概率性节理岩体中双拱隧道的不均匀荷载效应及加固策略

《TUNNELLING AND UNDERGROUND SPACE TECHNOLOGY》：Asymmetric loading effects and reinforcement strategies for double-arch tunnels in probabilistic jointed rock masses

随机节理岩体双孔拱隧道力学响应与控制措施研究。基于3DEC离散元模型和正交试验设计，系统分析了节理倾角、密度等关键参数对围岩位移、隔墙稳定性和非对称应力的影响，发现节理密度对隔墙稳定性影响显著（最大应力比差达7.7）。提出非偏心单侧扩展锚杆支护法，可降低围岩位移达80%，隔墙位移差降低24.4%。

　　在现代隧道工程领域，双拱隧道因其流畅的线路设计、高效的空间利用以及便于与地表道路连接等优点，广泛应用于山区高速公路建设中。然而，双拱隧道在施工过程中常常面临复杂的不对称荷载问题，这不仅影响隧道结构的稳定性，还可能引发一系列地质灾害，如围岩裂缝、衬砌破坏甚至塌方。因此，深入研究双拱隧道在随机节理岩体中的力学响应特征及其控制措施，对于优化设计和施工方案具有重要意义。

### 双拱隧道的不对称荷载问题

双拱隧道的不对称荷载问题主要来源于三方面：地形不对称引起的荷载、地质构造引起的不对称荷载（TEAL）以及施工过程中人为因素导致的不对称荷载。这三种荷载形式在双拱隧道施工中往往同时存在，形成复杂的力学环境。其中，TEAL由于岩体节理的固有异质性和各向异性，成为研究的重点。节理的分布、方向、长度和密度等参数对围岩的力学行为和隧道稳定性具有显著影响，尤其是在TEAL条件下，这些参数的变化可能导致围岩变形加剧，进而威胁隧道结构的安全。

在实际工程中，节理的分布形式多种多样，其中随机分布的非持久性节理是最常见的地质构造形式。这些节理通常具有较高的空间变异性，其分布不规则且难以预测，使得围岩的力学响应更加复杂。此外，节理的存在还可能导致隧道衬砌的局部破坏，尤其是在节理密集区域，围岩的变形和应力集中现象更为明显。因此，如何准确模拟和评估这些节理参数对双拱隧道的影响，成为当前隧道工程研究的重要课题。

### 随机节理岩体的建模方法

为了深入研究双拱隧道在随机节理岩体中的力学行为，本文采用3DEC离散元建模技术，结合蒙特卡洛模拟和离散裂缝网络（DFN）模型，对隧道围岩的力学响应进行系统分析。3DEC是一种专门用于模拟块体岩体变形的离散元软件，能够有效地处理岩体中由于节理存在而导致的不连续变形问题。通过DFN方法，可以构建具有统计特征的随机节理网络，从而更真实地反映岩体的实际情况。

在建模过程中，首先需要根据现场节理统计参数构建概率节理模型。由于节理参数在实际地质环境中具有一定的概率分布特性，因此采用蒙特卡洛方法进行随机生成，能够更准确地模拟岩体的不规则性和复杂性。同时，通过与现场监测数据的对比，验证模型的可靠性，确保模拟结果能够反映实际工程条件。

### 关键节理参数对隧道力学行为的影响

通过对关键节理参数（节理倾角、节理长度、节理密度、节理走向和节理组数）的系统分析，本文揭示了这些参数对双拱隧道不对称荷载效应（TEAL）的具体影响。研究发现，节理倾角和节理组数是影响围岩位移的主要控制参数，它们的改变会显著改变围岩的变形模式和应力分布。而节理密度则对中间隔墙的稳定性以及整体不对称荷载行为具有最大影响，其变化会导致围岩中不对称应力比的最大差异达到7.7倍。

这些发现表明，在双拱隧道的设计和施工过程中，必须充分考虑节理参数的分布特征。例如，节理倾角较大的情况下，围岩可能会出现更严重的偏移，而节理组数的增加则可能加剧围岩的不稳定性。因此，在实际工程中，针对不同节理参数组合，应采取相应的加固措施，以降低不对称荷载对隧道结构的不利影响。

