塑性區(qū)或裂縫。原因有以下三個：
(1)在隧道先、后行洞開挖完成處于出渣過程且未支護時，圍巖可能變形較大，而后期施作支護后圍巖變形小;(2)隧道先、后行洞支護結(jié)構(gòu)的重力作用使其發(fā)生背離圍巖的位移;(3)后續(xù)的隧道先、后行洞開挖對之前已經(jīng)施作的支護結(jié)構(gòu)及圍巖產(chǎn)生擾動，使兩者之間發(fā)生松動。
因此，圍巖與支護結(jié)構(gòu)可能存在假接觸現(xiàn)象，即有接觸而又不產(chǎn)生作用力的現(xiàn)象。當(dāng)后行洞開挖之后，但隧道襯砌還沒有及時施作，保守起見，假定此時先行洞的支護結(jié)構(gòu)對圍巖不提供支護力，隧道兩側(cè)均不受力，處于最不利情況，在此種情況下對中夾巖進行受力分析進而建立其力學(xué)模型是安全的。
2.2基本假定
在實際施工中，開挖先行洞等同于開挖普通單洞，并且由于先行洞與后行洞施工需要有一定的開挖錯開距離，假如開挖先行洞時圍巖能夠保持自身穩(wěn)定，此時中夾巖的安全性不需要進行考慮，本文著重研究Ⅳ級圍巖條件下最不利情況的中夾巖安全性。
先行洞與后行洞邊墻底部、拱頂之間的連線與其隧道外輪廓線圍成的區(qū)域即是中夾巖范圍。假設(shè)隧道的寬度為D，隧道及中夾巖的高度為H，中夾巖的底部寬度即先、后行洞最小凈距為d，頂部寬度為D+d。由前述內(nèi)容，考慮先行洞已經(jīng)施作的襯砌以及周邊圍巖會對中夾巖施加壓力，為方便分析，將其頂部的承載寬度減小為d，這時中夾巖簡化為d×H的承重矩形土柱。
2.3破裂面位置
由普氏壓力拱理論[24]，最小主應(yīng)力σ3的作用面為豎直方向，其與中夾巖破裂面之間的夾角α=45°-φ/2，其中φ表示內(nèi)摩擦角。根據(jù)前述假定知，中夾巖的右邊界水平向不受力，僅受上部圍巖傳遞的豎向荷載作用，可知任意一點沿水平方向的最小主應(yīng)力σ3=0，并且可以求解出沿豎直方向的最大主應(yīng)力σ1。因此，可知中夾巖的破裂面位置，位于與豎直方向成α角度的直線上。
3安全性分析
中夾巖寬與高之比的變化雖然會造成滑塊體的形狀有所差異，但是關(guān)于抗滑力及下滑力的計算過程、思路大致相同，所以對d/H
3.1抗滑力
假設(shè)在極限平衡狀態(tài)下，中夾巖整個破裂面將會發(fā)揮出最大的抗滑力，即任一點都能達到其抗剪強度。
3.2下滑力
單獨對上部滑塊體進行受力分析，考慮外力及滑塊體自重情況下，假設(shè)上部滑塊體處于極限平衡狀態(tài)，建立相應(yīng)的力學(xué)平衡方程以進一步對中夾巖的下滑力進行推導(dǎo)。
3.3安全系數(shù)
安全系數(shù)Ks的計算公式為Ks=R/T，即通過抗滑力與下滑力的比值得到安全系數(shù)，進一步判斷中夾巖的安全性。當(dāng)Ks<1ks="1"ks>1時，說明中夾巖此時可以維持自身的穩(wěn)定，不會發(fā)生失穩(wěn)破壞，可僅進行簡單的支護或者無需支護。在實際工程應(yīng)用時將會適當(dāng)提高安全系數(shù)[25]，以預(yù)留一定的安全儲備，根據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB50330-2013)，本文考慮安全儲備，取Ks=1.35。
4驗證安全系數(shù)法
以一典型水平小凈距鐵路隧道為例，隧道開挖高度H為6.0m，先、后行洞凈距d為5.0m，隧道埋深為8.0m。對中夾巖穩(wěn)定性安全系數(shù)法進行驗證，計算多組工況，同時采用數(shù)值模擬手段，對比分析計算結(jié)果。
4.1安全系數(shù)法計算
考慮中夾巖不進行任何加固措施以及對中夾巖采用錨桿進行加固兩種工況，根據(jù)圍巖取不同的黏聚力，其中不加固工況的黏聚力c分為50kPa、60kPa、70kPa及80kPa共四組;而針對中夾巖采用錨桿進行加固的工況僅考慮黏聚力c取為50kPa的情況。
