特大跨度小凈距隧道中間巖柱可靠度分析及其加固處理措施

胡金海，宋英龍，鄒偉彪

(1.福州機場二期高速公路有限公司，福建福州 350002;2.同濟大學地下建筑與工程系，上海 200092)

特大跨度小凈距隧道中間巖柱可靠度分析及其加固處理措施

胡金海1，宋英龍2，鄒偉彪2

(1.福州機場二期高速公路有限公司，福建福州 350002;2.同濟大學地下建筑與工程系，上海 200092)

魁岐2號隧道位于福州國際機場高速公路二期工程A3標段，隧道跨度達到19.9 m，中間巖柱最小凈距為11.7 m，為國內首座雙向八車道小凈距隧道工程。針對魁岐2號隧道工程的特殊性，利用離散單元法對節理巖體中特大斷面小凈距隧道的受力情況進行了分析，根據可靠度理論，通過對魁岐2號特大斷面小凈距隧道中間巖柱的可靠性分析發現，對于特大斷面小凈距隧道，中間巖柱最薄弱的部位主要集中在巖柱上部，因此，對于特大斷面小凈距隧道施工過程中宜重點對巖柱上部進行加固處理。同時，根據不同圍巖級別中中間巖柱的可靠度值顯示，魁岐2號特大斷面小凈距隧道的凈距取值基本上是合理的，整體上能滿足穩定性的要求。

大跨度隧道;小凈距;中間巖柱;節理;可靠度;離散元;UDEC;加固措施;魁岐2號隧道

0 前言

結構可靠性是用可靠度來度量的。結構可靠度定義為在規定的時間內和規定的條件下結構完成預定功能的概率，表示為Ps，相反，如果結構不能完成預定的功能，則稱相應的概率為結構失效的概率，表示為Pf。結構的可靠與失效為兩個互不相容事件，因此，結構的可靠概率Ps與失效概率Pf是互補的，即:Ps+Pf=1，用概率來描述工程結構的可靠性既科學合理，又能得出定量指標。

自A.M.Freudenthal［1］將可靠度分析方法正式引入工程結構領域以來，結構可靠度分析的理論及方法得到了很大的發展，已出現多種計算可靠度的方法［2］:全概率法、矩法、數值模擬方法、隨機有限元法、響應面法、結構體系可靠度計算方法等。

對于大斷面小凈距隧道，支護參數設計的一個非常重要方面，就是對中間巖柱進行加固支護設計。其目的主要是為了最大限度的保證中間巖柱的完整性，以提高開挖過程中圍巖的自承自穩能力。故一定程度上，小凈距隧道設計、施工成功與否的關鍵就在于對中間巖柱加固處理的方法和效果。因而，對施工過程中巖柱的力學性態、加固支護方案，對中間巖柱結構可靠度的研究，自然成了研究人員關注分析的重點對象。

隧道中間巖柱結構系統可靠度當前仍然是結構可靠度分析中的難題。目前國內外所研究的結構系統可靠度分析方法都是將真實結構的原型受力情況作了相當程度的簡化，對真實結構原型受力情況進行可靠性分析非常困難，目前還無法實現，另外，在已提出的系統可靠度分析方法的實用性方面，還有失效模式的建立(破壞準則)、尋找主要失效模式及相關性等方面還存在許多問題。因而，隧道系統可靠度分析比之地面結構更為困難，需要進一步研究以便解決這些存在的問題。

目前，常用的非連續巖體數值分析方法有兩種:離散單元法DEM(Distinct Element Method)和非連續變形分析方法DDA(Discontinuous Deformation A-nalysis)。非連續變形分析方法DDA是基于巖體介質非連續性發展起來的，以模擬復雜加載條件下離散塊體系統的不連續大變形的力學行為為目的的平行于有限元法的一種數值方法。離散單元法DEM將所研究的區域劃分成一個個分立的多邊形塊體單元，單元之間可以看成角－角接觸、角－邊接觸或邊－邊接觸，而且隨著單元的平移和轉動，允許調整各單元之間的接觸關系，最終，塊體單元達到平衡狀態，也可能一直運動下去。王貴君等［3］應用離散單元法對節理裂隙巖體中不同埋深無支護暗挖隧洞的穩定性及其變形機理進行了數值分析;廖巍等［4］用離散單元法模擬分析了圍巖節理不同方位組合對巷道穩定性的影響及破壞形式;王貴君［5］采用離散單元法，對節理裂隙巖體中大斷面隧洞圍巖及支護結構的共同作用及施工過程力學狀態，進行數值分析;榮冠［6］在分析彭水地下廠房地質條件的基礎上，采用3DEC程序建立了三維離散元數值計算模型，對地下廠房開挖支護全過程進行了計算，詳細分析了圍巖變形情況、應力狀態、塑性區分布及穩定性影響因素。

