文∕趙景周

1 前言

在相同埋深條件下，由于軟巖隧道工程施工難度大，因此對(duì)軟巖隧道圍巖結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性提出了很高的要求。結(jié)合以往對(duì)軟巖隧道圍巖力學(xué)性能的影響研究中，普遍得出結(jié)論為影響軟巖隧道圍巖變形結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的關(guān)鍵參數(shù)就是圍巖結(jié)構(gòu)內(nèi)力。在軟巖隧道施工過(guò)程中，其圍巖結(jié)構(gòu)必然會(huì)受到內(nèi)力的影響；在施工荷載不斷加大的情況下，內(nèi)力值超出最大承受范圍，從而導(dǎo)致圍巖變形，降低圍巖結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。因此，進(jìn)行軟巖隧道圍巖變形結(jié)構(gòu)分析是極具現(xiàn)實(shí)意義的。

在相同埋深條件下軟巖隧道圍巖變形結(jié)構(gòu)分析常見的傳統(tǒng)方式主要為側(cè)移估算法以及沉降估算法，但此方法在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中存在分析結(jié)果誤差大的現(xiàn)象，無(wú)法真實(shí)分析出軟巖隧道圍巖變形結(jié)構(gòu)[1]?？紤]到軟巖隧道圍巖在外界因素長(zhǎng)時(shí)間的作用下會(huì)發(fā)生變形，進(jìn)而影響軟巖隧道的穩(wěn)定性。為確保軟巖隧道安全，必須分析在相同埋深條件下軟巖隧道圍巖變形結(jié)構(gòu)，因此，本文對(duì)相同埋深條件下軟巖隧道圍巖變形結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，致力于從根本上提高軟巖隧道圍巖變形結(jié)構(gòu)分析精準(zhǔn)度，進(jìn)而為軟巖隧道圍巖的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論支持。

2 軟巖隧道圍巖變形機(jī)理

在相同埋深條件下，軟巖隧道施工后會(huì)導(dǎo)致圍巖結(jié)構(gòu)圍護(hù)墻體內(nèi)側(cè)軟土的土壓力急劇降低，圍巖結(jié)構(gòu)圍護(hù)墻體外側(cè)的主動(dòng)土壓力劇增。由于圍護(hù)墻體內(nèi)外的土壓力差異過(guò)大，導(dǎo)致圍巖結(jié)構(gòu)失衡，因此在不同壓力的共同作用下，圍巖結(jié)構(gòu)無(wú)法提供原有的支撐力，進(jìn)而導(dǎo)致軟巖隧道圍巖變形[2]?；趪鷰r結(jié)構(gòu)圍護(hù)墻體自身的抵抗能力，開挖深度越大，向下的作用力越大，因而圍護(hù)墻體很容易出現(xiàn)魚腹梁變形，其具體表現(xiàn)為圍護(hù)墻體向內(nèi)凸起。造成圍護(hù)墻體變形的主要原因可概括為兩點(diǎn)，分別是支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度不足以及軟巖隧道基坑受力沉降過(guò)大。在軟巖隧道施工時(shí)，不同的載荷方向必然會(huì)造成不同的變形結(jié)果?；诖耍谙嗤裆顥l件下分析軟巖隧道圍巖變形結(jié)構(gòu)時(shí)，必須考慮圍護(hù)墻體變形破壞的載荷方向。

3 在相同埋深條件下軟巖隧道圍巖變形結(jié)構(gòu)分析

明確相同埋深條件下軟巖隧道圍巖變形機(jī)理后，分析在相同埋深條件下軟巖隧道圍巖變形結(jié)構(gòu)。本文采用數(shù)值模擬的方式，模擬軟巖隧道圍巖變形受力過(guò)程，進(jìn)而分析出軟巖隧道圍巖變形結(jié)構(gòu)，并針對(duì)相同埋深條件下軟巖隧道圍巖變形結(jié)構(gòu)分析具體的研究?jī)?nèi)容，如下文所述。

3.1 軟巖隧道圍巖變形結(jié)構(gòu)內(nèi)力數(shù)值模擬基本假設(shè)

