1.緒論

1.1研究背景
新世紀(jì)以來(lái)，中國(guó)經(jīng)濟(jì)進(jìn)入一個(gè)飛速發(fā)展的時(shí)期，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)總量的不斷增長(zhǎng)，我國(guó)在交通基礎(chǔ)設(shè)施方面的建設(shè)進(jìn)入一個(gè)全新階段。城際高速公路、高速鐵路的鋪設(shè)，城市地下交通網(wǎng)絡(luò)的搭建，大型地下商業(yè)綜合體的建設(shè)，都離不開(kāi)地下空間的大規(guī)模開(kāi)發(fā)。尤其是近年來(lái)各個(gè)大、中型城市對(duì)于地下公共鐵路交通系統(tǒng)的大力投入，使得淺埋隧道在隧道建設(shè)中的比例越來(lái)越大，絕大多數(shù)的城市隧道都屬于淺埋隧道的范疇。不同的隧道施工方法不盡相同，根據(jù)不同的圍巖條件，選用具體的施工手段，主要包括：全斷面法、臺(tái)階法、環(huán)形導(dǎo)坑法、側(cè)壁導(dǎo)坑法、CD法、CRD法、盾構(gòu)法等等⑴�，F(xiàn)今，在深、淺埋隧道施工、設(shè)計(jì)方面，我國(guó)己經(jīng)累積了十分豐富的經(jīng)驗(yàn)，擁有了較為完善的體系方針。如淺埋暗挖法所歸結(jié)的十八字方針：“管超前，嚴(yán)注柴，短開(kāi)挖，強(qiáng)支護(hù)，快封閉，勤量測(cè)” 就是對(duì)淺埋隧道暗挖施工方法的精煉總結(jié)。
在理論分析研究上，目前隧道圍巖穩(wěn)定性方面的科研成果主要還是集中于埋深較大的隧道。而對(duì)于淺埋隧道，因其圍巖條件一般較差、覆土深度過(guò)小，很難穩(wěn)定成拱，因而在淺埋隨道領(lǐng)域的圍巖穩(wěn)定性研究以及圍巖壓力計(jì)算方面并不能直接應(yīng)用深埋隨道的相關(guān)理論[3，4]。就以最簡(jiǎn)單的圍巖壓力計(jì)算為例，一般而言，計(jì)算時(shí)都因?yàn)樗淼缆裆钚�，圍巖較破碎，構(gòu)造作用不明顯，而直接將原巖豎向應(yīng)力與土體重度和深度的乘積畫上等號(hào)，這顯然不恰當(dāng)。這樣的近似必然會(huì)給計(jì)算上帶來(lái)誤差，對(duì)于相對(duì)復(fù)雜的地層情況，這種誤差將不可忽視。

不可否認(rèn)，隨著中國(guó)近幾十年的發(fā)展，通過(guò)大量淺埋暗挖隧道工程的探索，現(xiàn)今我國(guó)在淺埋隧道方面的理論研究已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步與豐碩的成果。但是與淺埋暗挖隨道施工支護(hù)技術(shù)方面所取得的成果以及實(shí)際工程的應(yīng)用效果相比較，關(guān)于淺埋隧道破壞模式、荷載計(jì)算、破壞機(jī)理等方面的研究還有相當(dāng)大的差距。雖然，國(guó)內(nèi)外對(duì)于淺埋隧道破壞的研究已經(jīng)取得許多重要的結(jié)論，但是，這些理論在轉(zhuǎn)化為工程應(yīng)用上還有一定的距離。同時(shí)很多研究成果并不能形成一套完整而全面的理論體系。因此，對(duì)于淺埋暗挖隧道破壞模式與機(jī)理的研究還有進(jìn)一步深入的必要。這對(duì)于淺埋暗挖隧道的優(yōu)化設(shè)計(jì)、安全施工以及創(chuàng)造更大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，都具有十分重要的意義。

