圆形浅埋暗挖隧道破裂角及破坏模式研究
1.绪论
新世纪以来，中国经济进入一个飞速发展的时期，随着国民经济总量的不断增长，我国在交通基础设施方面的建设进入一个全新阶段。城际高速公路、高速铁路的铺设，城市地下交通网络的搭建，大型地下商业综合体的建设，都离不开地下空间的大规模开发。尤其是近年来各个大、中型城市对于地下公共铁路交通系统的大力投入，使得浅埋隧道在隧道建设中的比例越来越大，绝大多数的城市隧道都属于浅埋隧道的范畴。不同的隧道施工方法不尽相同，根据不同的围岩条件，选用具体的施工手段，主要包括：全断面法、台阶法、环形导坑法、侧壁导坑法、CD法、CRD法、盾构法等等⑴。现今，在深、浅埋隧道施工、设计方面，我国己经累积了十分丰富的经验，拥有了较为完善的体系方针。如浅埋暗挖法所归结的十八字方针：“管超前，严注柴，短开挖，强支护，快封闭，勤量测” 就是对浅埋隧道暗挖施工方法的精炼总结。
在理论分析研究上，目前隧道围岩稳定性方面的科研成果主要还是集中于埋深较大的隧道。而对于浅埋隧道，因其围岩条件一般较差、覆土深度过小，很难稳定成拱，因而在浅埋随道领域的围岩稳定性研究以及围岩压力计算方面并不能直接应用深埋随道的相关理论[3，4]。就以最简单的围岩压力计算为例，一般而言，计算时都因为隧道埋深小，围岩较破碎，构造作用不明显，而直接将原岩竖向应力与土体重度和深度的乘积画上等号，这显然不恰当。这样的近似必然会给计算上带来误差，对于相对复杂的地层情况，这种误差将不可忽视。
不可否认，随着中国近几十年的发展，通过大量浅埋暗挖隧道工程的探索，现今我国在浅埋隧道方面的理论研究已经取得了长足的进步与丰硕的成果。但是与浅埋暗挖随道施工支护技术方面所取得的成果以及实际工程的应用效果相比较，关于浅埋隧道破坏模式、荷载计算、破坏机理等方面的研究还有相当大的差距。虽然，国内外对于浅埋隧道破坏的研究已经取得许多重要的结论，但是，这些理论在转化为工程应用上还有一定的距离。同时很多研究成果并不能形成一套完整而全面的理论体系。因此，对于浅埋暗挖隧道破坏模式与机理的研究还有进一步深入的必要。这对于浅埋暗挖隧道的优化设计、安全施工以及创造更大的社会经济效益，都具有十分重要的意义。
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1.2事故产生原因分析
从图1.2.3反映了 2004—2013年隧道施工中各类因素引起事故和造成死亡人数的百分比。可以看到，其中将塌原因造成的事故时排在首位，占到事故总次数的57%，以及人员死亡的41%。说明在防治隧道施工事故方面，重点应该放在保证隧道结构稳定，预防随道围岩坊塌的工作上面。同时由图1.2.4反映出，隧道施工事故发生的原因有是多方面的，包括围岩条件不良、地下水影响、施工措施不当等。其中围岩条件差是引起隧道事故的首要原因，也是根本原因。综上两个图表，不难看出隧道塌方的主要影响因素是围岩条件较差，尤其是在软弱破碎的地层中的随道常伴有通天型和拱形两种塌方形式，前者场发生在浅埋和超浅埋的隧道中，后者则发生在埋深较大的隧道中。围岩的条件好坏与地层的应力是相对应的，同一种围岩在不同的应力条件下的反应不尽相同，因此隧道埋深也是影响塌方形式的重要因素。因此本文中主要从围岩的性质入手、同时变化隧道的埋深来分析随道破坏的过程与模式，从而为工程实际提供相应的依据。
浅埋隧道一般由于其埋深较小、围岩条件偏差，因而在隧道开挖后，围岩自承能力有限不能形成稳定的供体，从而造成塌方的发生，这不仅危害施工安全，严重时还会对地面构筑物产生十分不利的影响[7]。在浅埋随道塌方事故中，隧道两侧上覆围岩一般都会形成一个明显的滑动破坏面，这个滑动面即为滑裂面。通常情况下，滑裂面是一条类抛物线的曲线，但是为了工程应用的方便，将其简化为一条斜直线。而滑裂面与水平面之间的夹角就是破裂角，用β表示[8]。
