富水程度及飽水時間對隧道掌子面穩定性影響

安永林，曾賢臣，趙丹，岳健，胡文軒，歐陽鵬博

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富水程度及飽水時間對隧道掌子面穩定性影響

安永林1, 2，曾賢臣2，趙丹3，岳健1, 2，胡文軒2，歐陽鵬博2

(1. 湖南科技大學 巖土工程穩定控制與健康監測省重點實驗室，湖南 湘潭 411201；2. 湖南科技大學 土木工程學院，湖南 湘潭 411201；3. 長沙市軌道交通集團有限公司，湖南 長沙 410000)

為了分析富水程度及飽水時間對隧道掌子面穩定的影響，建議非飽和圍巖強度參數是圍巖含水量或者飽和度的函數；飽和圍巖強度參數是圍巖飽水時間的函數。如受實驗及經費限制，則可根據圍巖軟化系數以及Hoek-Brown準則，確定圍巖不同飽和度下的圍巖強度參數。進而提出基于強度折減法和上限法分析礦山法隧道掌子面穩定的思路，并給出相應的算例。研究結果表明：隨著飽水時間的增長和飽和度的增加，掌子面安全系數降低；采用臺階法能夠顯著提高掌子面的穩定性。

隧道工程；掌子面穩定；富水隧道；極限分析法；強度折減法

因掌子面不穩定而發生的坍方事故常見報道，如長沙營盤路隧道掌子面坍方、殺虎口隧道坍方和南山隧道坍方等事故；因此，越來越多地引起了學術界和工程界的高度關注，很多基礎和應用問題亟待解決：Broms等[1]總結了開挖面坍塌破壞與鼓出破壞與地表超載以及地層強度參數的關系，并提出了隧道穩定系數的概念；Davis等[2]進一步應用極限分析法分析了4種破壞模式下的隧道穩定上、下限解；Anagnostou等[3]構建了開挖面倉筒破壞模式，并基于極限平衡法推導了開挖面支護力公式；Nomikos等[4]基于理論方法分析了偏壓應力下拱頂塊體的穩定性；Loganathan等[5]應用離心模型試驗分析了隧道與樁變形。由于春節或者其他方面的原因，一些隧道會停工，等到復工時，掌子面卻發生了坍方。這個就涉及到飽水圍巖隨時間軟化導致掌子面失穩的問題，因此開展飽水時間對掌子面穩定性的影響分析，有重要的工程現實意義。本文主要基于強度折減法以及極限分析法，并結合不同富水程度以及飽水時間下圍巖的力學參數，對掌子面穩定性進行分析。

1 不同富水程度及飽水時間下圍巖力學參數

1.1 室內試驗確定圍巖力學參數

對于重大隧道工程，可以對富水地段的圍巖進行取樣，開展不同室內單軸以及三軸等實驗，獲得相應的力學參數[6]，并對相關參數用相應的函數進行擬合。對于非飽和圍巖，不同富水程度下的圍巖強度參數，即黏聚力和內摩擦角，是圍巖含水量或者飽和度的函數；對于飽和圍巖，則采用圍巖強度參數是圍巖飽水時間的函數，函數形式采用常系數+負指數的形式。

非飽和圍巖：

飽和圍巖：

式中：為圍巖含水量；為圍巖黏聚力；為圍巖內摩擦角；為飽和圍巖飽水時間；1~4，1~4和1~4為擬合系數。

1.2 基于軟化系數以及Hoek-Brown準則確定圍巖力學參數

上述方法需要開展大量的室內試驗。如果經費及實驗條件有限，則可根據圍巖軟化系數以及Hoek-Brown準則，確定圍巖不同飽和度下的圍巖強度參數，具體步驟如下。

1) 巖石浸水飽和后強度降低的性質，稱為軟化性，用軟化系數表示，即巖石試件的飽和抗壓強度csat與干抗壓強度0的比值，即：

不同飽和度巖石單軸抗壓強度的擬合公式[7?8]：

2) Hoek-Brown巖石破壞準則的表達式[9?10]：

式中：1和3分別為破壞時的最大、最小主應力；b，和是量綱為一的材料常數，由式(11)~(13)確定。

式中：為地質強度指標；m為巖石的材料常數；為節理巖體擾動系數；

3) 依據等面積思想，將曲線形的 Hoek?Brown圍巖破壞準則轉化為線性的Mohr?Coulomb準則，圍巖的黏聚力和內摩擦角可由式(14)~(15)確定[10]。