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1.2事故產(chǎn)生原因分析

圖1.2.1、圖1.2.2所示，可以看出從2004年到2013年以來(lái)，隧道事故發(fā)生次數(shù)有一定的減少，，但是并不顯著，死亡人數(shù)一直居高不下。說(shuō)明隧道事故控制在未來(lái)的施工中面臨的挑戰(zhàn)依然嚴(yán)峻，對(duì)于風(fēng)險(xiǎn)的控制依然不能松懈。
從圖1.2.3反映了 2004—2013年隧道施工中各類因素引起事故和造成死亡人數(shù)的百分比�？梢钥吹�，其中將塌原因造成的事故時(shí)排在首位，占到事故總次數(shù)的57%，以及人員死亡的41%。說(shuō)明在防治隧道施工事故方面，重點(diǎn)應(yīng)該放在保證隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，預(yù)防隨道圍巖坊塌的工作上面。同時(shí)由圖1.2.4反映出，隧道施工事故發(fā)生的原因有是多方面的，包括圍巖條件不良、地下水影響、施工措施不當(dāng)?shù)�。其中圍巖條件差是引起隧道事故的首要原因，也是根本原因。綜上兩個(gè)圖表，不難看出隧道塌方的主要影響因素是圍巖條件較差，尤其是在軟弱破碎的地層中的隨道常伴有通天型和拱形兩種塌方形式，前者場(chǎng)發(fā)生在淺埋和超淺埋的隧道中，后者則發(fā)生在埋深較大的隧道中。圍巖的條件好壞與地層的應(yīng)力是相對(duì)應(yīng)的，同一種圍巖在不同的應(yīng)力條件下的反應(yīng)不盡相同，因此隧道埋深也是影響塌方形式的重要因素。因此本文中主要從圍巖的性質(zhì)入手、同時(shí)變化隧道的埋深來(lái)分析隨道破壞的過(guò)程與模式，從而為工程實(shí)際提供相應(yīng)的依據(jù)。
淺埋隧道一般由于其埋深較小、圍巖條件偏差，因而在隧道開(kāi)挖后，圍巖自承能力有限不能形成穩(wěn)定的供體，從而造成塌方的發(fā)生，這不僅危害施工安全，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)對(duì)地面構(gòu)筑物產(chǎn)生十分不利的影響[7]。在淺埋隨道塌方事故中，隧道兩側(cè)上覆圍巖一般都會(huì)形成一個(gè)明顯的滑動(dòng)破壞面，這個(gè)滑動(dòng)面即為滑裂面。通常情況下，滑裂面是一條類拋物線的曲線，但是為了工程應(yīng)用的方便，將其簡(jiǎn)化為一條斜直線。而滑裂面與水平面之間的夾角就是破裂角，用β表示[8]。
李倩倩、張頂立、張成平、房倩[10]，在研究隧道破壞模式中得出：埋深不同，隧道的破壞模式有較大的差異。一般來(lái)說(shuō)隧道的破壞是始于兩側(cè)拱腳發(fā)生剪切滑移破壞，隨著圍巖的不斷惡化，剪切滑移帶逐漸向圍巖深部發(fā)展。緊接著在隧道拱頂產(chǎn)生受拉變形，隧道上方圍巖不斷向下移動(dòng)。最后，圍巖在拉、剪復(fù)合作用下，導(dǎo)致隧道失穩(wěn)將塌。通過(guò)對(duì)埋深影響的進(jìn)一步分析總結(jié)出，當(dāng)埋深小于2.5D時(shí)（D是隧道直徑），塌落一般會(huì)延伸到地表，產(chǎn)生整體下沉式破壞，形成一個(gè)漏斗形的塌落區(qū)；當(dāng)埋深大于或等于2.5D時(shí)，圍巖破壞將限制在一定范圍內(nèi)，能夠形成穩(wěn)定的供體。

金仁樣在等代圓概念的基礎(chǔ)之上，分析了連續(xù)介質(zhì)、碎裂介質(zhì)、塊裂介質(zhì)和板裂介質(zhì)（圍巖)條件下相應(yīng)的圍巖作用于隧道襯砌的力學(xué)機(jī)制；并推導(dǎo)了對(duì)應(yīng)圍巖條件下隨道荷載計(jì)算的理論解。同時(shí)還得出，單拱隧道開(kāi)挖后，圍巖的應(yīng)力松她會(huì)在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生，隨著無(wú)支護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng)，圍巖應(yīng)力松弛會(huì)向深部發(fā)展，時(shí)間越長(zhǎng)，擴(kuò)展的越遠(yuǎn)；并且開(kāi)挖硐室直徑越大，圍巖松弛的范圍也就越大，但并沒(méi)有直接的線性關(guān)系。

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2.淺埋隧道破壞相關(guān)理論

2.1深淺埋隧道的劃分
雖然，深埋隧道與淺埋隧道有著很大的區(qū)別，但是現(xiàn)今還沒(méi)有明確的區(qū)分深、淺埋隧道的計(jì)算方法。一般當(dāng)隧道硐室埋深滿足以下條件時(shí)[24]，可以認(rèn)為它是屬于淺埋隧道：