### 不对称荷载的控制方法

为了有效控制双拱隧道在不对称荷载条件下的围岩变形，本文提出了一种非偏侧隧道先开挖与偏侧单侧延伸锚杆支护相结合的施工方法。这种方法通过优化开挖顺序和支护方式，能够显著降低围岩的不对称位移，最高可减少80%。同时，中间隔墙的位移差异也能得到有效控制，最高可降低24.4%。

这一方法的提出，基于对围岩变形模式的深入分析。通过数值模拟，可以直观地观察到不同施工方法对围岩变形的影响。例如，非偏侧隧道先开挖能够减少围岩在某一侧的集中应力，而偏侧单侧延伸锚杆支护则可以增强该侧围岩的稳定性，从而实现整体的不对称荷载控制。这种施工方法不仅提高了隧道的稳定性，还降低了施工过程中的风险，为复杂节理岩体中的双拱隧道建设提供了新的思路。

### 项目背景与研究意义

本文的研究背景为中国浙江省某高速公路双拱隧道项目。该隧道位于遂昌县东城街道，总设计道路长度约为290.40米，道路红线宽度为24.85米。双拱隧道从K0+050至K0+165段，长度为115米，坡度为2.16%。项目采用双拱、双向四车道的隧道方案，具有较高的工程复杂性和技术挑战性。

研究的意义在于，通过数值模拟和现场监测的结合，揭示随机节理岩体中双拱隧道的力学响应特征，为工程实践提供理论支持和技术指导。特别是在不对称荷载条件下，如何通过合理的施工方法和支护措施来提高隧道的稳定性，是当前隧道工程研究的重点方向之一。

### 研究方法与技术路线

本文采用的数值模拟方法主要包括蒙特卡洛模拟和离散裂缝网络（DFN）建模。蒙特卡洛模拟用于生成具有概率分布特性的节理网络，而DFN建模则用于构建更接近实际地质条件的随机节理模型。通过将这两种方法结合，可以更全面地反映岩体的复杂性和不确定性。

此外，本文还采用了正交实验设计方法，对关键节理参数的影响进行系统分析。正交实验设计能够有效地减少实验次数，提高分析效率，同时保证实验结果的代表性。通过分析不同节理参数组合下的围岩位移模式、中间隔墙稳定性以及不对称应力分布，可以识别出对隧道力学行为影响最大的参数，并据此提出优化建议。

### 未来研究方向

尽管本文在双拱隧道不对称荷载效应的研究方面取得了一定成果，但仍有一些问题值得进一步探讨。例如，如何在更复杂的地质条件下，如多组节理交错分布或节理与岩层走向不一致的情况下，更准确地模拟围岩的力学行为？此外，针对不同类型的围岩和不同的施工条件，如何制定更加个性化的支护方案和施工方法？这些问题都需要在未来的工程实践中进一步研究和验证。

同时，随着计算机技术和数值模拟方法的不断发展，未来的研究可以更多地关注多尺度分析和智能优化方法的应用。例如，结合机器学习和大数据分析技术，可以更高效地识别关键参数对围岩变形的影响规律，从而为隧道设计和施工提供更加科学的决策支持。此外，开发更加智能化的支护系统，如基于实时监测数据的动态支护方案，也是未来研究的重要方向之一。

### 结论与应用前景

综上所述，本文通过3DEC离散元建模技术，结合蒙特卡洛模拟和DFN建模方法，系统分析了随机节理岩体中双拱隧道的不对称荷载效应。研究结果表明，节理倾角和节理组数是影响围岩位移的主要参数，而节理密度则对中间隔墙的稳定性具有最显著的影响。通过优化施工方法和支护措施，可以有效降低不对称荷载对隧道结构的不利影响，提高隧道的安全性和稳定性。

本文的研究成果不仅为双拱隧道的设计和施工提供了理论支持，还为复杂节理岩体中的隧道工程提供了新的思路和技术方案。未来，随着工程实践的不断推进和技术手段的持续创新，双拱隧道的不对称荷载控制问题将得到更加全面和深入的解决。同时，研究结果也可以为其他类型的隧道工程提供参考，推动隧道工程领域的技术进步和理论发展。