這是一篇發(fā)表在《隧道建設(shè)》上的分析隧底隆起斜坡段淺埋隧道穩(wěn)定性上限的中國建筑論文，山嶺隧道按埋深可分為深埋隧道和淺埋隧道。淺埋隧道的圍巖強(qiáng)度相對較低，開挖后不易形成自然拱[1-5]，因此，分析研究淺埋隧道的圍巖穩(wěn)定性對確保隧道工程安全尤為重要。

　　《隧道建設(shè)》雜志是隧道及地下工程領(lǐng)域?qū)嵺`性很強(qiáng)的技術(shù)類科技期刊。1981年創(chuàng)刊，由中鐵隧道集團(tuán)主管，中鐵隧道集團(tuán)科研所主辦，為國內(nèi)外公開發(fā)行刊物，國際統(tǒng)一刊號ISSN 1672-741X，國內(nèi)統(tǒng)一刊號CN 41-1355/U。主要刊載內(nèi)容為國內(nèi)外隧道及地下工程領(lǐng)域的新理論、新方法、新技術(shù)、新工藝、新設(shè)備、新材料、新經(jīng)驗(yàn)和工程實(shí)錄，相關(guān)領(lǐng)域的國內(nèi)外科技信息、行業(yè)動態(tài)等。刊登內(nèi)容以實(shí)用技術(shù)為主，兼顧試驗(yàn)、研究和綜合評述。

　　采用極限分析上限法，基于內(nèi)外能耗守恒原理，通過構(gòu)建考慮隧底隆起的斜坡地段淺埋隧道破壞模式，推導(dǎo)出圍巖壓力的計算式，并通過典型算例重點(diǎn)分析了典型因素對隧道圍巖穩(wěn)定性的影響。研究結(jié)果表明：基于泰沙基極限平衡法進(jìn)行隧道圍巖支護(hù)設(shè)計較為保守，不考慮隧底隆起的極限分析方法次之考慮隧底隆起極限分析方法的風(fēng)險最大;斜坡地表傾角增大對淺埋隧道穩(wěn)定性有著不可忽視的不利影響;圍巖壓力隨巖土側(cè)壓力系數(shù)減小、埋深增大、斷面尺寸加大而增大;巖土黏聚力增大、內(nèi)摩擦角增大對提高淺埋隧道圍巖穩(wěn)定性有積極作用。

　　關(guān)鍵詞：淺埋隧道;圍巖壓力;極限分析上限法;破壞模式;隧底隆起;傾斜地表

　　隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，以及中國對民間資本參與交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)事業(yè)支持力度的加大，陸路綜合交通路網(wǎng)將進(jìn)一步完善，不可避免地要在山嶺地區(qū)修建公路、鐵路。考慮到采取深挖高填路基破壞了景觀環(huán)境，又容易存在邊坡失穩(wěn)、不均勻沉降等工程隱患，在進(jìn)行相關(guān)工程設(shè)計時大多選用隧道形式穿越山嶺地區(qū)?！　O限分析法建立在虛功率原理基礎(chǔ)上。虛功率原理表明：對于理想的巖土體，任意一組靜力容許的應(yīng)力場和任意一組機(jī)動容許位移速度場，外力的虛功率等于物體所能接受的虛變形功率。在虛功率原理的基礎(chǔ)上可推導(dǎo)出上限定理為：在所有的機(jī)動容許的塑性變形速度場相對應(yīng)的荷載中，極限荷載最小[2]。

　　對于淺埋隧道穩(wěn)定性問題，采用極限分析方法進(jìn)行分析計算是有效的手段之一，該法具有嚴(yán)格的理論基礎(chǔ)，又巧妙地避開了巖土材料復(fù)雜的本構(gòu)關(guān)系。縱觀國內(nèi)外學(xué)者在淺埋隧道穩(wěn)定性分析領(lǐng)域研究進(jìn)展，除了與有限元相結(jié)合的極限分析法不斷改進(jìn)外，傳統(tǒng)的剛性滑塊極限分析上限法也在日趨完善。