本文依托福州長樂國際機場高速公路二期工程魁岐2號雙向八車道特大跨度小凈距隧道工程，結合其復雜的節理巖體及其非連續性的特點，利用離散元軟件對節理巖體中不同圍巖級別中隧道施工后的應力狀態計算結果以及巖體強度參數定義其破壞度，進而求得其可靠度指標。由于中間巖柱在施工過程中的力學行為特征，對圍巖穩定性和支護結構參數選取起著決定性作用，保證小凈距隧道中間巖柱的穩定是小凈距隧道設計、施工的關鍵，故根據可靠度分析結果提出巖柱加固處理的建議。

1 工程概況

魁岐2號隧道位于福州國際機場高速公路二期工程A3標段，隧道長度為746 m，該隧道最大開挖跨度約19.9 m、拱高10.94 m、含仰拱總高度12.84 m，單洞標準斷面內輪廓面積(路面以上)128.97 m2，含仰拱面積為159.49 m2。開挖毛洞中間巖柱凈距11.7～15.3 m，即(0.59～0.77)B(B為隧道最大開挖跨度)［7］，圖1為隧道設計斷面尺寸示意圖。按照《公路隧道設計規范》(JTG D70－2004)［8］中分離式獨立雙洞的最小凈距規定以及國際隧道協會斷面劃分標準［9］，該隧道屬于特大斷面小凈距隧道，同時類似于本隧道斷面之大、結構之復雜，在國內外隧道工程中也是極為罕見。

圖1 隧道設計斷面尺寸

隧道場址區屬低山丘陵地貌，地形起伏大，基巖大多直接裸露。洞身圍巖以微風化花崗巖為主，圍巖級別為Ⅲ～Ⅱ級;進出洞口的圍巖以強、弱風化花崗巖為主，圍巖級別為Ⅳ～Ⅴ級。本文針對性的選取出口段Ⅴ級圍巖淺埋隧道部分代表性進行分析。

勘探資料［10］表明，隧道修建區域節理裂隙發育，通過對隧道Ⅴ級圍巖掌子面節理進行調查、統計和擬合分析發現圍巖中共存在如下3組優勢節理［11］:(1)節理組1:節理傾角約為61°，平均間距為0.74 m;(2)節理組2:節理傾角約為53°，平均間距為0.85 m;(3)節理組3:節理傾角約為73°，平均間距為1.26 m。

2離散元計算模型

離散單元法是專門用來解決不連續介質問題的數值模擬方法，該方法把節理巖體視為由離散的巖塊和巖塊間的節理面所組成，允許巖塊平移、轉動和變形，而節理面可被壓縮、分離或滑動。因此，離散元法比較適合用來研究節理巖體中相關工程問題。

根據魁岐2號特大斷面小凈距隧道的賦存條件，采用離散元數值分析軟件UDEC4.0［12］對其破壞過程進行數值計算分析。計算模型中隧道埋深約為50 m，圍巖級別為Ⅴ級。依據隧道開挖尺寸的影響范圍，模型的左右邊界約為隧道開挖跨度的5倍，上邊界至地表自由面，并假設地表為水平狀態，下邊界至開挖洞底距離約為5倍洞高，兩側邊界條件采用水平方向單向位移約束，底部邊界條件采用水平方向和垂直方向雙向位移約束。并根據工程地質概況建立如圖2所示的數值計算模型。

圖2 平面計算模型

模型中巖塊假定為理想彈塑性介質，符合Mohr－Coulomb彈塑性模型，由于巖體的抗拉強度遠低于其抗壓強度，因此在離散元UDEC中Mohr－Coulomb彈塑性模型集合了Mohr－Coulomb強度準則和拉破壞屈服準則，即當巖體所承受的拉應力超過其抗拉強度時，巖體材料即發生拉破壞。模型中節理采用Coulomb平面接觸滑動模型，巖石和節理的變形強度參數根據魁岐2號隧道地質資料選?。?0］，如表1所示。

表1 巖石及節理力學性質參數

3 可靠度指標的計算

隧道作為地下結構，其真實的受力情況非常復雜，影響受力的各種隨機變量的統計特征沒有收集全，對各種失效模式的認識還較初步，因而隧道系統可靠度分析比之地面結構更為困難。因此，本文結合節理巖體特點及上述離散元模型的計算結果，可靠度計算過程如下。

(1)利用離散元對節理巖體中不同圍巖級別中隧道施工后的應力狀態計算結果以及巖體強度參數定義其破壞度為:

其中:σf可根據式(2)和式(3)求得。

式中:σ1——計算所得到的最大主應力;σ3——計算所得到的最小主應力;c——巖體的粘聚力;φ——巖體的內摩擦角。

(2)由于η是表示圍巖的接近破壞度的量值，所以稱其為破壞接近度。一般認為當η=1時，中間巖柱已破壞;當η＜1時，中間巖柱未破壞。而如果把中間巖柱凈距減小到破壞度完全貫通即η=1時作為評判中間巖柱是否破壞的標準，顯然是不合理的，因為，此時中間巖柱已處于破壞的臨界狀態，若僅僅依靠外界加固的作用，必定會大大增加工程造價。因此，認為小凈距隧道中間巖柱的破壞接近度應避免η=0.7的區域貫通［9］。

(3)由于破壞接近度和可靠度之間的關系，即: Ps+Pf=1，從而可以得出中間巖柱的可靠度，根據小凈距隧道中間巖柱的破壞接近度應避免η=0.7的區域貫通的原則可知中間巖柱可靠度標準為Ps≥0.3。

在對魁岐2號隧道中間巖柱可靠度分析時，仍然采用在中間巖柱中布置監測點的方法對小凈距隧道中間巖柱的狀態進行監測，同時為了比較全面掌握中間巖柱的賦存狀態，在對依托工程魁岐2號中間巖柱可靠度分析時，選取中間巖柱中心處及其距中心處左右各3 m處特征點為研究對象，具體特征點選擇如圖3所示。

圖3 中間巖柱可靠度分析特征點布置圖

4 計算結果及其分析

用離散元數值分析軟件UDEC4.0對其破壞過程進行數值計算，通過對小凈距隧道中間巖柱布置的監測點的狀態進行監測，得出依托工程魁岐2號特大斷面小凈距隧道不同圍巖級別條件下中間巖柱特征點的可靠度值如表2、圖4所示。

表2 中間巖柱特征點的可靠度值

圖4 不同圍巖級別中特征點可靠度

分析以上對依托工程魁岐2號特大斷面小凈距隧道不同圍巖級別中中間巖柱特征點的可靠度數值，可以得出如下規律:

(1)隨著隧道圍巖巖性的改善，中間巖柱的可靠度逐漸提高;對于同一級別圍巖，中間巖柱的上部可靠度最低，中間巖柱的底部可靠度次之，而中間巖柱的中部可靠度最高，這也說明了對于特大斷面小凈距隧道，中間巖柱最薄弱的部位主要集中在巖柱上部，因此，對于特大斷面小凈距隧道施工過程中宜重點對巖柱上部進行加固處理，這也是特大斷面小凈距隧道受力狀況的一個重要特征。

(2)中間巖柱中心處的可靠度最小值為0.503，滿足應避免中間巖柱的可靠度0.3的貫通標準，說明依托工程魁岐2號特大斷面小凈距隧道的凈距取值的設計是合理的。

5 巖柱合理加固方案分析

根據已有的工程實踐和經驗，針對中間巖柱所采用的加固措施主要有:超前注漿預加固、加長錨桿、對拉錨桿加固以及他們的組合等。

注漿預加固是廣泛采用的一種方法，既可以單獨應用于較大凈距隧道(通常大于1B)中間巖柱的加固，也可與對拉錨桿、預應力錨桿結合應用于近距離的小凈距隧道的巖柱加固。對于質量較差的圍巖，巖柱進行注漿加固可以起到較好的效果，這主要與注漿對提高圍巖參數效果明顯有關，注漿后圍巖抗拉、抗剪強度顯著提高，尤其對于裂隙發育的巖體，注漿后漿液充填裂隙及軟弱結構面，可以避免或減小應力波在巖體內反射及折射引起巖體內部拉伸破壞，起到了很好的加固作用。對于質量較好的圍巖，由于可注漿性要差，提高圍巖力學性質參數較為困難，因此采用注漿加固要慎重。

水平對拉錨桿通常用于隧道凈距在6 m以下的中間巖柱，且可適當施加預應力，超過6 m時可用系統錨桿替代，且在巖柱部分可適當加長。水平預應力對拉錨桿對裂隙可起到閉合的作用，并可有效阻止巖體內部質點的相對位移，避免造成拉伸破壞，提高其抗拉、抗剪強度。對于質量較差的圍巖，由于其變形較大，若采用預應力錨桿會產生較大的預應力損失，與一般普通錨桿效果相差不大;相反，對于質量較好的圍巖，由于其變形較小，采用預應力加固效果較好。

因此，根據對特大斷面小凈距隧道巖柱可靠度分析結果，隨著隧道圍巖級別的差異，也僅從定性的角度按質量較差的圍巖、質量較好的圍巖分別對加固措施進行探討和說明。

對于Ⅳ～Ⅵ級等質量較差的圍巖，巖柱加固以注漿方式為主，輔以錨桿支護綜合選取。在此種圍巖中，大斷面小凈距隧道其巖柱上部即雁形部應力狀態相對最差，因此，對該部位進行相關加固處理是非常必要的，可以較好的改善和提高巖柱及隧道的整體穩定性。