為保證軟巖隧道圍巖變形結(jié)構(gòu)分析精度，本文在相同埋深條件下，通過(guò)模擬軟巖隧道圍巖變形結(jié)構(gòu)內(nèi)力數(shù)值，將復(fù)雜的軟巖隧道圍巖變形結(jié)構(gòu)內(nèi)力問(wèn)題轉(zhuǎn)換為簡(jiǎn)單的線性問(wèn)題[3]。在數(shù)值模擬過(guò)程中基本假定的具體內(nèi)容包括：軟巖隧道圍巖變形結(jié)構(gòu)內(nèi)力在應(yīng)力應(yīng)變過(guò)程中必須保持平面形態(tài)；排除由于抗拉強(qiáng)度的不同，造成軟巖隧道圍巖變形結(jié)構(gòu)內(nèi)力狀態(tài)數(shù)值模擬誤差值大的情況；在發(fā)生軟巖隧道圍巖變形結(jié)構(gòu)內(nèi)力應(yīng)力應(yīng)變時(shí)，軟巖隧道圍巖變形結(jié)構(gòu)內(nèi)力與彎曲變形為彈塑性關(guān)系。

3.2 模擬軟巖隧道圍巖變形結(jié)構(gòu)承載力

在明確軟巖隧道圍巖變形結(jié)構(gòu)內(nèi)力數(shù)值模擬基本假設(shè)的前提下，本文運(yùn)用二次拋物線原理，模擬軟巖隧道圍巖變形結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)下的承載力，并以二次拋物線的高度代表軟巖隧道圍巖變形結(jié)構(gòu)當(dāng)下的承載力[4]。設(shè)二次拋物線的高度為y，可得公式（1）。

公式（1）中，x表示軟巖隧道圍巖結(jié)構(gòu)的樁徑；ε1表示軟巖隧道圍巖結(jié)構(gòu)樁間凈距；ε2 表示隧道工程開挖深度；r表示隧道圍巖結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度。通過(guò)公式（1），可推導(dǎo)出軟巖隧道圍巖變形結(jié)構(gòu)狀態(tài)計(jì)算理論模型[5]。設(shè)模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式為M，可得公式（2）。

公式（2）中，σ表示軟巖隧道圍巖變形結(jié)構(gòu)彈性模量；β表示軟巖隧道圍巖變形結(jié)構(gòu)最大承受剪應(yīng)力；b表示軟巖隧道圍巖變形結(jié)構(gòu)內(nèi)力的摩擦角；a表示粘聚力；n表示膨脹角度，為實(shí)數(shù)；f表示地表沉降。

利用軟巖隧道圍巖變形結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)計(jì)算理論模型，判斷出此時(shí)軟巖隧道圍巖變形結(jié)構(gòu)狀態(tài)；通過(guò)軟巖隧道圍巖變形結(jié)構(gòu)狀態(tài)計(jì)算理論模型中的自變量分析，得出軟巖隧道圍巖變形結(jié)構(gòu)狀態(tài)的主要影響因素為：軟巖隧道圍巖變形結(jié)構(gòu)受力的摩擦角、粘聚力以及膨脹角度。在運(yùn)用軟巖隧道圍巖變形結(jié)構(gòu)狀態(tài)計(jì)算理論模型的過(guò)程中，必須對(duì)軟巖隧道圍巖變形結(jié)構(gòu)受力點(diǎn)位置進(jìn)行精準(zhǔn)計(jì)算，防止由于點(diǎn)位不準(zhǔn)確造成軟巖隧道圍巖變形結(jié)構(gòu)參數(shù)誤差大的問(wèn)題[6]。同時(shí)，以計(jì)算得出的軟巖隧道圍巖變形結(jié)構(gòu)狀態(tài)為依據(jù)，分析軟巖隧道圍巖變形結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。

3.3 建立軟巖隧道圍巖變形結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系

在完成軟巖隧道圍巖變形結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬后，通過(guò)建立軟巖隧道圍巖變形結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，分析軟巖隧道圍巖變形結(jié)構(gòu)受力變形的具體情況，可以將軟巖隧道圍巖變形結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系視為一種曲線關(guān)系，如圖1 所示[7]。

圖1 軟巖隧道圍巖變形結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線

圖1 中，f0表示軟巖隧道圍巖變形結(jié)構(gòu)受力應(yīng)力應(yīng)變的最大值，代表軟巖隧道圍巖變形結(jié)構(gòu)所能承受的最大應(yīng)力；gt 表示軟巖隧道圍巖變形結(jié)構(gòu)與地面之間的夾角。

