水平小净距隧道中夹岩安全系数法研究与应用

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1、水平小净距隧道中夹岩平安系数法研究与应用摘要：中夹岩柱是小净距隧道围岩稳定控制的关键部位，判别中夹岩的平安性是工程设计和施工过程中的重难点。文章通过分析不同围岩级别、埋深情况下中夹岩的破坏模式，建立级围岩条件下水平小净距隧道中夹岩力学分析模型，并确定中夹岩破裂面位置。根据中夹岩上部滑块体形状的不同分为两种情况，通过边坡稳定性原理、极限平衡假设及普氏压力拱理论推导中夹岩上部滑块体的抗滑力、下滑力以及平安系数的计算公式，从而建立起评判中夹岩平安性的平安系数法，并结合数值模拟对其进行验证。将经验证后的平安系数法应用于实际工程某隧道，判断其中夹岩平安性，得出该隧道中夹岩破坏临界厚度为6m，进而对6m以

2、下的中夹岩使用锚杆进行加固。关键词：铁路隧道;平安系数法;理论分析;中夹岩平安性;小净距隧道1引言小净距隧道是一种介于连拱隧道和别离式隧道的比拟特殊的结构型式1，2。小净距隧道有施工方法简单、造价相对低、工期较短、施工质量容易控制等优点3，4，相应的工程实例有急速增加之势。小净距隧道通过中夹岩进行力的传递，在实际工程施工中，判别中夹岩平安性5，6并保证其稳定是小净距隧道施工成功的重中之重79，许多学者对此进行了深入研究。例如，唐陶文等10结合普氏理论及数值模拟，分析了中夹岩围岩压力的表达式及中夹岩的最小厚度;章慧健等11结合离心模型试验以及数值模拟，研究了中夹岩的力学特征;陈皓等12分析了不同

3、净距下小净距隧道的中夹岩应力及应力特性。并对中夹岩合理净距进行了研究;宋洋等13建立了浅埋偏压小净距隧道的仿真模型计算隧道平安系数，并结合现场监测数据比照分析了隧道中夹岩稳定性;Esterhuizen等14提出了中夹岩强度估算和设计平安系数选取的方法;蔺争艳15结合现场施工情况，监测中夹岩的应力、位移变形等来对中夹岩平安性进行判别;陈佳16比照分析了注浆加固和对拉预应力锚杆加固对中夹岩的加固效果;刘芸等17将中夹岩划分为假设干区域，采用数值模拟手段判断中夹岩的稳定性，并分析比照了中夹岩不同加固措施的加固效果。从目前的研究来说，仅有很少局部学者对中夹岩进行了理论研究，大多都采用数值模拟手段分析中

4、夹岩的塑性区、应力等，从而进一步研究中夹岩的平安性，学者们在关于中夹岩的平安性判别指标方面并未达成共识。本文通过分析水平小净距隧道中夹岩的受力状况，借鉴边坡稳定性原理建立中夹岩力学模型及平安性评价方法，进而采用数值模拟手段与案例结合验证所得方法，最后利用此方法分析实际工程赣深铁路某隧道，为水平小净距隧道的设计和施工提供指导。2力学模型建立2.1破坏模式在建立中夹岩的力学模型之前，首先对中夹岩的破坏模式1822进行研究，对不同围岩级别、埋深情况下中夹岩破坏模式进行调研。从调研结果来看，中夹岩的破坏大多都是由于后行洞开挖过程中对于围岩的扰动，产生从后行洞拱脚位置至先行洞拱肩附近的斜向塑性区或裂缝。

5、原因有以下三个：(1)在隧道先、后行洞开挖完成处于出渣过程且未支护时，围岩可能变形较大，而后期施作支护后围岩变形小;(2)隧道先、后行洞支护结构的重力作用使其发生背离围岩的位移;(3)后续的隧道先、后行洞开挖对之前已经施作的支护结构及围岩产生扰动，使两者之间发生松动。因此，围岩与支护结构可能存在假接触现象，即有接触而又不产生作用力的现象。当后行洞开挖之后，但隧道衬砌还没有及时施作，保守起见，假定此时先行洞的支护结构对围岩不提供支护力，隧道两侧均不受力，处于最不利情况，在此种情况下对中夹岩进行受力分析进而建立其力学模型是平安的。2.2根本假定在实际施工中，开挖先行洞等同于开挖普通单洞，并且由于先