需要說明的是，巖柱底部拱腳部位應力狀態也相對較差，如果把注漿范圍擴大至拱腳，顯然可以較好的改善其應力狀態，但是一般來說它對洞室的整體穩定性影響不大，而且仰拱開挖支護回填后，拱腳的變形、塑性區的發展均可以得到非常有效的抑制和控制，而從注漿加固的工程實踐和經濟性方面考慮，一般也很少對拱腳部進行注漿加固。重點是對巖柱雁形部采用注漿加固和預應力錨桿加固等方式，加固示意如圖5所示。

圖5 巖柱注漿加固區范圍及雁形部錨桿支護示意圖

6 結語

福州長樂國際機場高速公路二期工程魁岐2號隧道為特大斷面小凈距隧道，且隧道修建區域節理極其發育，本文通過離散元軟件對特大跨度小凈距隧道中間巖柱可靠度分析，得到如下結論。

(1)隨著隧道圍巖巖性的變好，中間巖柱的可靠度逐漸提高;對于同一級別圍巖，中間巖柱的上部可靠度最低，中間巖柱的底部可靠度次之，而中間巖柱的中部可靠度最高，說明了對于特大斷面小凈距隧道，中間巖柱最薄弱的部位主要集中在巖柱上部，這也是特大斷面小凈距隧道受力狀況的一個重要特征。

(2)中間巖柱中心處的可靠度最小值滿足中間巖柱的可靠度的標準，說明依托工程魁岐2號特大斷面小凈距隧道的凈距取值的設計是合理的。

(3)通過對可靠度計算結果分析，提出了中間巖柱加固的合理建議:重點是對中間巖柱雁形部采用注漿加固和預應力錨桿加固等方式，而可靠度同樣相對較低的巖柱下部則沒有必要進行注漿加固。

［1］A.M.Freudenthal.Safety of Structures［J］.Trans.ASCE，1947，112.

［2］謝圣綱.大跨度隧道施工圍巖穩定性及可靠度研究［D］.重慶:重慶大學，2006.

［3］王貴君.節理裂隙巖體中不同埋深無支護暗挖隧洞穩定性的離散元法數值分析［J］.巖石力學與工程學報，2004，23(7): 1154－1157.

［4］廖巍，徐海清，劉貴應.巖體結構面組合對巷道圍巖穩定性的影響［J］.安全與環境工程，2004，11(2):65－67.

［5］王貴君.節理裂隙巖體中大斷面隧洞圍巖與支護結構的施工過程力學狀態［J］.巖石力學與工程學報，2005，24(8):1328－1334.

［6］榮冠.彭水地下電站圍巖穩定性分析［J］.巖土力學，2007，(S1):855－859.

［7］福建省交通規劃設計院.福州長樂國際機場高速公路二期工程(A3標段)兩階段施工設計［R］.福建福州:福建省交通規劃設計院，2007.

［8］JTG D70–2004，公路隧道設計規范［S］.

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［10］福建省交通規劃設計院.魁岐2號隧道工程地質評價［R］.福建福州:福建省交通規劃設計院，2007.

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［12］Itasca Consulting Group，Inc.UDEC universal distinct element code(Version 4.00)user’s guide［R］.Minneapolis，USA: Itasca Consulting Group，Inc.，2004.

Reliability Analysis on Middle Rock Pillar in Small Clear Space Tunnels with Super Span and the Reinforcement Measures

HU Jin-hai1，SONG Ying-long2，ZOU Wei-biao2(1.The Second Phase Project of Fuzhou International Airport

Highway Corporation，Fuzhou Fujian 350002，China;2.Department of Geotechnical Engineering，Tongji University，Shanghai 200092，China)

Kuiqi No.2 tunnel is belonged to tender section A3 of the phase II project of Fuzhou International Airport Highway.It is the first small clear space tunnel project for 8 lanes in China with the span of 19.9 meters and with the middle rock pillar of minimum clear distance about 11.7 meters.According to the specialty of Kuiqi No.2 tunnel and based on discrete element method，some numerical simulation analysis is conducted to analyze the initial surrounding rock stress to the tunnel.The results show that the worst position of mechanical state in large-section tunnel is in the upper portion of middle rock pillar in weak surrounding rock，so special reinforcement measures should be used there.According to the reliability value of middle rock pillar in different rock mass，the net distance between Kuiqi No.2 small clear space tunnels with super span is reasonable to satisfy the stability requirement.

super span tunnel;small clear space;middle rock pillar;joint;reliability degree;DEM;UDEC;reinforcement measures;Kuiqi No.2 tunnel

U443.15

A

1672－7428(2012)03－0077－05

2011－08－22

胡金海(1966－)，男(漢族)，福建仙游人，福州機場二期高速公路有限公司董事長，公路與城市道路專業，從事工程建設管理工作，福建省福州市，fz.hjh@163.com。