李倩倩、张顶立、张成平、房倩[10]，在研究隧道破坏模式中得出：埋深不同，隧道的破坏模式有较大的差异。一般来说隧道的破坏是始于两侧拱脚发生剪切滑移破坏，随着围岩的不断恶化，剪切滑移带逐渐向围岩深部发展。紧接着在隧道拱顶产生受拉变形，隧道上方围岩不断向下移动。最后，围岩在拉、剪复合作用下，导致隧道失稳将塌。通过对埋深影响的进一步分析总结出，当埋深小于2.5D时（D是隧道直径），塌落一般会延伸到地表，产生整体下沉式破坏，形成一个漏斗形的塌落区；当埋深大于或等于2.5D时，围岩破坏将限制在一定范围内，能够形成稳定的供体。
金仁样在等代圆概念的基础之上，分析了连续介质、碎裂介质、块裂介质和板裂介质（围岩)条件下相应的围岩作用于隧道衬砌的力学机制；并推导了对应围岩条件下随道荷载计算的理论解。同时还得出，单拱隧道开挖后，围岩的应力松她会在短时间内发生，随着无支护时间的延长，围岩应力松弛会向深部发展，时间越长，扩展的越远；并且开挖硐室直径越大，围岩松弛的范围也就越大，但并没有直接的线性关系。
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2.浅埋隧道破坏相关理论
虽然，深埋隧道与浅埋隧道有着很大的区别，但是现今还没有明确的区分深、浅埋隧道的计算方法。一般当隧道硐室埋深满足以下条件时[24]，可以认为它是属于浅埋隧道：
另一种判断的标准是看隧道的埋深是否能保证天然拱的形成。埋深大于天然拱高度的隧道是处于深埋状态，否则处于浅埋状态。然而考虑到：①一般不能确切计算天然拱的高度；②天然拱以外的岩体虽然没有塌落，但并非没有变形。为了安全起见，目前通常是以天然拱的高度为参考，并兼顾开挖对天然拱以外的围岩的影响来判别深、浅埋状态。按照这种判别方式可将隧道埋深划分为以下3种不同状态：
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对于一般隧道而言，目前的研究成果还未能够明确的划分深、浅埋隧道的界限，同时对于浅埋隧道的破坏形式也没有进行单独的归类。大多数在一般隧道中出现的破坏形式在浅埋隧道中也会有发生。因此，本文将以普通隧道的破坏为背景，分析浅埋隧道的破坏形式以及特点。对于一般的隧道，围岩破坏一般可分为两大类：局部破坏以及整体破坏。局部破坏一般是指隧道围岩局部的落石破坏；整体破坏包括拱形塌方、通天型塌方、上覆岩层整体塌陷等；若按照围岩破坏形式可分为受拉破坏、剪切破坏、拉剪复合式破坏。
局部塌方主要发生在围岩情况较好的岩体中，一般在II类,或者条件更好的围岩中较为常见。在围岩整体性较好的情况下，若存在局部围岩较为破碎，那么在随道硐室开挖之后，在重力作用下，软弱体就会向洞内移动，最后发生掉落。如图2.2.1所示，通常情况下此类破坏塌方高度在半米到两米五之间，常见区域为随道上部，也发生于侧墙。对于局部塌方，通常采用锚喷的方式对软弱区域进行加固。开挖后，垂直于岩层走向打锚杆，锚杆长度应穿透不稳定岩体深入内部与稳定岩体相连；然后喷一层混凝土，主要封闭填塞围岩裂隙，进一步防止岩体滑移。