式中：3max為側限應力的上限值，由式(16)確定：

式中：和為經驗參數，根據Hoek的建議，對于深埋隧道，和分別取值為0.47和?0.94；為巖體的重度；為隧道埋深；為巖體強度，由式(17)確定：

2 掌子面穩定的極限分析法

2.1 礦山法隧道掌子面穩定分析原理

極限分析原理見文獻[11]。本文利用文獻[12]求解支護力的公式并結合強度折減法來分析富水程度以及飽水時間對掌子面穩定性的影響。

對于盾構隧道(見圖1)，需要用土倉壓力來維持開挖面的穩定，因而用支護力判斷開挖面是否穩定以及確定極限支護力的研究是合理的，也具工程指導意義。但是對于礦山法(新奧法)隧道來說，以支護力來判斷掌子面的穩定性，有點不太合理，因為隧道開挖后，掌子面是不存在支護力的，支護力為0，如下圖2中所示的3=0。

為了將極限分析的結果應用于礦山法，此處將支護力稱為虛擬支護力，應用強度折減法對圍巖的強度參數進行折減，應用折減后的參數求解掌子面虛擬支護力，當虛擬支護力為0時的折減系數，即為掌子面的穩定安全系數，這樣就避免了支護力的概念，所得的安全系數在工程應用中也容易認可。

圖1 盾構法開挖面情況

圖2 掌子面應力狀態

2.2 虛擬支護力公式

掌子面的破壞模式[12]由2個剛性塊體①，③和一個剪切區②構成(見圖3)：塊體①為一頂角為2的三角形′；塊體③為一等腰三角形，線與水平方向夾角為π/4+/2；剪切區②為一以對數螺旋線圍成的剪切區，點為對數螺線中心點，點和點分別為對數螺線的起點和終點。

圖3 掌子面極限分析

式中：為掌子面虛擬支護力；為圍巖重度；隧道開挖高度；為地表超載；，N和N分別為重度、超載和黏聚力的承載系數。

其中，破壞區域幾何尺寸關系如下：

2.3 強度折減法

基于強度折減法，令：

式中：為折減系數，即隧道掌子面的最小穩定安全系數；′為按值折減后的圍巖黏聚力；′為按值折減后的圍巖內摩擦角。

2.4 掌子面穩定安全系數

′和′代入式(18)，并令=0，則：

式(26)是一個非線性方程，通過試算或編程可以求得隧道掌子面的最小穩定安全系數：用求解非線性fzero方程函數，可以直接求出值；另外也可0.01步長進行遍歷查詢，有等于0的即為安全系數；沒有，這組相鄰的一個正的支護力與一個負的支護力對應的折減系數，進行線性內插或平均。

改變富水情況和飽水時間，則可以得到不同富水程度和飽水時間下的掌子面穩定性系數。

3 實施案例

3.1 不同富水程度下掌子面穩定性

某隧道圍巖粉砂巖[13]，試驗測得了其單軸干燥強度，單軸飽和抗壓強度，依據1節內容，可以確定不同飽和度(不同富水程度下)圍巖的內摩擦和黏聚力。利用上一節的內容，可以得到不同飽和度下掌子面穩定系數如下圖所示，并且給出了采用全斷面法和臺階法下掌子面穩定性的對比，其中臺階法，假定破壞只發生在上臺階，中下臺階認為是穩定的，所以取掌子面高度為上臺階高度3.6 m；全斷面法假定破壞發生在整個開挖高度。(見圖4~5)。為了做對比驗證，給出了文獻[13]方法以及Vermeer[14]方法的對比。

圖4 不同飽和度下的安全系數與虛擬支護力

從圖4~5可以看出：

1) 隨著飽和度的增加，虛擬支護力增大，掌子面安全系數降低，當飽和度達到0.3時，掌子面穩定安全系數小于1，表示掌子面會失穩；從曲線的斜率來看，低含水量時，隨著含水量的增加，掌子面穩定安全系數降低的梯度要大；而高含水量時，隨著含水量的增加，掌子面穩定安全系數降低的梯度要小。所以隧道施工宜盡量保持干燥環境中施工，做好地下水的防排。