根據(jù)圖1 可知，軟巖隧道圍巖變形結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變會(huì)影響軟巖隧道圍巖變形結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)垂直偏差范圍，軟巖隧道圍巖變形結(jié)構(gòu)應(yīng)力越大，所造成的軟巖隧道圍巖變形結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)垂直偏差就越大，進(jìn)而導(dǎo)致軟巖隧道圍巖結(jié)構(gòu)變形的可能性越來(lái)越大。而隨著應(yīng)力作用下，軟巖隧道圍巖變形結(jié)構(gòu)抗壓強(qiáng)度越來(lái)越低，也會(huì)導(dǎo)致軟巖隧道圍巖結(jié)構(gòu)變形的可能性越來(lái)越大。因此，必須根據(jù)軟巖隧道圍巖變形結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，計(jì)算軟巖隧道圍巖變形結(jié)構(gòu)的抗壓強(qiáng)度，將軟巖隧道圍巖變形結(jié)構(gòu)所受應(yīng)力控制在可承受范圍內(nèi)，為下一步分析軟巖隧道圍巖變形結(jié)構(gòu)時(shí)間分形特征做準(zhǔn)備。在相同埋深條件下，設(shè)軟巖隧道圍巖變形結(jié)構(gòu)的抗壓強(qiáng)度為ω，可得公式（3）。

通過(guò)公式（3），得出軟巖隧道圍巖變形結(jié)構(gòu)的抗壓強(qiáng)度。

3.4 分析軟巖隧道圍巖變形結(jié)構(gòu)時(shí)間分形特征

在建立軟巖隧道圍巖變形結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的基礎(chǔ)上，本文采用分形理論，定量描述軟巖隧道圍巖變形結(jié)構(gòu)?；谙嗨凭S數(shù)，分析軟巖隧道圍巖變形結(jié)構(gòu)時(shí)間分形特征[8]。設(shè)軟巖隧道圍巖變形結(jié)構(gòu)時(shí)間分形特征方程式為D，可得公式（4）。

公式（4）中，t表示軟巖隧道圍巖變形監(jiān)測(cè)時(shí)間。通過(guò)公式（4），得出軟巖隧道圍巖變形結(jié)構(gòu)時(shí)間分形特征的時(shí)間分形維數(shù)，并完成在相同埋深條件下軟巖隧道圍巖變形結(jié)構(gòu)的分析。

4 實(shí)例分析

4.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

構(gòu)建實(shí)例進(jìn)行分析，實(shí)驗(yàn)對(duì)象選取某軟巖隧道，軟巖隧道的復(fù)勘項(xiàng)目表，如表1 所示。

表1 復(fù)勘項(xiàng)目表

根據(jù)表1 所示，首先使用本文設(shè)計(jì)方法分析軟巖隧道圍巖變形結(jié)構(gòu)，并將其設(shè)為實(shí)驗(yàn)組；再使用傳統(tǒng)方法分析軟巖隧道圍巖變形結(jié)構(gòu)，設(shè)為對(duì)照組。當(dāng)軟巖隧道圍巖變形結(jié)構(gòu)達(dá)到一定程度時(shí)，執(zhí)行報(bào)警操作。實(shí)驗(yàn)主要內(nèi)容為測(cè)試兩種方法的分析誤報(bào)警率，誤報(bào)警率越低，則證明分析精度越高。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與結(jié)論

采集上述10 組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，本次實(shí)驗(yàn)基于相同埋深且埋深條件一定的情況下展開，并將10 組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理為表格形式。實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表，如表2 所示。

表2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表

通過(guò)表2 可得出如下結(jié)論：通過(guò)本文方法分析誤報(bào)警率明顯低于實(shí)驗(yàn)對(duì)照組，可以實(shí)現(xiàn)軟巖隧道圍巖變形結(jié)構(gòu)精準(zhǔn)分析。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)在相同埋深條件下軟巖隧道圍巖變形結(jié)構(gòu)的分析，能夠取得一定的研究成果，解決傳統(tǒng)軟巖隧道圍巖變形結(jié)構(gòu)分析中存在的問(wèn)題。由此可見，本文設(shè)計(jì)的方法是具有現(xiàn)實(shí)意義的，能夠指導(dǎo)軟巖隧道圍巖變形結(jié)構(gòu)中的分析及優(yōu)化。在后期的發(fā)展中，應(yīng)加大本文設(shè)計(jì)方法在軟巖隧道圍巖變形結(jié)構(gòu)分析中的應(yīng)用力度。截至目前，國(guó)內(nèi)外在相同埋深條件下軟巖隧道圍巖變形結(jié)構(gòu)分析仍存在一些問(wèn)題，在日后的研究中還需要進(jìn)一步對(duì)軟巖隧道圍巖的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，為提高軟巖隧道圍巖的綜合性能提供參考。