6、行洞与后行洞施工需要有一定的开挖错开距离，假设开挖先行洞时围岩能够保持自身稳定，此时中夹岩的平安性不需要进行考虑，本文着重研究级围岩条件下最不利情况的中夹岩平安性。先行洞与后行洞边墙底部、拱顶之间的连线与其隧道外轮廓线围成的区域即是中夹岩范围。假设隧道的宽度为D，隧道及中夹岩的高度为H，中夹岩的底部宽度即先、后行洞最小净距为d，顶部宽度为D+d。由前述内容，考虑先行洞已经施作的衬砌以及周边围岩会对中夹岩施加压力，为方便分析，将其顶部的承载宽度减小为d，这时中夹岩简化为dH的承重矩形土柱。2.3破裂面位置由普氏压力拱理论24，最小主应力3的作用面为竖直方向，其与中夹岩破裂面之间的夹角=45-/2

7、，其中表示内摩擦角。根据前述假定知，中夹岩的右边界水平向不受力，仅受上部围岩传递的竖向荷载作用，可知任意一点沿水平方向的最小主应力3=0，并且可以求解出沿竖直方向的最大主应力1。因此，可知中夹岩的破裂面位置，位于与竖直方向成角度的直线上。3平安性分析中夹岩宽与高之比的变化虽然会造成滑块体的形状有所差异，但是关于抗滑力及下滑力的计算过程、思路大致相同，所以对d/H3.1抗滑力假设在极限平衡状态下，中夹岩整个破裂面将会发挥出最大的抗滑力，即任一点都能到达其抗剪强度。3.2下滑力单独对上部滑块体进行受力分析，考虑外力及滑块体自重情况下，假设上部滑块体处于极限平衡状态，建立相应的力学平衡方程以进一步对

8、中夹岩的下滑力进行推导。3.3平安系数平安系数Ks的计算公式为Ks=R/T，即通过抗滑力与下滑力的比值得到平安系数，进一步判断中夹岩的平安性。当Ks1时，说明中夹岩此时可以维持自身的稳定，不会发生失稳破坏，可仅进行简单的支护或者无需支护。在实际工程应用时将会适当提高平安系数25，以预留一定的平安储藏，根据?建筑边坡工程技术标准?(GB50330-2022)，本文考虑平安储藏，取Ks=1.35。4验证平安系数法以一典型水平小净距铁路隧道为例，隧道开挖高度H为6.0m，先、后行洞净距d为5.0m，隧道埋深为8.0m。对中夹岩稳定性平安系数法进行验证，计算多组工况，同时采用数值模拟手段，比照分析计算

9、结果。4.1平安系数法计算考虑中夹岩不进行任何加固措施以及对中夹岩采用锚杆进行加固两种工况，根据围岩取不同的黏聚力，其中不加固工况的黏聚力c分为50kPa、60kPa、70kPa及80kPa共四组;而针对中夹岩采用锚杆进行加固的工况仅考虑黏聚力c取为50kPa的情况。4.2比照分析为了便于比照分析相同工况下两种不同计算方法的计算结果，在FLAC3D计算时采用强度折减法26计算出不同工况对应的平安系数。从平安系数法的计算结果与数值模拟比照来看，对于中夹岩不采取任何加固措施下黏聚力c为60kPa的情况，通过数值模拟分析得到中夹岩不会发生失稳破坏，然而平安系数法计算的结果却显示Ks这是因为在1.1节

10、建立的力学模型中，中夹岩简化成了dH的承重矩形土柱，经过简化之后的模型，中夹岩的顶部承载宽度从初始的D+d减小为d，使得要对竖向荷载q1进行转换，然后转换范围却包括中夹岩上面D+d范围的所有荷载，造成计算时中夹岩的承载范围比实际的中夹岩承载范围要大，故计算的上部滑块体下滑力相比与实际的中夹岩下滑力值偏大，也就导致平安系数法的计算结果与数值模拟有所偏差，出现数值模拟结果不会破坏而平安系数小于规定值的情况。因此，当采用本文推导出的平安系数法来对中夹岩的平安性进行判断时，相较于使用数值模拟手段进行判断是偏于平安的。5工程实例应用5.1工程概况某隧道位于赣深铁路深圳市境内，线路近南东走向，为单洞双线隧