　　Atkinson等[6]采用極限分析法和模型試驗(yàn)對無黏性土淺埋隧道穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。Kentaro等[7-8]結(jié)合極限分析剛體上限法和有限元法對水平地表下矩形、圓形淺埋隧道穩(wěn)定性進(jìn)行了深入研究。Davis E H等[9]基于極限分析上限定理，歸納總結(jié)4種破壞模式，探討了不排水條件下的黏性土淺埋隧道圍巖穩(wěn)定性。姜功良等[10]根據(jù)極限分析上限法，應(yīng)用拉格朗日增項(xiàng)優(yōu)化原理及有限元法對水平地表下淺埋軟土隧道的穩(wěn)定性進(jìn)行了計算分析。楊小禮等[11-12]利用極限分析上限法，基于非線性破壞準(zhǔn)則，推導(dǎo)出泰沙基破壞模式下的水平地表下淺埋隧道圍巖壓力計算式，并對圍巖壓力上限解進(jìn)行了優(yōu)化計算。趙煉恒等[13-15]運(yùn)用極限分析上限法，結(jié)合非關(guān)聯(lián)流動準(zhǔn)則和強(qiáng)度折減法，系統(tǒng)分析了淺埋隧道穩(wěn)定性。楊峰等[16]構(gòu)建了兩種水平地表下淺埋隧道圍巖剛體平動破壞模式，應(yīng)用極限分析上限定理推導(dǎo)了圍巖壓力的理論計算公式，并運(yùn)用Matlab軟件對計算結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化。伍良波等[17]基于線性破壞準(zhǔn)則，采用極限分析上限法推導(dǎo)出淺埋隧道圍巖壓力和穩(wěn)定系數(shù)計算式，分析了不同埋深比下淺埋隧道穩(wěn)定性。

　　以上淺埋隧道穩(wěn)定性研究大都基于水平地表，然而，在實(shí)際工程中，坡體地表大都傾斜，因而極限分析方法在斜坡地段淺埋隧道穩(wěn)定性研究方面尚待完善。本文借鑒泰沙基破壞模式，考慮坡體地表傾斜和隧底隆起，運(yùn)用極限分析上限定理，結(jié)合線性摩爾庫倫(Mohr-Coulomb)準(zhǔn)則，推導(dǎo)斜坡地段淺埋隧道圍巖壓力q計算式，采用Matlab軟件編程優(yōu)化得到其上限解，并通過工程算例分析典型影響因素對斜坡地段淺埋隧道穩(wěn)定性的影響。

　　1 破壞基本原理與計算條件

　　在工程實(shí)踐中，淺埋隧道埋深不大，圍巖風(fēng)化程度大多較高，巖土體松散破碎，強(qiáng)度參數(shù)相應(yīng)較低。假設(shè)土工試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明巖土體破壞時的剪切強(qiáng)度與法向應(yīng)力呈較好線性關(guān)系，則巖土體服從線性摩爾庫倫(Mohr-Coulomb)準(zhǔn)則：

　　1.1 破壞模式與速度場

　　為提高有限淺層地下空間利用率，矩形或類似矩形斷面在過街人行通道、地下商業(yè)街和地鐵等城市地下空間開發(fā)利用中也較為常見。已有科研成果表明：采用極限分析上限法進(jìn)行斜坡地段淺埋隧道圍巖壓力的分析計算時需作如下假設(shè)：

　　1)隧道圍巖穩(wěn)定性簡化為平面應(yīng)變問題來進(jìn)行分析;

　　2)不考慮巖土體材料的剪脹效應(yīng);

　　3)將隧洞斷面形狀簡化成矩形進(jìn)行計算;

　　4)隧道拱頂、隧底和邊墻圍巖壓力分別簡化為線性均布荷載q′、q和e。其中：令q′=μ·q，μ為豎直向下支護(hù)反力與豎直向上支護(hù)反力的比值，計算取μ=1;e=K·q，K為待定側(cè)向系數(shù)。

　　理論分析、實(shí)驗(yàn)例證和工程應(yīng)用結(jié)果均已表明，泰沙基(K. Terzaghi)基于極限平衡法計算隧道圍巖壓力采用的破壞模式具有廣泛的適用性。借鑒該經(jīng)典研究成果，并考慮隧底隆起和地表傾斜影響，對淺埋隧道破壞模式進(jìn)行了改進(jìn)。本文構(gòu)建考慮隧底隆起和地表傾斜影響的破壞模式及剛性塊體速度矢量關(guān)系如圖1所示。