4.2對比分析
為了便于對比分析相同工況下兩種不同計算方法的計算結(jié)果，在FLAC3D計算時采用強度折減法[26]計算出不同工況對應(yīng)的安全系數(shù)。從安全系數(shù)法的計算結(jié)果與數(shù)值模擬對比來看，對于中夾巖不采取任何加固措施下黏聚力c為60kPa的情況，通過數(shù)值模擬分析得到中夾巖不會發(fā)生失穩(wěn)破壞，然而安全系數(shù)法計算的結(jié)果卻顯示Ks<1.35，中夾巖存在破壞的可能。
這是因為在1.1節(jié)建立的力學(xué)模型中，中夾巖簡化成了d×H的承重矩形土柱，經(jīng)過簡化之后的模型，中夾巖的頂部承載寬度從初始的D+d減小為d，使得要對豎向荷載q1進行轉(zhuǎn)換，然后轉(zhuǎn)換范圍卻包括中夾巖上面D+d范圍的所有荷載，造成計算時中夾巖的承載范圍比實際的中夾巖承載范圍要大，故計算的上部滑塊體下滑力相比與實際的中夾巖下滑力值偏大，也就導(dǎo)致安全系數(shù)法的計算結(jié)果與數(shù)值模擬有所偏差，出現(xiàn)數(shù)值模擬結(jié)果不會破壞而安全系數(shù)小于規(guī)定值的情況。因此，當(dāng)采用本文推導(dǎo)出的安全系數(shù)法來對中夾巖的安全性進行判斷時，相較于使用數(shù)值模擬手段進行判斷是偏于安全的。
5工程實例應(yīng)用
5.1工程概況
某隧道位于贛深鐵路深圳市境內(nèi)，線路近南東走向，為單洞雙線隧道。設(shè)計行車速度為350km/h，隧道全長為3534.57m。該隧道DK430+597~DK430+740標(biāo)號段為大跨段轉(zhuǎn)為分岔隧道，圍巖級別均為Ⅳ級，分岔隧道中夾巖厚度從最窄的1.76m變化到8m。
5.2安全系數(shù)法計算
針對該隧道，在中夾巖無加固的條件下對不同中夾巖厚度的安全系數(shù)進行計算，保守起見，僅考慮圍巖的自穩(wěn)能力。已知隧道埋深為180m，開挖高度H=9.75m。
5.2.1d/H
當(dāng)雙洞凈距d為1.76~3m時，屬于前述d/H
6結(jié)論與建議
本文采用理論分析、數(shù)值模擬、案例驗證等手段對水平小凈距隧道中夾巖安全性進行研究，并應(yīng)用于實際工程中，得出以下結(jié)論與建議：
(1)借鑒邊坡穩(wěn)定性分析原理，通過力學(xué)極限平衡假定，分兩種情況計算中夾巖上部滑塊體的抗滑力、下滑力和安全系數(shù)，再考慮安全儲備，取臨界安全系數(shù)Ks=1.35，建立水平小凈距隧道中夾巖安全性評判方法。Ks>1.35時，處于穩(wěn)定狀態(tài);Ks=1.35時，處于極限平衡;Ks<1.35時，發(fā)生失穩(wěn)破壞。
(2)在建立安全系數(shù)法計算模型時，過多地考慮了中夾巖的承載范圍，計算的下滑力偏大，且由案例驗證的數(shù)值模擬結(jié)果與安全系數(shù)法結(jié)果對比分析可知，安全系數(shù)法的計算結(jié)果較數(shù)值模擬方法是偏于安全的。
(3)通過安全系數(shù)法分析工程實例某隧道的中夾巖安全性，得到該隧道中夾巖的臨界破壞厚度為6m。當(dāng)中夾巖厚度在6m及以下時，安全系數(shù)均小于1.35，施工時需要對中夾巖采取加固措施。在考慮使用錨桿對中夾巖進行加固后，該隧道中夾巖安全系數(shù)法計算結(jié)果均大于1.35，說明此時對中夾巖進行施工是安全的。
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作者：王明年1,2楊恒洪1,2張藝騰1,2劉軻瑞1,2于麗1,2
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