变坡地表浅埋双连拱隧道围岩压力分析方法

《Applied Sciences》：Analytical Method for Surrounding ROCK Pressure of Shallow-Buried Double-Arch Tunnels Under Variable-Slope Ground Surfaces

　　

基于极限平衡理论（limit-equilibrium theory），研究人员提出了一种变坡浅埋双连拱隧道围岩压力计算方法。根据浅埋双连拱隧道的结构和受力条件，建立了变坡地表围岩压力计算模型，分析了围岩边坡的几何关系，计算了各坡面面积，从而得到坡体重量的表达式。基于围岩的极限平衡状态推导了隧道周围的推力，进而得到了变坡浅埋双连拱隧道围岩压力的计算公式。通过将莱米坡隧道（Laimipo Tunnel）的围岩压力实测数据与规范推荐计算方法进行对比，验证了所提方法的合理性。结论如下：(1) 在传统直线坡双连拱隧道围岩压力计算模型中引入多个变坡点，可有效适应不同坡面形态。(2) 算例验证表明，变坡点的引入可有效避免传统直线坡围岩压力计算模型带来的结果误差。(3) 将本文提出的围岩压力计算方法与规范推荐方法进行对比，结果表明本文计算方法与实测值的最大误差为17%，说明本文提出的围岩压力计算方法能够提供合理的估算。

**变坡地表浅埋双连拱隧道围岩压力分析方法论文解读**

**研究背景与问题**
隧道工程中，围岩压力（surrounding rock pressure）的分布特征是核心问题，直接影响设计合理性、施工安全及运营稳定性。双连拱隧道（double-arch tunnel）因占地小、空间利用率高、线路衔接平顺等优势被广泛应用，但其开挖断面大、变形控制难、结构力学行为复杂，且相邻隧道施工会相互影响中墙（central wall）位移。现有围岩压力计算方法（如Terzaghi理论、Protodyakonov理论、极限分析及Fenner公式）多针对单洞隧道，而变坡地表（variable-slope ground surface）条件下，浅埋双连拱隧道的压力分布呈现显著不对称性。已有变坡模型（如Yan等、Du等针对单洞隧道的单、双及多坡折点模型）无法适用于双连拱结构，因为中墙的存在引入了两个关键力学特征：一是相邻拱体间的土压力叠加效应，二是变坡点作为局部超载源在相邻管洞间的荷载传递。因此，亟需建立一种统一的分析方法，同时考虑双连拱相互作用与变坡几何。

**研究内容与结论**
基于极限平衡理论（limit-equilibrium theory），研究人员提出了一种适用于变坡地表浅埋双连拱隧道的围岩压力计算方法。通过将传统直线坡模型引入多个变坡点，建立计算模型，推导了闭合解析解，并以莱米坡隧道（Laimipo Tunnel，位于湖南岳阳，全长275 m，V级围岩，最小埋深3 m）的现场监测数据验证了方法的合理性。结果表明：（1）变坡形态对围岩压力影响显著，不同坡面模型间的垂直分量差异达34.36%~85.22%，水平分量差异达18.71%~92.32%；（2）所提方法最大误差为17%，而规范推荐的上坡模型多测点误差超过50%，下坡模型最大误差34%且部分低估；（3）该变坡建模策略为复杂地形条件下浅埋双连拱隧道的压力估算提供了可行的分析路径。论文发表在《Applied Sciences》。

**关键技术方法**
研究人员采用的主要技术方法包括：（1）基于极限平衡理论（limit-equilibrium theory）建立变坡地表双连拱隧道计算模型，将坡面划分为多个三角形和梯形子域，并定义坡变修正系数K₁（slope variation correction factor）来量化折线坡几何；（2）推导围岩压力计算公式，包括垂直和水平分量，并考虑中墙作为独立承载单元；（3）通过莱米坡隧道（Laimipo Tunnel）K1+705断面的现场监测数据（地球压力盒测量）进行对比验证，并与规范推荐方法（JTG 3370.1-2018）及单洞变坡模型进行比较。样本来源为莱米坡隧道，位于岳阳，全长275 m，V级围岩，最小埋深约3 m。