　　1.2 幾何參數(shù)計算

　　根據(jù)淺埋隧道的破壞模式和速度矢量圖(圖1)所示的幾何關(guān)系，令斜坡傾角為δ，DE=D′E′=h，GF=H，EG=E′G=DH=D′ H=h2，取∠CHD=θ1，∠CDH=θ2，∠BCD=θ3，∠BED=θ4，∠BAA′=θ5，∠C′HD′=θ′1，∠C′D′H=θ′2，∠B′ C′D′=θ′3，∠B′E′D′=θ′4，∠B′A′A=θ′5，根據(jù)三角形正弦定理、余弦定理和面積公式可計算得出各線段長度和剛性滑塊面積計算公式，由于推導(dǎo)過程較為繁瑣，本文從略。

　　2 隧道圍巖壓力計算

　　外功率包括重力功率與支護(hù)反力做功計算，內(nèi)部能耗功率為各速度間斷線能量耗散之和，根據(jù)外力做功和內(nèi)部能耗守恒原理，即可推導(dǎo)得出隧道極限圍巖壓力計算式。

　　2.1 外力做功的計算

　　淺埋隧道發(fā)生失穩(wěn)破壞時，外力功率外包括巖土體滑塊ABEGE′B′A′FA重力功率1、滑塊BCDE重力功率2、滑塊CDH重力功率3、滑塊B′C′D′E′重力功率4、滑塊C′D′H重力功率5、豎直方向支護(hù)反力q功率6和水平方向支護(hù)反力e功率7，計算公式如下：

　　2.2 內(nèi)部能耗的計算

　　淺埋隧道發(fā)生破壞時，內(nèi)部能耗功率內(nèi)等于速度間斷線 AB、BE、BC、CD、CH、A′B′、B′E′、B′C′、B′D′和C′H上的能量耗散之和，計算公式如下：

　　2.3 圍巖壓力q的計算

　　根據(jù)虛功率原理，外力做功與內(nèi)部耗散能相等，可得考慮隧底隆起淺埋矩形隧道豎直向上極限圍巖壓力(豎向支護(hù)反力)q的計算式為：

　　2.4 Matlab優(yōu)化

　　由于各速度矢量間夾角必須大于零，則可得到對應(yīng)本文考慮隧底隆起淺埋矩形隧破壞模式的約束條件，具體如下：

　　依照上限定理，滿足運(yùn)動許可條件的最大圍巖壓力值即為該破壞模式下的最優(yōu)解。因此，極限圍巖壓力值的計算可通過以下過程實(shí)現(xiàn)：在滿足破壞模式的約束條件下，選定一組較為穩(wěn)定的初值，然后，不斷調(diào)整變化任意(θ1，θ2，θ3，θ4，θ5，θ′1，θ′2，θ′3，θ′4，θ′5)數(shù)據(jù)，直至最大圍巖壓力值出現(xiàn)。此時，極限圍巖壓力值也就是淺埋矩形隧道在考慮隧底隆起破壞模式下的上限解。上述計算可通過計算機(jī)編程，運(yùn)用Matlab軟件內(nèi)置優(yōu)化工具箱中的Fmincon函數(shù)實(shí)現(xiàn)[18]。

　　3 隧道圍巖穩(wěn)定性算例分析

　　3.1 與已有研究成果對比

　　由表1可知，運(yùn)用本文淺埋隧道圍巖壓力計算公式，斜坡地表傾角取δ=0°，可將其退化為水平地表與已有研究成果進(jìn)行比較驗(yàn)證，分析結(jié)果表明：本文計算結(jié)果與已有極限分析計算結(jié)果基本吻合，驗(yàn)證了本文計算方法的正確性和有效性;基于泰沙基極限平衡法計算所得淺埋隧道圍巖壓力最大，不考慮隧底隆起的極限分析方法次之，本文考慮隧底隆起極限分析方法最小。因此，在進(jìn)行隧道圍巖支護(hù)設(shè)計時，采用泰沙基極限平衡法最為保守，而采用本文考慮隧底隆起的極限分析方法相對經(jīng)濟(jì)。

　　3.2 地表傾斜和巖土側(cè)壓力系數(shù)的影響

　　取隧道埋深H=20 m，隧道跨度h=10 m，圍巖容重γ=20 kN/m3，黏聚力c=10 kPa，內(nèi)摩擦角φ=18°，令巖土側(cè)壓力系數(shù)K=0.6、0.8、1.0、1.2，斜坡地表傾角δ=0～50°，淺埋隧道圍巖壓力變化如圖2所示。