若围岩主要是有较为破碎的块体组成，那么在硐室开挖之后，这些碎块在重力、振动力的作用下，就产生脱落。如图2.2.2。对于这种岩石破碎、裂隙密集发育、块体较小的洞段，采取网喷支护更为安全合理。在开挖后，清除浮石，先喷一层混凝土，厚度一般为5cm,目的是在围岩变形前及时封闭围岩，预防支护过程中小块体塌落而影响施工安全，还可以作为钢筋网的保护层，防止钢筋网的锈烛，紧接着打系统锚杆并喷第二层混凝土作为承载结构，厚度为10-15cm。当块状或层状岩体受明显的结构面切割形成块体，这种块体和围岩的联系很弱，在自重力或围岩应力的作用下有向临空面运动的趋势，逐渐形成块体运动失稳的方式。有时候隧道围岩整体性较好，但是在洞顶存在有结构面，两个交叉的结构面将完整的围岩分割出一个单独的块体出來。在张力、单轴压力和扰动力作用下单独的块体容易松动,形成整块的土体塌落下来。如图2.2.3。
拉裂破坏是指，当围岩受到的拉伸应力超过其抗拉强度或者拉伸应变大于其极限拉应变时，岩发生开裂变形的现象。其中拉裂破坏的主要类型分为受拉破坏、折断破坏以及分层。拱形塌方是拉裂破坏最常见的形式，其多发生在层状岩体或者碎块岩体的隧道中，地层比较松软的地区也容忌出现这种塌方情况。这种塌方多见于随道的顶部，塌方高度在4-20m，发生塌方的规模较大，如图2.2.4。
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3.1埋深对隧道破坏的影响....................29
3.1.1埋深对破裂角的影响....................31
3.1.2埋深对隧道破坏模式的影响....................33
4.隧道幵挖塌落体分析....................101
4.1对于不同方式统计塌落体面积的分析....................101
4.2隧道破坏滑裂面的曲线拟合....................106
4.2.1埋深对塌落椭球体的影响....................106
5.总结与展望....................121
5.1 总结....................121
5.2 展望....................122
4.隧道开挖塌落体分析
本文在章节1.3中给出定义，将滑裂面理想化成为一个斜面，是地表临界位移点与同侧墙脚的连线，如图4.1.1中所示抽象为一条斜直线。在两个滑裂面之叫所包络的土体即是随道上部的荷载。
在章节3.5讨论了两种破裂角计算方式，显然通过不同方式所确定的破裂角大小、滑裂面位置及滑裂面之间的围岩体积都不同。在表4.1.1-4.1.4中，将列出两种不同计算方式所对应隧道上部围岩破坏体的面积，并给出相应的对比值。如图4.1.2所示：其中A1为“方法一”所计算出的AOBDC面积；A2为“方法二”所计算出的AOBHG面积；A3为实际塌落体EOFDC的面积。
从表4.1.1~4.1.4中分析可得不管在何种埋深以及何种围岩参数条件下，“方法二”计算得出的围岩面积都比“方法一”所得到的结果更加接近实际塌落体的面积；二者差距十分的明显，通过“方法一”得出的结果与实际的误差值波动十分巨大，范围从1%~50%不等，并且明显表现出随着埋深的增大误差也随之增大。通过“方法一”计算出的隧道上部荷载显然不满足实际条件。而相对比之下，“方法二”使多边形AOBHG的面积接近实际塌落体EOFDC的面积，在这种计算方式下，面积误差基本能控制在5%以下。
不论通过图4.1.2还是通过表4.1.1-4.1.4中所体现的面积区别，都能很容易看出：使用“方法二”来统计破裂角，得出的结果相比于“方法一”的值更小。由于隧道的荷载是通过上部塌落围岩的体积来判断，而塌落围岩的体积又是根据破裂角大小来估计，因此运用“方法二”所计算出来的破裂角所确定的上部围岩体积就比运用“方法一”计算所得的体积来的大，也就是说隧道所受的上部荷载也要更大。当进行降道结构设计计算时，如若选取的上部荷载值过小，那么计算得出的结构强度就无法满足实际工程的需要，这很可能导致隧道建设时塌方的产生。因而选用合理的方式统计破裂角的大小是隧道结构计算的重要条件。通过两种计算方法的对比，可以得出：通过“方法二”计算出的破裂角相对来说更为保守、安全，并且数据更为准确，更具有实际意义。