另一種判斷的標(biāo)準(zhǔn)是看隧道的埋深是否能保證天然拱的形成。埋深大于天然拱高度的隧道是處于深埋狀態(tài)，否則處于淺埋狀態(tài)。然而考慮到：①一般不能確切計(jì)算天然拱的高度；②天然拱以外的巖體雖然沒(méi)有塌落，但并非沒(méi)有變形。為了安全起見(jiàn)，目前通常是以天然拱的高度為參考，并兼顧開(kāi)挖對(duì)天然拱以外的圍巖的影響來(lái)判別深、淺埋狀態(tài)。按照這種判別方式可將隧道埋深劃分為以下3種不同狀態(tài)：

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2.2淺埋隧道破壞類型
對(duì)于一般隧道而言，目前的研究成果還未能夠明確的劃分深、淺埋隧道的界限，同時(shí)對(duì)于淺埋隧道的破壞形式也沒(méi)有進(jìn)行單獨(dú)的歸類。大多數(shù)在一般隧道中出現(xiàn)的破壞形式在淺埋隧道中也會(huì)有發(fā)生。因此，本文將以普通隧道的破壞為背景，分析淺埋隧道的破壞形式以及特點(diǎn)。對(duì)于一般的隧道，圍巖破壞一般可分為兩大類：局部破壞以及整體破壞。局部破壞一般是指隧道圍巖局部的落石破壞；整體破壞包括拱形塌方、通天型塌方、上覆巖層整體塌陷等；若按照圍巖破壞形式可分為受拉破壞、剪切破壞、拉剪復(fù)合式破壞。
局部塌方主要發(fā)生在圍巖情況較好的巖體中，一般在II類,或者條件更好的圍巖中較為常見(jiàn)。在圍巖整體性較好的情況下，若存在局部圍巖較為破碎，那么在隨道硐室開(kāi)挖之后，在重力作用下，軟弱體就會(huì)向洞內(nèi)移動(dòng)，最后發(fā)生掉落。如圖2.2.1所示，通常情況下此類破壞塌方高度在半米到兩米五之間，常見(jiàn)區(qū)域?yàn)殡S道上部，也發(fā)生于側(cè)墻。對(duì)于局部塌方，通常采用錨噴的方式對(duì)軟弱區(qū)域進(jìn)行加固。開(kāi)挖后，垂直于巖層走向打錨桿，錨桿長(zhǎng)度應(yīng)穿透不穩(wěn)定巖體深入內(nèi)部與穩(wěn)定巖體相連；然后噴一層混凝土，主要封閉填塞圍巖裂隙，進(jìn)一步防止巖體滑移。
若圍巖主要是有較為破碎的塊體組成，那么在硐室開(kāi)挖之后，這些碎塊在重力、振動(dòng)力的作用下，就產(chǎn)生脫落。如圖2.2.2。對(duì)于這種巖石破碎、裂隙密集發(fā)育、塊體較小的洞段，采取網(wǎng)噴支護(hù)更為安全合理。在開(kāi)挖后，清除浮石，先噴一層混凝土，厚度一般為5cm,目的是在圍巖變形前及時(shí)封閉圍巖，預(yù)防支護(hù)過(guò)程中小塊體塌落而影響施工安全，還可以作為鋼筋網(wǎng)的保護(hù)層，防止鋼筋網(wǎng)的銹燭，緊接著打系統(tǒng)錨桿并噴第二層混凝土作為承載結(jié)構(gòu)，厚度為10-15cm。當(dāng)塊狀或?qū)訝顜r體受明顯的結(jié)構(gòu)面切割形成塊體，這種塊體和圍巖的聯(lián)系很弱，在自重力或圍巖應(yīng)力的作用下有向臨空面運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，逐漸形成塊體運(yùn)動(dòng)失穩(wěn)的方式。有時(shí)候隧道圍巖整體性較好，但是在洞頂存在有結(jié)構(gòu)面，兩個(gè)交叉的結(jié)構(gòu)面將完整的圍巖分割出一個(gè)單獨(dú)的塊體出來(lái)。在張力、單軸壓力和擾動(dòng)力作用下單獨(dú)的塊體容易松動(dòng),形成整塊的土體塌落下來(lái)。如圖2.2.3。

拉裂破壞是指，當(dāng)圍巖受到的拉伸應(yīng)力超過(guò)其抗拉強(qiáng)度或者拉伸應(yīng)變大于其極限拉應(yīng)變時(shí)，巖發(fā)生開(kāi)裂變形的現(xiàn)象。其中拉裂破壞的主要類型分為受拉破壞、折斷破壞以及分層。拱形塌方是拉裂破壞最常見(jiàn)的形式，其多發(fā)生在層狀巖體或者碎塊巖體的隧道中，地層比較松軟的地區(qū)也容忌出現(xiàn)這種塌方情況。這種塌方多見(jiàn)于隨道的頂部，塌方高度在4-20m，發(fā)生塌方的規(guī)模較大，如圖2.2.4。