　　由圖2可知，隧道埋深和斷面尺寸確定時，淺埋隧道圍巖壓力q隨著巖土側(cè)壓力相關(guān)系數(shù)K的增大而顯著減小，即淺埋隧道穩(wěn)定性隨隧道兩側(cè)支護(hù)結(jié)構(gòu)所做功率的增大而提高，符合工程實(shí)際，進(jìn)一步驗(yàn)證了本文破壞模式和計算方法的可靠性。同時，隨著斜坡地表傾角增大，淺埋隧道圍巖壓力q非線性增大，即維持隧道穩(wěn)定所需圍巖支護(hù)力增加。因此，在工程實(shí)踐中，忽視地表傾斜對淺埋隧道圍巖壓力的影響，粗略地將傾斜地表簡化為水平面，容易導(dǎo)致圍巖支護(hù)不足的不良后果。

　　3.3 埋深和斷面尺寸的影響

　　取圍巖容重γ=20 kN/m3，黏聚力c=10 kPa，內(nèi)摩擦角φ=18°，巖土側(cè)壓力系數(shù)K=1.0，斜坡地表傾斜角度δ=15°，令隧道跨度h=8、9、10、11 m，隧道埋深H=14～20 m，淺埋隧道圍巖壓力變化如圖3所示。

　　由圖3可知，當(dāng)其他參數(shù)確定時，隨著淺埋隧道埋深增大、斷面尺寸加大，淺埋隧道圍巖壓力q將非線性增大，而實(shí)際工程中，隧道斷面尺寸大都確定，因而，在隧道工程設(shè)計和施工過程中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注隧道埋深變化對淺埋隧道穩(wěn)定性的顯著影響。

　　3.4 巖土抗剪強(qiáng)度參數(shù)(c、φ)的影響

　　取隧道埋深H=20 m，隧道跨度h=10 m，圍巖容重γ=20 kN/m3，巖土側(cè)壓力系數(shù)K=1.0，斜坡地表傾斜角度δ=15°，黏聚力c=5、10、15、20 kPa，內(nèi)摩擦角φ=6～18°，淺埋隧道圍巖壓力變化如圖4所示。

　　由圖4可知，當(dāng)其他參數(shù)確定時，淺埋隧道圍巖壓力隨著巖土黏聚力增大、內(nèi)摩擦角增大而顯著減小。因此，在工程實(shí)踐中，通過預(yù)注漿等工程加固措施改善巖土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)，從而增大隧道破壞時所需內(nèi)部耗能，降低維持淺埋隧道穩(wěn)定所需圍巖壓力q，進(jìn)而大幅提高隧道圍巖穩(wěn)定性。

　　4 結(jié)論

　　基于已有研究成果，將隧道斷面形狀簡化為矩形，考慮隧底隆起和坡體地表傾斜，改進(jìn)了斜坡地段淺埋隧道圍巖破壞模式，并采用極限分析上限法，結(jié)合線性摩爾庫倫(Mohr-Coulomb)準(zhǔn)則，再根據(jù)內(nèi)外能耗相等原理，推導(dǎo)出圍巖壓力的計算式，運(yùn)用Matlab軟件編程計算得到其優(yōu)化解答。通過算例分析得到以下結(jié)論：

　　1)基于泰沙基法進(jìn)行隧道圍巖支護(hù)設(shè)計較為保守，不考慮隧底隆起的極限分析方法次之，而本文考慮隧底隆起極限分析方法的風(fēng)險最大;在確保隧道結(jié)構(gòu)安全的前提下，隧道工程設(shè)計采用本文考慮隧底隆起極限上限分析模型的經(jīng)濟(jì)性最佳。

　　2)淺埋隧道圍巖壓力q隨著巖土側(cè)壓力相關(guān)系數(shù)減小、斜坡地表傾角增大而增大;隨著淺埋隧道埋深增大、斷面尺寸加大，維持淺埋隧道穩(wěn)定所需圍巖支護(hù)力增大;巖土黏聚力增大、內(nèi)摩擦角增大可有效提高淺埋隧道圍巖穩(wěn)定性。

　　3)在工程實(shí)踐中，不可粗略地將傾斜地表簡化為水平面，忽視地表傾斜對淺埋隧道圍巖壓力的影響;適當(dāng)加強(qiáng)隧道兩側(cè)支護(hù)，合理控制淺埋隧道埋深，有效改善巖土抗剪強(qiáng)度參數(shù)將顯著提高隧道圍巖穩(wěn)定性。