通过表4.2.1以及图4.2.1~4.2.3，可以看出，在相同的围岩条件下，随着隧道埋深的增加，拟合出来的塌落体椭圆长、短轴是逐渐增大的。这种增加的趋势比较趋近于线性增长，也就是说拟合椭圆的轴长的增长与埋深的增加接近线性关系。由于椭圆轴长是与埋深成线性相关，因而椭圆的面积与埋深间的关系体现于坐标图上自然为一条抛物线，也就是图4.2.3中的曲线所示，它的趋势线就是一条二阶多项式曲线。同时从图4.2.1可以看出，对于随道塌落体周边点的曲线拟合，在埋深较大的时候具有更好的匹配程度。也就是说随着埋深的增加，隧道破坏塌落体的整体形状更接近于椭圆；而埋深小的时候（如埋深8米），塌落体边界近乎垂直，只符合拟合曲线的一小段，完整性较差，拟合结果不能说明塌落体边界一定为椭圆。
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5.总结与展望
本文基于应变软化模型，采用数值模拟的方式对影响隧道破裂角大小的几种主要因素、以及隧道破坏模式进行了研究，得出以下主要结论：
埋深越大、围岩越是软弱，隧道开挖所引起的围岩破坏范围就越大；并且围岩所产生的贯通到地表的滑移面的数量也较多，上覆土体被分割得更加支离破碎，在塌落体内部形成许多交叉状的剪切破坏面。反之，当围岩的弹模、摩擦角、粘聚力较大时，隧道破坏有成拱的趋势，并且破坏区域边缘呈现出椭圆形。在浅埋隧道中，由于围岩摩擦角较小，原岩应力也不是很大，在Mohr-Coulomb模型图中所体现出来形式为：包络线比较低矮，且斜率小，同时整个应力圆靠近原点，因此剪应力较接近极限值。此时若提高粘聚力，能使得包络线上移，令应力圆远离破坏线。所以较大的粘聚力能显著减小塌方范围，有利于围岩成拱。
本文对两种更不同的滑裂面及破裂角定义方法进行了比较分析。这两种方式分别为：①将隧道边墙最外侧点与地表最外侧贯通裂缝之间的连线定义为滑裂面；②以面积相等原则来定义滑裂面。由于滑裂面实质上为一条曲线，将其简化为直线必然会带来误差。“方法①”这种传统的定义方式，造成的结果是：破裂角太大，两个面之所包含的塌落围岩体积小于实际塌落体的体积。这将导致计算隧道上覆荷载时取值偏小，使得设计上产生隐患。而相比较于“方法①”，以面积相等原则来确定破裂角的“方法②”，减少了这种误差，对隧道上覆荷载的估计更加准确，更具有实际意义。
在埋深较大的隧道中，从围岩破坏开始到最终稳定，并不是一次性完成的。在这过程中经历了多个暂时稳定的中间状态，每一个中间状态都对应于一个暂时稳定的拱（即结构层）。当一个暂时稳定状态被打破之后，围岩的破坏紧接着快速扩展，塌落高度增加，直至另一个暂时稳定状态。在多次反复之后，围岩形成最终稳定（在浅埋隧道中，则是围岩最终整体塌陷）。对于实际隧道工程而言，如果能确定围岩破坏过程中每个临时稳定拱的高度和形状，那么就找到隧道轮廓的最优曲线，最大程度的发挥围岩的自承效应。同时若对起支承作用的围岩进行改善和加固，阻止其失效，就能用最少的支护成本得到良好的工程效果。
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参考文献（略）
本文编号：42908
本文链接：https://www.wllwen.com/wenshubaike/caipu/42908.html