11、道。设计行车速度为350km/h，隧道全长为3534.57m。该隧道DK430+597DK430+740标号段为大跨段转为分岔隧道，围岩级别均为级，分岔隧道中夹岩厚度从最窄的1.76m变化到8m。5.2平安系数法计算针对该隧道，在中夹岩无加固的条件下对不同中夹岩厚度的平安系数进行计算，保守起见，仅考虑围岩的自稳能力。隧道埋深为180m，开挖高度H=9.75m。5.2.1d/H当双洞净距d为1.763m时，属于前述d/H6结论与建议本文采用理论分析、数值模拟、案例验证等手段对水平小净距隧道中夹岩平安性进行研究，并应用于实际工程中，得出以下结论与建议：(1)借鉴边坡稳定性分析原理，通过力学极限平衡

12、假定，分两种情况计算中夹岩上部滑块体的抗滑力、下滑力和平安系数，再考虑平安储藏，取临界平安系数Ks=1.35，建立水平小净距隧道中夹岩平安性评判方法。Ks1.35时，处于稳定状态;Ks=1.35时，处于极限平衡;Ks(2)在建立平安系数法计算模型时，过多地考虑了中夹岩的承载范围，计算的下滑力偏大，且由案例验证的数值模拟结果与平安系数法结果比照分析可知，平安系数法的计算结果较数值模拟方法是偏于平安的。(3)通过平安系数法分析工程实例某隧道的中夹岩平安性，得到该隧道中夹岩的临界破坏厚度为6m。当中夹岩厚度在6m及以下时，平安系数均小于1.35，施工时需要对中夹岩采取加固措施。在考虑使用锚杆对中夹岩

13、进行加固后，该隧道中夹岩平安系数法计算结果均大于1.35，说明此时对中夹岩进行施工是平安的。参考文献References1姚勇,何川,谢卓雄.双线小净距隧道中岩墙力学特征及加固措施研究J.岩土力学,2022,28(9):1883-1888.YAOYong,HEChuan,XIEZhuoxiong.StudyofMechanicalBehaviorandReinforcingMeasuresofMiddleRockWallofParallelTunnelwithSmallIntervalJ.RockandSoilMechanics,2022,28(9):1883-18882卢晓颖.多孔小净距隧道

14、施工围岩稳定性分析J.公路交通技术,2022,36(5):107-113.LUXiaoying.StabilityAnalysisofSurroundingRockMassintheConstructionofMultipleNeighborhoodTunnelsJ.TechnologyofHighwayandTransport,2022,36(5):107-113.3周定权.公路小净距段隧道中夹岩稳定问题与施工控制措施J.广东交通职业技术学院学报,2022,20(1):1-5+11.ZHOUDingquan.RockStabilityProblemsandConstructionContro

15、lMeasuresinHighwayTunnelswithSmallSpacingJ.JournalofGuangdongmunicationsPolytechnic,2022,20(1):1-5+11.4刘丰铭.浅埋偏压小净距黄土隧道围岩稳定性研究D.重庆:重庆大学,2022.LIUFengming.StudyonStabilityofSurroundingRockforShallow-buriedandUnsymmetricallyLoadedLoessTunnelswithSmallIntervalD.Chongqing:ChongqingUniversity,2022.5匡伟.超小净距

16、隧道土质中隔岩柱注浆加固作用机理及稳定性分析D.济南:山东大学,2022.KUANGWei.MechanismandStabilityAnalysisofGroutingReinforcementforSoilPillarinSmallSpacingTunnelD.Jinan:ShandongUniversity,2022.6冯文件.级围岩小净距隧道中夹岩稳定性及尺寸优化的研究D.重庆:重庆大学,2022.FENGWenjian.TheStudyonStabilityofFolderRockandSizeOptimizationofTunnelwithSmallSpacinginGradeD.Chongqing:ChongqingUniversity,2022.