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3.隧道開(kāi)挖數(shù)值模擬分析....................29
3.1埋深對(duì)隧道破壞的影響....................29
3.1.1埋深對(duì)破裂角的影響....................31
3.1.2埋深對(duì)隧道破壞模式的影響....................33
4.隧道幵挖塌落體分析....................101
4.1對(duì)于不同方式統(tǒng)計(jì)塌落體面積的分析....................101
4.2隧道破壞滑裂面的曲線擬合....................106
4.2.1埋深對(duì)塌落橢球體的影響....................106
5.總結(jié)與展望....................121
5.1 總結(jié)....................121

5.2 展望....................122

4.隧道開(kāi)挖塌落體分析

4. 1對(duì)于不同方式統(tǒng)計(jì)塌落體面積的分析
本文在章節(jié)1.3中給出定義，將滑裂面理想化成為一個(gè)斜面，是地表臨界位移點(diǎn)與同側(cè)墻腳的連線，如圖4.1.1中所示抽象為一條斜直線。在兩個(gè)滑裂面之叫所包絡(luò)的土體即是隨道上部的荷載。
在章節(jié)3.5討論了兩種破裂角計(jì)算方式，顯然通過(guò)不同方式所確定的破裂角大小、滑裂面位置及滑裂面之間的圍巖體積都不同。在表4.1.1-4.1.4中，將列出兩種不同計(jì)算方式所對(duì)應(yīng)隧道上部圍巖破壞體的面積，并給出相應(yīng)的對(duì)比值。如圖4.1.2所示：其中A1為“方法一”所計(jì)算出的AOBDC面積；A2為“方法二”所計(jì)算出的AOBHG面積；A3為實(shí)際塌落體EOFDC的面積。
從表4.1.1~4.1.4中分析可得不管在何種埋深以及何種圍巖參數(shù)條件下，“方法二”計(jì)算得出的圍巖面積都比“方法一”所得到的結(jié)果更加接近實(shí)際塌落體的面積；二者差距十分的明顯，通過(guò)“方法一”得出的結(jié)果與實(shí)際的誤差值波動(dòng)十分巨大，范圍從1%~50%不等，并且明顯表現(xiàn)出隨著埋深的增大誤差也隨之增大。通過(guò)“方法一”計(jì)算出的隧道上部荷載顯然不滿足實(shí)際條件。而相對(duì)比之下，“方法二”使多邊形AOBHG的面積接近實(shí)際塌落體EOFDC的面積，在這種計(jì)算方式下，面積誤差基本能控制在5%以下。
不論通過(guò)圖4.1.2還是通過(guò)表4.1.1-4.1.4中所體現(xiàn)的面積區(qū)別，都能很容易看出：使用“方法二”來(lái)統(tǒng)計(jì)破裂角，得出的結(jié)果相比于“方法一”的值更小。由于隧道的荷載是通過(guò)上部塌落圍巖的體積來(lái)判斷，而塌落圍巖的體積又是根據(jù)破裂角大小來(lái)估計(jì)，因此運(yùn)用“方法二”所計(jì)算出來(lái)的破裂角所確定的上部圍巖體積就比運(yùn)用“方法一”計(jì)算所得的體積來(lái)的大，也就是說(shuō)隧道所受的上部荷載也要更大。當(dāng)進(jìn)行降道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，如若選取的上部荷載值過(guò)小，那么計(jì)算得出的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度就無(wú)法滿足實(shí)際工程的需要，這很可能導(dǎo)致隧道建設(shè)時(shí)塌方的產(chǎn)生。因而選用合理的方式統(tǒng)計(jì)破裂角的大小是隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算的重要條件。通過(guò)兩種計(jì)算方法的對(duì)比，可以得出：通過(guò)“方法二”計(jì)算出的破裂角相對(duì)來(lái)說(shuō)更為保守、安全，并且數(shù)據(jù)更為準(zhǔn)確，更具有實(shí)際意義。