**研究结果**
**5.1 项目概况**
莱米坡隧道为双管四车道隧道，单管施工跨度18.30 m，总跨度38.60 m。根据规范计算等效荷载高度h_q = 29.56 m，临界深度H_p = 73.90 m，洞口段为超浅埋，主洞段为浅埋。K1+705断面呈U形坡面，包含5个变坡点，右侧坡角α_R1 = ?1.42°、α_R2 = 10.51°、α_R3 = 20.19°，左侧坡角α_L1 = 1.42°、α_L2 = 9.82°、α_L3 = 14.50°。通过该断面验证了模型的几何拟合与力学有效性。

**5.2 案例验证**
基于所提方法计算K1+705断面围岩压力分布，得到垂直和水平压力沿隧道拱顶的分布曲线。结果表明，所提方法能准确反映变坡条件下的压力不对称性。

**5.3 与规范推荐方法对比**
当坡面无变坡点时，所提方法可退化为规范方法，证明规范方法是特例。通过对比上坡线模型、下坡线模型及所提模型，发现上坡模型最大误差达141%，下坡模型最大误差34%但部分不安全，而所提模型最大误差仅17%，且能包络实测数据，验证了其优越性。

**5.4 参数敏感性分析**
采用单变量敏感性分析方法，考察内摩擦角φ（35°~55°）、黏聚力c（0~20 kPa）、埋深H₂（7~20 m）、破裂角β（17.5°~27.5°）、中坡变坡角α_R2（0°~50°）和滑动面摩擦角θ（17.5°~27.5°）对围岩压力的影响。结果表明：（1）φ是最敏感参数，增加φ可降低水平压力；（2）c对水平压力影响显著，对内压e₄’影响大于外压e₄；（3）H₂增加导致水平压力大幅上升，且内压与外压在临界埋深处发生反转；（4）β对水平压力影响强线性；（5）α_R2敏感性较低，但垂直压力在α_R2≈10.51°时出现峰值；（6）θ影响较小，可取规范推荐值。

**5.5 讨论**
**5.5.1 修正因子K₁的机制**
K₁通过累积乘积项量化折线坡几何，将实际坡面分段转化为等效几何参数，并代入极限平衡方程。当α_R2增大时，累积乘积项调整，补偿了单洞模型可能低估的水平推力。例如，α_R2从10.51°增至40°，e₄和e₄’增加约10%。

**5.5.2 模型鲁棒性讨论**
α_R2在0°~20°范围内，模型响应平滑线性；当α_R2进一步增大时，敏感性增强，建议在陡坡段确保地形数据精度。埋深比H₂/H₀≈1.80时，内压与外压差异显著，但需更多案例验证一般关系。

**5.5.3 与先前模型的力学机制比较**
与Du等单洞变坡模型相比，本模型有三点本质差异：（1）应力叠加机制——双连拱隧道中右隧道同时承受自身压力及左隧道经中墙传递的附加应力；（2）滑动体离散化策略——将覆盖土体划分为多个几何子域，独立计算自重和界面参数，而单洞模型视为整体块体；（3）中墙作为独立承载单元引入，使内压计算反映中墙尺寸和埋深影响。

**结论**
（1）坡面形态对围岩压力计算影响显著，不同坡面模型间的垂直分量差异达34.36%~85.22%，水平分量差异达18.71%~92.32%，表明设计中简化地表轮廓可能导致较大偏差。（2）对于验证的变坡断面，所提方法的最大相对误差为17%，而规范上坡模型多测点误差超过50%，下坡模型最大误差34%且部分低估，不安全。在本案例中，所提方法拟合精度优于规范方法。（3）所提出的变坡建模策略为复杂地形条件下浅埋双连拱隧道的压力估算提供了可行的分析路径。但需强调，上述结论主要基于单个隧道断面和单一监测数据集，方法的普遍适用性需通过更多不同地质条件和坡面几何的案例进一步验证。局限性：当前模型基于均匀各向同性围岩、忽略地下水渗流、采用平面破坏面及二维平面应变假设，可能导致计算值与实际应力状态存在差异。未来工作可聚焦于：（a）引入三维地形效应和纵向坡度变化；（b）耦合渗流-应力分析；（c）采用非平面破坏面（如对数螺旋面）；（d）进行系统参数分析以评估模型在不同地质强度参数和几何条件下的适用边界。