曹 爱 武，魏 桦，褚 卫 江，陈 平 志
(1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311122；
2.浙江中科依泰斯卡岩石工程研发有限公司，浙江 杭州 311122；
3.2510工程建设指挥部)
隧洞在水电、交通、市政、采矿等多个工程领域广泛应用。受工期等影响，双向掘进为隧洞常用的施工方式。在接近贯通时左、右幅由于相隔较近产生的相互扰动大，对于地质条件复杂的隧洞易发生大变形甚至失稳坍塌，将对工程施工安全及进度产生较大的影响。因此，对于复杂地质条件下隧洞贯通段稳定特性、破坏模式及加固措施的研究具有重要的意义。
近年来，国内外学者对复杂地质条件下隧洞稳定问题开展了相关研究。钮新强等[1]对穿黄隧洞中遇到的复杂地质问题及相关施工技术、控制标准等进行了总结，通过专题研究提出了一系列技术难题解决方案；
Lunardi[2]和Giovanni[3]研究了复杂地质条件下隧洞全断面开挖实现方法，强调了掌子面稳定对隧洞稳定及创造全断面开挖条件的重要性；
闫军涛等[4]研究了盾构通过上软下硬复杂地层时开挖面支护压力的确定方法，以保障隧洞施工安全；
马龙等[5]分析了隧洞贯通段地下水、爆破振动、空间效应和施工等因素对稳定的影响；
潘奇[6]研究了初期支护对贯通段稳定特性的改善；
相关学者还利用数值模拟技术及监测手段[7-11]，研究了隧洞开挖变形规律及超前支护等措施的作用。上述研究主要针对复杂地质条件下隧洞稳定、贯通段稳定影响因素以及变形特征、控制措施、监测手段等方面进行分析，对于贯通段破坏模式及加固作用量化的研究较少。
本文基于解析及数值方法对软土隧洞贯通段潜在破坏模式、安全系数及不同加固措施效果进行了研究，提出了软土隧洞贯通段潜在失稳模式及安全系数计算方法，并利用数值模拟方法进行了验证。相关研究成果有利于工程技术人员及时了解贯通段的稳定特征，选择适当的加固方法提高贯通段稳定性，保障工程安全。
双向掘进的软土隧洞贯通段扰动大，其稳定问题更为突出。由于两侧均产生扰动，假设软土隧洞贯通段破坏模式分为双滑面及单滑面两种破坏模式，同时贯通段土柱支撑作用不足，破坏区域将可能进一步延伸至贯通段上部。
1.1 双滑面破坏模式
考虑软土隧洞贯通段受两侧开挖扰动程度相当，均发生向临空面的变形，贯通段中部产生裂缝，假设此状态下贯通段为双滑面破坏模式，潜在失稳模式如图1所示。
图1 软土隧洞贯通段双滑面破坏模式示意Fig.1 Double sliding failure mode of soil tunnel in breakthrough section
双滑面破坏模式贯通段稳定安全系数为
(1)
对公式(1) 进行简化得到：
(2)
1.2 单滑面破坏模式
考虑隧洞双向掘进过程中一侧扰动较大，产生更大的临空变形，假设此时贯通段为单滑面破坏模式。潜在失稳模式如图2所示。
图2 软土隧洞贯通段单滑面破坏模式示意Fig.2 Single sliding failure mode of soil tunnel in breakthrough section
单滑面破坏模式贯通段稳定安全系数计算同公式(2)，但对于潜在滑动土体单宽自重W、潜在滑动面长度Ls存在差别。
1.3 稳定性数值分析方法
由于解析方法无法考虑隧洞的三维效应且难以量化支护对稳定性的改善作用，进一步利用数值模拟方法对软土隧洞贯通破坏模式及安全特性进行分析研究。
对于软土隧洞贯通段稳定特性的数值分析，可利用FLAC3D建立分析模型[13]，如图3所示。假设隧洞除贯通段外均已开挖支护完成，对于玻璃纤维锚杆、管棚等支护结构，采用Cable等结构单元进行模拟，土体采用Mohr-Coulomb模型，利用强度折减法求解贯通段安全系数。
图3 软土隧洞贯通段稳定分析模型Fig.3 Stability analysis model of soil tunnel in breakthrough section
超前支护是保障隧道开挖工作面稳定常采取的加固措施。管棚支护适用性广、施工快、安全性高，在隧洞施工中广泛使用；
玻璃纤维锚杆具有抗拉强度高，抗剪强度低，易挖除的特征，非常适合临时工程的加固[14-15]。下文对管棚及玻璃纤维锚杆等超前支护对软土隧洞贯通段稳定安全系数的影响进行了研究。
2.1 管棚加固贯通段
管棚措施通过在隧洞开挖轮廓处施加钢管，并进行注浆，使得周围一定范围内岩土体得到固结，钢管与岩土体组成固结圈，从而减少隧洞变形[16]。对于软土隧洞贯通段，管棚的施加避免了隧洞顶拱潜在塌落区的坍塌。根据公式(2)，管棚加固措施有效降低了潜在滑动土体自重，从而提高了软土隧洞贯通段安全系数。
2.2 掌子面玻璃纤维锚杆加固