通過(guò)表4.2.1以及圖4.2.1~4.2.3，可以看出，在相同的圍巖條件下，隨著隧道埋深的增加，擬合出來(lái)的塌落體橢圓長(zhǎng)、短軸是逐漸增大的。這種增加的趨勢(shì)比較趨近于線性增長(zhǎng)，也就是說(shuō)擬合橢圓的軸長(zhǎng)的增長(zhǎng)與埋深的增加接近線性關(guān)系。由于橢圓軸長(zhǎng)是與埋深成線性相關(guān)，因而橢圓的面積與埋深間的關(guān)系體現(xiàn)于坐標(biāo)圖上自然為一條拋物線，也就是圖4.2.3中的曲線所示，它的趨勢(shì)線就是一條二階多項(xiàng)式曲線。同時(shí)從圖4.2.1可以看出，對(duì)于隨道塌落體周邊點(diǎn)的曲線擬合，在埋深較大的時(shí)候具有更好的匹配程度。也就是說(shuō)隨著埋深的增加，隧道破壞塌落體的整體形狀更接近于橢圓；而埋深小的時(shí)候（如埋深8米），塌落體邊界近乎垂直，只符合擬合曲線的一小段，完整性較差，擬合結(jié)果不能說(shuō)明塌落體邊界一定為橢圓。

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5.總結(jié)與展望

5.1總結(jié)
本文基于應(yīng)變軟化模型，采用數(shù)值模擬的方式對(duì)影響隧道破裂角大小的幾種主要因素、以及隧道破壞模式進(jìn)行了研究，得出以下主要結(jié)論：
埋深越大、圍巖越是軟弱，隧道開(kāi)挖所引起的圍巖破壞范圍就越大；并且圍巖所產(chǎn)生的貫通到地表的滑移面的數(shù)量也較多，上覆土體被分割得更加支離破碎，在塌落體內(nèi)部形成許多交叉狀的剪切破壞面。反之，當(dāng)圍巖的彈模、摩擦角、粘聚力較大時(shí)，隧道破壞有成拱的趨勢(shì)，并且破壞區(qū)域邊緣呈現(xiàn)出橢圓形。在淺埋隧道中，由于圍巖摩擦角較小，原巖應(yīng)力也不是很大，在Mohr-Coulomb模型圖中所體現(xiàn)出來(lái)形式為：包絡(luò)線比較低矮，且斜率小，同時(shí)整個(gè)應(yīng)力圓靠近原點(diǎn)，因此剪應(yīng)力較接近極限值。此時(shí)若提高粘聚力，能使得包絡(luò)線上移，令應(yīng)力圓遠(yuǎn)離破壞線。所以較大的粘聚力能顯著減小塌方范圍，有利于圍巖成拱。
本文對(duì)兩種更不同的滑裂面及破裂角定義方法進(jìn)行了比較分析。這兩種方式分別為：①將隧道邊墻最外側(cè)點(diǎn)與地表最外側(cè)貫通裂縫之間的連線定義為滑裂面；②以面積相等原則來(lái)定義滑裂面。由于滑裂面實(shí)質(zhì)上為一條曲線，將其簡(jiǎn)化為直線必然會(huì)帶來(lái)誤差�！胺椒á佟边@種傳統(tǒng)的定義方式，造成的結(jié)果是：破裂角太大，兩個(gè)面之所包含的塌落圍巖體積小于實(shí)際塌落體的體積。這將導(dǎo)致計(jì)算隧道上覆荷載時(shí)取值偏小，使得設(shè)計(jì)上產(chǎn)生隱患。而相比較于“方法①”，以面積相等原則來(lái)確定破裂角的“方法②”，減少了這種誤差，對(duì)隧道上覆荷載的估計(jì)更加準(zhǔn)確，更具有實(shí)際意義。

在埋深較大的隧道中，從圍巖破壞開(kāi)始到最終穩(wěn)定，并不是一次性完成的。在這過(guò)程中經(jīng)歷了多個(gè)暫時(shí)穩(wěn)定的中間狀態(tài)，每一個(gè)中間狀態(tài)都對(duì)應(yīng)于一個(gè)暫時(shí)穩(wěn)定的拱（即結(jié)構(gòu)層）。當(dāng)一個(gè)暫時(shí)穩(wěn)定狀態(tài)被打破之后，圍巖的破壞緊接著快速擴(kuò)展，塌落高度增加，直至另一個(gè)暫時(shí)穩(wěn)定狀態(tài)。在多次反復(fù)之后，圍巖形成最終穩(wěn)定（在淺埋隧道中，則是圍巖最終整體塌陷）。對(duì)于實(shí)際隧道工程而言，如果能確定圍巖破壞過(guò)程中每個(gè)臨時(shí)穩(wěn)定拱的高度和形狀，那么就找到隧道輪廓的最優(yōu)曲線，最大程度的發(fā)揮圍巖的自承效應(yīng)。同時(shí)若對(duì)起支承作用的圍巖進(jìn)行改善和加固，阻止其失效，就能用最少的支護(hù)成本得到良好的工程效果。

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參考文獻(xiàn)（略）

本文編號(hào)：42908