2) 對比臺階法和全斷面法，可知，采用臺階法能夠顯著提高掌子面的穩定性；臺階法相對于全面來講，開挖面積減小，開挖高度減小，圍巖一次釋放的荷載較小。采用臺階法時，當飽和度為0.7時，掌子面才會失穩。所以對于軟弱富水地層，不宜采用全斷面開挖，盡量采用分部開挖或臺階法開挖，縮短一次開挖進尺和開挖高度。

圖5 不同開挖方法下安全系數

3.2 不同飽水時間下掌子面穩定性分析

根據1節內容，可以獲得不同飽水時間下圍巖的黏聚力和內摩擦角[15]。假定某個隧道的圍巖是該巖性，隧道開挖高度采取7 m，圍巖埋深200 m，圍巖重度為22 kN/m3，不同飽水時間下圍巖的黏聚力和內摩擦角見圖6(a)，掌子面穩定安全系數見圖6(b)。從圖6可以看出：隨著飽水時間的增長，掌子面穩定安全系數降低；所以對于停工時，為了保持掌子面的穩定，宜對掌子面進行加固，并做好掌子面的防排水處理，防止圍巖長時間飽水下，降低掌子面的穩定性。

3.3 討論

1) 本文所得的虛擬支護力介于文獻[13]和文獻[14]之間；安全系數比文獻[14]的要小。本文與文獻[13]的不同，主要是采取的破壞模式不同所致。在常規的極限分析中，要事先假定破壞模式，不同的破壞模式，導致結果有差異，采取極限有限元法或者強度折減有限元法可以避免破壞模式的假定。對于極限有限元，已有人開發，但是商業版極限有限元軟件還非常少，這是以后努力研究的方向。與文獻[14]的差別在于，本文是二維模式，而文獻[14]是三維有限元強度折減法，考慮了空間效應，所以安全系數較本文高。

2) 對于不同富水程度以及飽水時間下掌子面的穩定，本文只是以強度參數和結合極限分析進行考慮，未考慮弱化的動態過程，以及對于軟弱圍巖，還存在蠕變效應，本文均未考慮，這個在以后的研究中，應考慮。

(a) 黏聚力；(b) 安全系數

4 結論

1) 非飽和圍巖的強度參數是圍巖含水量或者飽和度的函數；飽和圍巖強度參數是飽水時間的函數。宜可根據圍巖軟化系數以及Hoek-Brown準則，確定圍巖不同飽和度下的圍巖強度參數。

2) 基于強度折減法和上限法分析礦山法隧道掌子面是可行的。隨著飽和度的增加和飽水時間的增長，掌子面安全系數降低；采用臺階法能夠顯著提高掌子面的穩定性。

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(編輯 蔣學東)

Influence of water content and saturation time on the stability of tunnel face

AN Yonglin1, 2, ZENG Xianchen2, ZHAO Dan3, YUE Jian1,2, HU Wenxuan2, OUYANG Pengbo2

(1. Hunan Provincial Key Laboratory of Geotechnical Engineering for Stability Control and Health Monitoring, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201, China;2. School of Civil Engineering, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201, China;3. Changsha Metro Group Co., Ltd, Changsha 410000, China)

In order to analyze the influence of water content and saturation time on the stability of tunnel face, for unsaturated surrounding rock, the strength parameter of surrounding rock is suggested to be the function of the water content or saturation of surrounding rock; for saturated surrounding rock, the strength parameter of surrounding rock is the function of the time of water saturation of the surrounding rock; and the form of the function is proposed to be the constant coefficient plus negative exponential function. If it is limited by experiments and funds, the strength parameters of surrounding rocks can be estimated by the Hoek-Brown criterion. Then the stability of the tunnel face is analyzed based on the upper bound method combined with the strength reduction method, and the application cases are presented. The results show that: with the increase of saturation, the safety factor of the tunnel face is reduced; in low water content, with the increase of water content, the gradient of the stability factor of the tunnel face is reduced steeply; with the increase of saturation time, the safety factor of tunnel face is reduced; the stability of the tunnel face is significantly improved by the bench excavation method.

tunnel engineering; face stability;rich water tunnel; limit analysis method; strength reduced method

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2019.05.020

U495.2

A

1672 ? 7029(2019)05 ?1260 ? 06

2018?07?11

國家自然科學基金資助項目(51408216, 51308209)

安永林(1981?)，男，安徽壽縣人，副教授，博士，從事隧道與地下工程研究；E?mail：aylcsu@163.com