玻璃纤维锚杆提前从隧洞两侧安装，通过注浆及杆体作用，可提高软土隧洞贯通段整体性及土体的黏聚力，玻璃纤维锚杆对隧洞贯通段加固示意如图4所示。根据公式(2)，玻璃纤维锚杆提高了软土隧洞贯通段黏聚作用，提高了软土隧洞贯通段稳定性。
图4 玻璃纤维锚杆加固隧洞贯通段示意 (双滑面破坏模式)Fig.4 Fiberglass anchors reinforcing breakthrough section(double sliding surfaces mode)
3.1 工程概况
以色列Kokhav Hayarden抽水蓄能电站尾水隧洞主要位于含砾石或漂石的高液限黏土地层，隧洞开挖直径约9.0 m，最大埋深约60.0 m。由于地质条件复杂，工程工期紧张，隧洞从东西两侧同时开挖，贯通段位置土体重度18.5 kN/m3，黏聚力为29 kPa，内摩擦角为23.5°。贯通段位置受地下水影响严重且埋深接近50 m，若贯通段位置发生事故，将威胁工程顺利进行。
为保障贯通段安全，隧洞贯通段采用分幅开挖方式，以减少对贯通段的扰动，贯通段断面及开挖方式如图5所示。
图5 尾水隧洞贯通段断面及开挖方式Fig.5 Profile and excavation method of breakthrough section in tailrace tunnel
下面利用解析方法及数值模拟方法对该软土隧洞贯通段潜在失稳模式、稳定特性、加固作用进行详细评估。
3.2 解析方法
结合支护施加及进尺情况考虑贯通段长度为3.67 m，对于单滑面和双滑面两种破坏假定，分别考虑极小扰动(c=29 kPa)及极限扰动(c=0 kPa)，相关安全系数如表1所列。
表1 不同条件下贯通段安全系数(解析方法)Tab.1 FoS of breakthrough section under different conditions (analytical method)
根据解析法，该软土隧洞贯通段两种模式不同扰动下安全系数均小于1。由于解析方法无法考虑三维效应、断面特性等影响，继续利用数值方法进行贯通段稳定系数复核。
3.3 数值模拟方法
利用FLAC3D建立软土隧洞贯通段分析模型。在渗流稳定条件下，考虑隧洞从两端向中部开挖，两侧扰动程度相当，则极小扰动下安全系数为1.32，极限扰动下安全系数为1.06，软土隧道开挖响应如图6所示。
图6 尾水隧洞开挖响应特征Fig.6 Excavation response characteristics of breakthrough section in tailrace tunnel
由于贯通段位置扰动通常较大，接近极限扰动情况，因此该软土隧洞贯通段安全系数仅略大于1.06，安全裕度低，因此有必要对贯通段位置进行加固设计。如图6所示，根据贯通段最大剪应变增量分布及变形分布特征，尾水隧洞贯通段近似表现为双滑面破坏模式。
对不同支护措施作用下贯通段安全系数进行了分析，如图7所示。图7(a)为两侧施加直径114 mm、间距0.5 m、长12 m的管棚，贯通段黏聚力折减为0，安全系数为1.15；
图7(b)为除管棚外，掌子面同时施加34根玻璃纤维锚杆，贯通段黏聚力折减为0，安全系数为1.23。
图7 不同支护措施条件下的贯通段安全系数(极限扰动)Fig.7 FoS of breakthrough section under different reinforcement measures(extreme disturbance)
根据上述分析，可见施加支护后，极限扰动情况下，贯通段安全系数可从1.06提高至1.23，提高了安全裕度。尽管使用管棚支护能够提高贯通段安全系数至1.15，但考虑到贯通段掌子面一旦失稳，将严重威胁施工人员安全，还是采用管棚与贯通段掌子面玻璃纤维锚杆组合的支护方案，目前隧洞已实现安全贯通。
(1) 基于解析方法提出了软土隧道贯通段潜在破坏模式及其安全系数计算方法。由数值模拟方法可知，对于贯通段双向开挖扰动相当情况，其近似表现为双滑面破坏模式。
(2) 以以色列Kokhav Hayarden抽水蓄能电站尾水隧洞土质洞段为例，结合隧洞施工方案，利用FLAC3D分析得到无支护条件下贯通段安全系数略大于1.06，安全裕度低，施加管棚支护后安全系数为1.15，施加管棚及玻璃纤维锚杆组合支护后安全系数为1.23。可见，通过管棚、玻璃纤维锚杆等超前支护，提高了软土隧洞贯通段安全系数，保障了工程施工安全。
(3) 下一步研究可进一步考虑开挖方式、开挖进尺差异、支护时机等对贯通段稳定特性的影响程度。
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